培養(yǎng)條件下微納米增氧水添加對新疆砂壤土硝化作用的影響

曲 植，李銘江，王全九，孫 燕，蘇李君，李 健

（西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安710048）

0 引 言

在全球范圍內，水資源短缺和氮肥施用過量是農業(yè)生產過程中存在的 2個突出問題。中國作為一個農業(yè)大國，農業(yè)用水占全國用水總量的 60%以上，農業(yè)水資源供需矛盾日益嚴重[1]。隨著農業(yè)集約化程度的不斷提高，人類在農業(yè)生產中施用大量化肥，其中氮肥所占比例最高。據統(tǒng)計，中國化學氮肥平均年施用量大于2 000萬t，占到世界總量的 30%左右。大量氮肥的使用不僅造成資源的嚴重浪費，還產生了許多生態(tài)環(huán)境問題[2]。因此，在水資源不足的背景下，尋找提高水分、氮肥利用效率的新途徑對實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤氮素轉化是一個多作用交織的綜合過程，包括有機氮的礦化、氨揮發(fā)、硝化作用、硝態(tài)氮淋溶、反硝化脫氮以及銨的固定等[3]。其中，硝化作用作為微生物參與的氮素轉化關鍵過程，受到土壤含水率[4]、溫度[5]、pH[6]以及氧氣[7]等諸多因素影響。土壤孔隙中氧氣含量可直接影響好氧硝化微生物的功能活性，而土壤水分既可以直接影響微生物活性，又可以通過調節(jié)通氣孔隙度（土壤中含氧量）影響硝化作用的發(fā)生。近年來，國內外學者針對含氧量和含水率對硝化作用的影響已經開展了大量研究，并取得重要進展。Miller等[8-9]認為當土水勢為 0時，土壤中O2欠缺，進而硝化作用停止；楊艷菊等[10]通過室內模擬試驗發(fā)現，在200 mL/L O2濃度下，硝化作用進行更徹底；Jutta等[11]研究發(fā)現，土壤中的O2濃度降低到5 mL/L以下時反硝化微生物的活性增強，硝化作用受到抑制。研究證明，潮土在土壤硝化過程中的土壤水分含量以田間持水量（Water Holding Capacity，WHC）的60%～90%較為適宜[12]；30 ℃條件下水稻土80%WHC較40%WHC對硝化作用抑制更強[13]。王大鵬等[14]采用氣壓分離技術，研究了海南橡膠林磚紅壤土壤總硝化速率對水分的響應，結果表明隨著土壤含水率的升高，土壤總硝化速率呈線性增加，當土壤孔隙度水達到 70%后，總硝化速率呈下降趨勢。因此，認識土壤含氧量、含水率以及兩者交互作用對硝化作用的影響，對于制定氮素優(yōu)化管理措施和阻控氮素損失具有重要意義。

近年來，快速發(fā)展的現代農業(yè)對農田灌溉水的要求日益增加，去電子、增氧、磁化等灌溉水活化技術作為高效且無污染的水處理技術，已受到國內外眾多學者廣泛關注。其中增氧活化水應用于農業(yè)生產過程中可以改善土壤環(huán)境，促進作物生長[15]。研究指出，適宜增氧水處理可以提高水稻產量，改善水稻品質，提高水分利用效率[16]；對微咸水進行增氧用于灌溉可以增強小白菜葉片的耐蔭性和忍受高光強的能力，從而促進小白菜葉片光合作用的高效運行，實現作物高產[17]；提高淡水中溶解氧質量濃度可增加小麥種子前期萌發(fā)數量[18]。但是，前人研究多集中于增氧水對作物生長的影響，而有關增氧水對土壤無機氮素轉化，尤其是硝化作用影響的研究鮮有報道。此外，棉花作為新疆的優(yōu)勢資源，是新疆巴音郭楞蒙古族自治州的主導產業(yè)，在節(jié)約成本的前提下，提高棉花的氮肥利用效率和產量一直都是巴州棉花產業(yè)發(fā)展的重要工作。鑒于此，本研究以巴州棉花產區(qū)的粉質砂壤土為供試土壤，采用室內控制培養(yǎng)方法，研究了不同含水率條件下增氧灌溉對新疆砂壤土硝化作用的影響，旨在闡明土壤含水率和增氧水（常規(guī)水作對照）對土壤硝化作用的綜合調控，為深入理解土壤氮素轉化規(guī)律、發(fā)展農業(yè)高效水肥利用技術提供重要理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤采集

