增氧微咸水灌溉對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

辛 亮 王文章 范銳鋒

（陜西博潤檢測服務(wù)有限公司，陜西 西安 710199）

0 引言

我國擁有豐富的地下微咸水資源，科學(xué)合理開發(fā)利用地下微咸水資源，對于緩解淡水資源短缺、豐富農(nóng)業(yè)水源、實(shí)現(xiàn)作物抗旱增產(chǎn)有著極其重要的作用。但是，直接使用微咸水進(jìn)行灌溉會造成土壤鹽堿 化，使土壤質(zhì)量惡化，降低作物產(chǎn)量與品質(zhì)。因此，調(diào)控灌溉水質(zhì)量，提高灌溉水生產(chǎn)效率，更加安全高效地利用微咸水進(jìn)行灌溉是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。將微咸水利用與微納米增氧技術(shù)相結(jié)合，可發(fā)展安全高效的微咸水灌溉技術(shù)，有利于緩解淡水資源緊缺，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)約用水。

氮是植物和微生物生長發(fā)育的限制元素。土壤中各形態(tài)氮素含量的高低及其變化，不僅深刻影響著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，更對全球氣候環(huán)境產(chǎn)生重大影響。因此，開展增氧微咸水灌溉條件下土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究十分必要，可以補(bǔ)充利用增氧微咸水灌溉技術(shù)提升作物養(yǎng)分利用率的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)的農(nóng)田。楊凌處于渭河三級階地，海拔525 m，多年平均溫度為12.9 ℃，年均降水量為550～600 mm。試驗(yàn)土壤屬褐土的塿土亞類，土壤質(zhì)地為粉沙黏壤土，通透性好。采集5～20 cm耕層深度土樣，剔除砂礫和植物殘根等雜物后充分混合，風(fēng)干，過孔徑 2 mm篩，備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)用水制備。試驗(yàn)處理用水類型包括常規(guī)增氧淡水（F）和增氧微咸水（B），其中增氧濃度設(shè)置3個梯度（8、15、20 mg/L），礦化度設(shè)置2個水平（0、3 g/L），每組3個重復(fù)，共計(jì)18組試驗(yàn)，具體試驗(yàn)處理見表1。此次試驗(yàn)采用微納米氣泡快速發(fā)生裝置對水進(jìn)行增氧處理，增氧過程中利用HQ40型便攜式溶氧儀監(jiān)測水體溶解氧濃度變化。試驗(yàn)前對自來水進(jìn)行增氧處理，使其溶解氧濃度達(dá)到并穩(wěn)定在 15、20 mg/L，裝入容器中密封備用。

表1 試驗(yàn)處理組合

1.2.2 土壤樣品培養(yǎng)與采集。試驗(yàn)按照10 g/kg的比例向土壤中加入過孔徑0.25 mm篩的玉米芯粉，并加水至土壤含水率為25%，后置于20℃恒溫培養(yǎng)箱中，避光培養(yǎng)2周，以提高土壤微生物活性。

試驗(yàn)前向培養(yǎng)好的土壤均勻噴灑硫酸銨溶液，使土壤中氮含量為0.1 mg/kg。試驗(yàn)時將預(yù)處理土壤按34 g/瓶裝入50 mL藍(lán)蓋瓶中，并加入6.4 mL提前制備好的微納米增氧水，使土壤含水率達(dá)到25%，記錄加水時間，置于20 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中于第0、1、2、3、4、6、8、10天進(jìn)行破壞性取樣，取樣完成后立即將樣品放入液氮中速凍，隨后放入-80 ℃冰箱中保存，待全部樣品取完后統(tǒng)一進(jìn)行無機(jī)氮測定。另外，采用烘干法記錄各時段土壤的水分變化情況。此次試驗(yàn)利用AA3型連續(xù)流動分析儀測定各土壤樣品的無機(jī)氮含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

此次試驗(yàn)利用Excel 2016、Origin 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增氧微咸水添加對土壤無機(jī)氮濃度的影響

由圖1（a）可知，土壤中銨態(tài)氮濃度從第0天到第6天由60～70 mg/kg逐漸降低至8～10 mg/kg；第6天直到試驗(yàn)結(jié)束，土壤中銨態(tài)氮濃度一直處于8～10 mg/kg的穩(wěn)定水平。整體上來看，不同處理的土壤銨態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢，這是由于硝化作用使得土壤中的銨態(tài)氮持續(xù)被消耗。另外，不同處理對銨態(tài)氮消耗的影響無顯著差異。