供試土壤于2019年采自新疆巴音郭楞蒙古族自治州巴州重點灌溉試驗站（86°10′E，41°35′N）。該試驗站地處塔里木盆地邊緣孔雀河沖擊平原帶，屬于溫帶大陸性荒漠氣候。供試土樣取自棉田0～20 cm耕作層，土壤類型為粉質砂壤土，容重為1.56 g/cm3，pH值為8.7，有機碳含量為 3.4 g/kg，全氮含量為 0.5 g/kg，全碳含量為15.7 g/kg，銨態(tài)氮含量為 3.52 mg/kg，硝態(tài)氮含量為21.40 mg/kg，黏粒為4.70%（質量分數，下同），粉粒為54.40%，砂粒為41.40%，田間持水量為25%（體積含水率）。將采集的新鮮土壤剔除植物根系、砂礫等雜物后充分混合風干，磨細過2 mm篩供試驗使用。

1.2 試驗設計

試驗在西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地進行。試驗處理用水類型包括常規(guī)水（CK）和增氧水（O）。增氧處理采用微納米氣泡快速發(fā)生裝置，增氧過程中使用 HQ40 型便攜式溶氧儀（Seven2GoTM，梅特勒-托利多國際貿易有限公司，中國上海，±0.1 mg/L）監(jiān)測水中溶解氧濃度變化，當其溶氧量穩(wěn)定在20 mg/L時，制成增氧水。

表1 試驗處理組合Table 1 Experimental treatments combination

1.3 測定指標與方法

用2 mol/L的KCl溶液（水土比為1∶5）提取各處理土樣，在180 r/min下振蕩浸提1 h，離心，過濾，取上清液，使用全自動間斷化學分析儀（Smartchem450，AMSA lliance，法國）測定浸提液中NH4+-N和NO3--N含量。

1.4 數據處理與統(tǒng)計分析

數據處理以及制圖使用Microsoft Excel 2016；回歸方程的微分使用Matlab 2017；統(tǒng)計分析使用SPSS 25中的LSD法進行方差分析，數據處理顯著水平均為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤無機氮素動態(tài)變化特征

2.1.1 NH4+-N含量變化特征圖1為培養(yǎng)過程中各處理NH4+-N含量的動態(tài)變化。

圖1 不同處理土壤NH4+-N含量變化特征Fig.1 Variation characteristics of soil NH4+-N content under different treatments

由圖1可以看出：培養(yǎng)開始時，由于硫酸銨的添加，各處理均具有較高的 NH4+-N 含量（186.14～203.04 mg/kg）。隨著培養(yǎng)進行，所有處理的NH4+-N含量逐漸降低（NH4+-N含量降低量即其消耗量）。20 d培養(yǎng)結束時，相比CK1，在CK2、CK3、CK4處理下的NH4+-N消耗總量分別增加29.35%、47.70%和48.74%，差異顯著（P＜0.05）；而 CK2、CK3、CK4處理之間無顯著差異（P＞0.05）。相比O1，在O2、O3、O4處理下NH4+-N消耗總量分別增加 29.94%、36.87%和 34.40%，差異顯著（P＜0.05）；而 O2、O3、O4 處理之間無顯著差異（P＞0.05）。相同含水率條件下，不同類型水處理間NH4+-N消耗總量沒有顯著差異（P＞0.05）?？梢?，含水率升高可以增加土壤NH4+-N消耗總量，但相比于常規(guī)水，增氧處理對土壤NH4+-N消耗總量影響不大。

2.1.2 NO3--N含量變化特征

圖2為培養(yǎng)過程中各處理NO3--N含量的動態(tài)變化。

由圖2可知，可以看出：在培養(yǎng)前期NO3--N處于較低水平，說明土樣本身具有很低的初始NO3--N濃度。隨著培養(yǎng)進行，各處理NO3--N含量逐漸增大。結合NH4+-N含量動態(tài)變化規(guī)律，可以看出，NH4+-N的消耗與NO3--N的生成同步進行，說明硝化作用在土壤氮素轉化過程中占主要地位，但NO3--N的生成量與NH4+-N的消耗量之間存在差異，說明培養(yǎng)過程中存在土壤微生物對無機氮的同化吸收。20 d培養(yǎng)結束時，不同含水率條件下NO3--N生成總量差異顯著（P＜0.05），土壤在CK2、CK3、CK4處理下NO3--N生成總量分別為CK1的5.63、7.63和9.11倍；土壤在O2、O3、O4處理下NO3--N生成總量分別為O1的5.97、9.96和8.40倍。相同含水率條件時，O3是CK3處理下 NO3--N生成總量的 1.38倍，差異顯著（P＜0.05），其余水分條件中CK和O處理下NO3--N生成總量差異不顯著（P＞0.05）?？梢?，含水率升高可以顯著增加NO3--N生成總量，但相比于常規(guī)水，只有在田間持水量條件下增氧處理能夠增加土壤NO3--N生成總量。