由圖1（b）可知，各處理土壤中亞硝態(tài)氮濃度在第0天至第3天無顯著差異，第4天開始出現(xiàn)顯著差異且均在第4天達(dá)到最大亞硝態(tài)氮濃度，其中F、F、F、B、B、B分別為2.94、3.99、3.85、4.12、4.75、 4.67 mg/kg，呈現(xiàn)出B≈B＞B≈F≈F≈F的規(guī)律；F、B在第6天率先降至極低值，其他處理均在第8天降至極低值。

由圖1（c）可知，各處理土壤中硝態(tài)氮濃度均呈現(xiàn)先升后降趨勢；各處理間硝態(tài)氮含量在第4天開始出現(xiàn)顯著差異。F、F、B、B均在第4天達(dá)到最大硝態(tài)氮濃度，分別為5.84、5.96、4.71、5.20 mg/kg，呈現(xiàn)F≈F＞B＞B的規(guī)律；F、B于第6天達(dá)到最大硝態(tài)氮濃度，分別為5.89、5.81 mg/kg；第8天F、F的硝態(tài)氮濃度率先降至最低值，而其他處理在第10天降至此水平。

圖1 土壤各形態(tài)無機(jī)氮素含量變化

2.2 增氧微咸水添加對土壤氮素轉(zhuǎn)化速率的影響

圖2為土壤中各形態(tài)無機(jī)氮素平均轉(zhuǎn)化速率隨時間的變化情況。由圖2（a）可知，各處理土壤中銨態(tài)氮消耗速率呈先增后減趨勢，且均在第3天左右達(dá)到最大消耗速率，F(xiàn)、F、F、B、B、B的最大平均消耗速率分別為0.70、0.71、0.79、0.66、0.80、 0.68 mg/（kg·h），呈 現(xiàn) 出F≈B＞F＞F≈ B＞B的規(guī)律。圖2（b）、（c）為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮生成速率的變化情況，二者的變化規(guī)律較為一致，呈現(xiàn)出生成速率存在正負(fù)2個峰的“反S”型曲線。第0天至第5天，即生成速率為正的時期，被稱為生成階段；第5天至第10天其速率為負(fù)數(shù)，被稱為消耗階段。由圖2（b）可知，就未增氧的處理F、B而言，二者的趨勢較為平緩，其中B亞硝態(tài)氮的生成速率峰值高于F；其他處理的峰值均高于F、B。需要注意的是，在消耗階段，F(xiàn)、F亞硝態(tài)氮的生成速率較其他處理提前2 d升至0。由圖2（c）可知，在生成階段，F(xiàn)、B、B、B在第3天硝態(tài)氮生成速率達(dá)到最大，分別為0.055、0.046、0.054、0.057 mg/（kg·h），表現(xiàn)為F≈B≈B＞B；F、F在第4天硝態(tài)氮生成速率達(dá)到最大，分別為0.068、0.072 mg/（kg·h）。

圖2 土壤中各形態(tài)無機(jī)氮素轉(zhuǎn)化速率變化

3 結(jié)論

①增氧淡水和增氧微咸水添加對土壤中銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程無顯著影響，對土壤中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的累積有一定的促進(jìn)作用；②從無機(jī)氮轉(zhuǎn)化速率來看，對淡水和微咸水進(jìn)行增氧處理都能提高土壤中無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化速率。

4 討論

該試驗(yàn)中土壤銨態(tài)氮最大消耗速率呈現(xiàn)出F≈B＞F＞F≈B＞B的規(guī)律，說明不論是微咸水還是淡水，增氧處理都能顯著提高土壤中銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率，且在淡水中表現(xiàn)為增氧濃度越大，效果越明顯。增氧微咸水和增氧淡水均能促進(jìn)土壤亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，這種促進(jìn)效果與水中較高的氧氣濃度有直接關(guān)系。較高的氧氣濃度為好氧微生物提供了適宜的環(huán)境，影響了微生物的生理活性，從而促進(jìn)了土壤中無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化。

雖然在該研究中增氧處理均產(chǎn)生了顯著影響，但是試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的氧氣梯度和礦化梯度未能在土壤銨態(tài)氮消耗上表現(xiàn)出較好的規(guī)律，其原因可能有以下兩方面：①增氧水添加到土壤中后，水中的溶解氧會發(fā)生逸散，而且可能氧氣濃度越高，逸散現(xiàn)象越明顯； ②礦化度梯度設(shè)置太少，3 g/L的礦化度可能仍然在微生物的耐受范圍內(nèi)。