該技術對鐵鉬型礦石采用先磁后浮選別順序，先獲得鐵精礦；磁選尾礦采用“一粗二精二掃+粗精礦再磨精選四次”流程進行浮選，實現鉬礦物與其他礦物組分有效分離，最終從磁選尾礦中獲得鉬精礦。

2.2 土壤無機氮素動態(tài)變化定量表征

2.2.1 土壤NH4+-N消耗定量表征

為了定量描述NH4+-N含量隨時間的動態(tài)變化規(guī)律，進一步推測不同處理條件對土壤硝化作用的影響，引用式（1）[19]對試驗數據進行合，其積分可以表示為“S”形曲線。

式中Nt為培養(yǎng)期間NH4+-N瞬時剩余量（即NH4+-N含量），mg/kg；S0為NH4+-N添加量（已知），mg/kg；S為NH4+-N消耗量的漸進值，mg/kg；t為培養(yǎng)時間，d；a和b為模型參數。

通過式（1）計算得到各處理條件下土壤NH4+-N含量與培養(yǎng)時間t的回歸公式以及模型特征值見表2。

圖2 不同處理土壤NO3--N含量變化特征Fig.2 Variation characteristics of soil NO3--N content under different treatments

表2 不同處理新疆砂壤土NH4+-N轉化模型擬合結果Table 2 Fitting results of NH4+-N transformation model of sandy loam soil in Xinjiang under different treatments

為了進一步評估不同處理條件對土壤NH4+-N消耗的影響，對式（1）求導，得到分別表示NH4+-N初始消耗速率V0、最大消耗速率Vmax和達到最大消耗速率對應的時間TVmax，見式（2）～式（5）。土壤 NH4+-N日消耗速率如圖3所示。

式中V為NH4+-N日消耗速率，mg/(kg·d)；V0為NH4+-N初始消耗速率，mg/(kg·d)；Vmax為NH4+-N最大消耗速率，mg/(kg·d)；TVmax為達到最大消耗速率所用時間，d。

圖3 不同處理土壤NH4+-N日消耗速率Fig.3 Daily consumption rate of soil NH4+-N under different treatments

由圖3可以看出，培養(yǎng)過程中不同處理條件下NH4+-N日消耗速率變化趨勢較為一致：均先具有一定的初始消耗速率，隨后增加至最大速率，繼而遞減最終趨近于0，整個變化過程經歷了延緩階段、最大消耗速率和停滯3個階段，但不同處理條件下NH4+-N變化特征值有所差異。首先，同種類型水處理中V0在60%WHC條件下達到最大，水分或高或低V0都有所減小；而100%WHC條件下Vmax最大，CK3處理在6 d達到最大值，O3處理在6.3 d達到最大值（表3）。

相比常規(guī)水，增氧處理對土壤NH4+-N消耗的影響因水分條件的不同而有所差異（圖3）。其中，CK1與O1相比、CK3與O3相比，處理間土壤NH4+-N最大消耗速率沒有顯著差異，而CK2與O2相比、CK4與O4相比CK2與O2相比、CK4與O4相比，處理間差異顯著。CK2處理在6.5 d達到NH4+-N最大消耗速率14.75 mg/（kg·d），O2處理僅在5.2 d便達到最大值19.43 mg/（kg·d），最大消耗速率提高了8.9%；高水分條件下CK4處理在10.3 d達到NH4+-N最大消耗速率16.16 mg/（kg·d），而O4處理在 13.4 d達到最大僅 12.69 mg/（kg·d），降低了21.5%?？傮w結果說明，在適宜的水分條件（60%WHC）下，增氧處理可以加快土壤NH4+-N消耗，縮短NH4+-N轉化高峰出現的時間，增強硝化作用。在高水分條件（175%WHC）下，增氧處理一定程度會抑制土壤硝化作用，從而減慢土壤NH4+-N消耗。

2.2.2 土壤NO3--N生成定量表征

為了定量描述 NO3--N隨時間的動態(tài)變化，引用培養(yǎng)0～6 d的NO3--N平均生成速率來表征土壤硝化作用強度：

式中t為培養(yǎng)天數，d；VNO3--N為NO3--N平均生成速率，mg/(kg·d)；（NO3--N）t為培養(yǎng)至第t天硝態(tài)氮含量，mg/kg；（NO3--N）t0為培養(yǎng)第0天硝態(tài)氮含量，mg/kg。

由圖4看出，在不同含水率條件下，土壤硝化作用強度表現出顯著差異（P＜0.05）。CK3和O3處理都具有最大的硝化作用強度，分別是0.45、0.71 mg/（kg·d）；其次是CK2和O2處理，分別為0.29、0.41 mg/（kg·d）。而較低（30%WHC）和較高（175%WHC）水分條件下硝化作用強度較低，且CK1與O1相比、CK4與O4相比處理間差異不顯著（P＞0.05），說明同種類型水處理下不同土壤含水率顯著影響土壤硝化速率，并且隨含水率的升高，硝化速率先增大后減小，在田間持水量條件下達到峰值，與NH4+-N最大消耗速率所處條件一致。

相比常規(guī)水，增氧水對土壤硝化作用強度的影響因水分條件的不同而有所差異（圖4）。其中，O2處理下硝化作用強度是CK2的1.38倍，O3處理下硝化作用強度是 CK3的 1.58倍，均具有顯著差異（P＜0.05），且O3處理下同常規(guī)水的差異比 O2更為顯著。而在較低（30%WHC）和較高水分條件（175%WHC）下，增氧灌溉對土壤硝化作用強度的影響不大（P＞0.05）。結果說明土壤含水率升高除了提升硝化速率外，也放大了增氧處理對硝化作用的影響效應。

3 討 論

3.1 含水率對土壤硝化作用的影響

土壤中銨態(tài)氮含量發(fā)生變化的原因可分為2方面：1）氨揮發(fā)、銨態(tài)氮硝化等作用造成銨態(tài)氮的消耗；2）是在營養(yǎng)物質充足的條件下，微生物的礦化作用增強，銨態(tài)氮含量會明顯增加。土壤硝態(tài)氮含量的增加是通過微生物進行硝化作用將銨態(tài)氮轉化而來的。本研究結果發(fā)現，在培養(yǎng)過程中銨態(tài)氮消耗的同時有大量硝態(tài)氮生成，且硝態(tài)氮含量總體呈上升趨勢，因此本試驗培養(yǎng)過程中發(fā)生的氮素轉化過程是以銨態(tài)氮的硝化作用為主，其作用強度明顯高于其他轉化過程。

土壤硝化作用受到各種環(huán)境因子包括含水率的顯著影響。多數大田試驗和室內模擬研究[20-22]顯示，在含水率達到田間持水量的60%～80%時土壤硝化作用最強，在此含水率范圍內，土壤微生物數量明顯增加、代謝作用增強。本研究結果表明，相對30%WHC，較高的土壤含水率條件下NH4+-N消耗總量和NO3--N生成總量均較高，其中100%WHC處理下土壤硝化作用最強，NH4+-N消耗速率和NO3--N生成速率均最大且達到NH4+-N最大消耗速率所用時間也有所提前。在前人研究中也曾出現高含水率甚至淹水條件下硝化作用最強的報道，劉若萱等[23]研究湖南植稻土壤發(fā)現，90%WHC處理下土壤 NO3--N累積最為顯著和迅速；Ingwersen等[24]發(fā)現在飽和含水率時土壤硝化作用最強。

在本試驗設定的 4個水分條件下，土壤硝化作用在含水率達到100%WHC時是最強的，但此水分條件設置并不一定能完全反映出土壤氮素轉化的最適水分條件。通過擬合NH4+-N最大消耗速率Vmax與含水率θ兩者關系（表3），發(fā)現均具有良好的相關性，R2均可達到0.9以上，且硝化作用最佳水分條件都位于田間持水量附近。由此可見，在不同土壤環(huán)境中，其硝化微生物種群和功能活性都會存在差異，而且具有硝化能力的細菌和古菌對土壤水分含量的響應也會因種而異[25]，土壤的性質差異可能直接導致硝化作用的最適水分條件不同。

表3 不同處理土壤NH4+-N最大消耗速率與含水率關系Table 3 Relationship between the maximum consumption rate of soil NH4+-N and moisture concent under different treatments

3.2 增氧水對土壤硝化作用的影響

土壤微生物驅動著土壤氮素轉化作用，土壤氧氣含量直接影響硝化作用的發(fā)生，二者關系密切[24]。隨著氧氣含量的增加，好氧硝化細菌的活性逐漸變強，硝化作用增強。Ke等[26]研究證明溶解氧濃度上升可以顯著提高土壤硝化細菌的豐度和活性。反之，氧氣供應不足，厭氧條件會激發(fā)反硝化細菌活性，促進反硝化作用，對硝化過程起到抑制作用[27]。

本研究表明，不同含水率條件下，增氧水對土壤硝化作用的影響具有顯著差異（P＜0.05）。同CK對照相比，O1和O4處理下土壤硝化作用會受到不同程度的抑制。當土壤水分含量過低（30%WHC）時，水分成為微生物

活性的限制因素，即使土壤中氧氣增加也無法輸送更多反應底物，使得培養(yǎng)初期反應速率較低，NH4+-N消耗以及NO3--N生成均較為緩慢；水分含量過高（175%WHC）時，極大改變了土壤氧環(huán)境，造成土壤通氣性變差，即使土壤水中的溶解氧濃度增加，但氧氣擴散仍受到較大限制，導致微生物活性降低，反應速率減小。在O2處理下，土壤NH4+-N消耗速率和NO3--N生成速率均增大，這可能是因為在保證水分適宜的同時增加土壤含氧量，使得水分可以攜帶充足氧氣進入到土壤孔隙，從而顯著促進土壤微生物總量，增強好氧微生物的活性，進而加快土壤硝化，減少氨氮的揮發(fā)，增加土壤氮素有效性[28]，并提高水分利用效率[29]。本結果與此前多數研究結果一致，如李元等[30]發(fā)現在灌水達到田間持水量的80%～90%時，通氣可以改變相關土壤酶的活性，增加土壤微生物數量；陳濤等[31]研究指出增氧灌溉對馬鈴薯的灌溉水分利用效率有了一定的提升，對干旱半干旱地區(qū)的馬鈴薯種植提供了一種可行的節(jié)水灌溉；臧明等[32]發(fā)現增氧地下滴管可以明顯改善土壤通氣性，促進番茄生物量積累和養(yǎng)分吸收利用；胡繼杰等[16]發(fā)現增氧處理下水稻對氮素的吸收與利用均得到顯著的改善，在提高產量的前提下，降低肥料的損耗，有利于水稻高產與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。同CK3對照相比，本研究O3處理下土壤NO3--N生成明顯加快，但是NH4+-N消耗速率沒有顯著增大，可能是由于該條件下土壤有機氮的礦化作用加強，礦化產生的NH4+-N對硝化作用消耗的NH4+-N進行了一定補充。新疆棉田砂壤土為pH值8.7的弱堿性土，氨揮發(fā)是土壤氮素損失的主要途徑。本研究中增氧水處理砂壤土氮素轉化的最適水分條件為60%WHC（O2處理），該水分條件下增氧處理可以加速硝化作用中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉化，從而有效降低氨揮發(fā)的可能性；且在該水分條件下土壤水分多以毛管水為主，可以將硝化作用產生的硝態(tài)氮保持在根區(qū)附近，供植物更好的吸收利用，提高氮肥利用率，同時避免了硝態(tài)氮隨水淋失可能造成的地下水污染等一系列環(huán)境問題。當前關于微納米增氧灌溉技術對土壤氮素轉化的研究剛剛起步，本文僅對其進行初步探討，接下來將通過監(jiān)測培養(yǎng)試驗中土壤氧氣、氨氣、氧化亞氮等氣體含量動態(tài)變化過程，并結合氮素轉化相關微生物功能和群落結構的研究，進一步揭示該灌溉技術對土壤氮素轉化影響的生物學機制。

4 結 論

1）硝化作用在土壤氮素轉化過程中占主要地位，分別利用硝化動力學模型和平均硝化速率來定量描述氮素轉化作用過程中NH4+-N、NO3--N動態(tài)變化情況，獲得了可以定量表征土壤硝化作用強度的4個特征值。

2）相同種類水添加條件下，土壤含水率在田間持水量的30%～100%（飽和含水率）范圍內，NH4+-N的消耗速率和NO3--N的生成速率都隨土壤含水率的升高呈現先增加后降低的趨勢，并在田間持水量（Water Holding Capacity，WHC）條件時達到最大。

3）相同含水率條件下，增氧水處理對土壤硝化作用具有顯著影響。適宜的水分條件（60%WHC）下，增氧可以顯著促進土壤硝化作用；含水率過高過低，都會不同程度的制約增氧水對土壤硝化過程的促進作用。因此，土壤含水率和含氧量對硝化過程的影響存在顯著交互作用，在進行增氧處理對土壤養(yǎng)分轉化研究時應該對土壤水分狀態(tài)加以考慮。