蘇打鹽堿化稻田土壤反硝化和氨揮發(fā)特征及主要影響因子

黃立華，楊易，劉伯順，楊靖民，王平，黃廣志，蔣小曈

（1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春130102；2.吉林大安農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，吉林 大安131317；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春130118；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)扎賚特旗現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園管理中心，內(nèi)蒙古 扎賚特旗137600）

土壤鹽堿化是當(dāng)今世界面臨的重要環(huán)境問題。鹽堿土在我國分布廣泛，不同類型的鹽堿地是重要的和潛在的農(nóng)業(yè)資源[1]。改良和利用鹽堿地是貫徹國家“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的重要舉措。2021 年10 月習(xí)近平總書記在視察山東省東營市時(shí)強(qiáng)調(diào)了開發(fā)利用鹽堿地對保障中國飯碗的重要作用。2022 年1 月中央印發(fā)的“一號(hào)文件”明確要求“積極挖掘潛力增加耕地，支持將符合條件的鹽堿地等后備資源適度有序開發(fā)為耕地”。

由于作物需要從土壤中吸收大量的養(yǎng)分才能獲得產(chǎn)量，鹽堿地在農(nóng)業(yè)利用過程中必將伴隨著施肥等農(nóng)藝措施。大量研究表明，蘇打鹽堿土不僅鹽堿障礙嚴(yán)重，土壤基礎(chǔ)肥力水平也較低，尤其土壤氮素資源非常匱乏[2]。施用氮肥是蘇打鹽堿地作物獲得增產(chǎn)的重要措施[3]，但鹽堿地區(qū)氮肥利用效率整體偏低[4]。隨著土壤鹽堿程度的增加，氮肥損失明顯增加，損失途徑包括反硝化、氨揮發(fā)、淋洗和徑流等[5]，其中最主要的損失途徑是反硝化和氨揮發(fā)[6-7]。在低鹽堿條件下，鹽度升高對反硝化速率限制作用較明顯，但在高鹽度條件下，反硝化速率降低并不顯著[8]，反硝化速率與pH 呈顯著負(fù)相關(guān)[9]。鹽堿的增加同時(shí)也促進(jìn)了土壤中的氨揮發(fā)[10]，特別是在堿性土壤中，隨著土壤pH 和堿化度增加，施用氮肥產(chǎn)生的氨揮發(fā)量明顯地增加[11]，并且氨揮發(fā)損失主要受控于土壤pH 和堿化度的影響[12]。然而，不同研究者對于土壤鹽堿影響反硝化和氨揮發(fā)的主控障礙因素的論述不盡相同[8-9，12]，有關(guān)鹽堿土反硝化和氨揮發(fā)的過程機(jī)制也有待深入研究。

關(guān)于土壤鹽堿對反硝化和氨揮發(fā)的影響近年來已成為許多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[13]，但就影響機(jī)制還存在諸多爭議，有人認(rèn)為鹽堿土主要受到土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，其中高鹽度和堿化度是主要影響因素[14]，也有人認(rèn)為土壤鹽堿主要抑制了微生物活性[15]，對反硝化和氨揮發(fā)起著間接作用。土壤酶作為其中最活躍的組分之一參與土壤中各種生物化學(xué)過程，其活性的強(qiáng)弱可直接反映土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化狀況和土壤肥力水平[16]。在土壤氮素轉(zhuǎn)化中，硝酸還原酶[17]和亞硝酸還原酶[18]在反硝化過程中起著重要作用，而脲酶則通過影響尿素分解成為影響土壤氨揮發(fā)損失的重要驅(qū)動(dòng)因素[19]。上述相關(guān)土壤酶在不同鹽堿土中的活性變化是否對氮素反硝化和氨揮發(fā)起到?jīng)Q定性作用有待研究。

本研究針對蘇打鹽堿地稻田氮肥利用率低的現(xiàn)狀和鹽堿土分布存在空間異質(zhì)性的特點(diǎn)，先隨機(jī)采集土壤樣品，通過對理化指標(biāo)分析劃分土壤鹽堿化程度，然后采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的方法分別研究不同鹽堿化程度土壤氮素反硝化和氨揮發(fā)過程以及相關(guān)土壤酶的活性變化，并建立氮素反硝化和氨揮發(fā)通量與土壤指標(biāo)的回歸方程，分析不同土壤鹽堿化參數(shù)、鹽離子含量以及主要養(yǎng)分含量對土壤反硝化和氨揮發(fā)的影響，期望通過對氮素轉(zhuǎn)化與鹽堿關(guān)系的分析闡明影響反硝化和氨揮發(fā)作用的主要因子，為未來鹽堿化農(nóng)田氮素轉(zhuǎn)化研究和氮肥利用效率提高提供更多的理論支持。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)概況

土壤樣品采自吉林大安農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（45°35′58″～45°36′28″N，123°50′27″～123°51′31″E）。該站位于吉林省大安市紅崗子鄉(xiāng)境內(nèi)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有春季干旱多風(fēng)、夏季炎熱、秋季少雨、冬季漫長寒冷等特點(diǎn)，年平均氣溫4.7 ℃，降雨量約400 mm左右，蒸發(fā)量1 700 mm以上，全年光照充足，無霜期在135 d左右，≥10 ℃的有效積溫約2 900 ℃，適宜作物單季種植。土壤為典型蘇打鹽堿化草甸土。2003年建站后陸續(xù)將部分退化鹽堿地開墾為稻田，田塊設(shè)置為面積1 000 m2（40 m×25 m）的統(tǒng)一規(guī)格，采用嫩江引水灌溉，單灌單排，統(tǒng)一耕種管理。由于開墾前土壤鹽堿化程度不同，雖經(jīng)過短期種稻，不同田塊間的土壤鹽堿化程度仍存在較大差異。

1.2 土壤樣品采集與鹽堿化程度劃分

土壤樣品采集工作于4 月下旬春季稻田耕翻泡田前進(jìn)行，土層1 m 以上完全解凍，0～20 cm土層無積水或泥濘現(xiàn)象。在站區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇30 塊鹽堿化程度不同的稻田，每塊稻田用土鉆隨機(jī)采集5 點(diǎn)0～20 cm土樣，采樣鮮土量約800～1 000 g，混合裝入自封袋，貼上標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室混合均勻后按四分法分為2份，1 份放入4 ℃的冰箱內(nèi)保存，用于培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，另1份自然風(fēng)干，過20 目和60 目篩后測定土壤鹽分離子含量、養(yǎng)分含量及部分鹽堿化參數(shù)，其他鹽堿化參數(shù)通過鹽分離子含量計(jì)算獲得。

根據(jù)30份土樣測試的鹽堿指標(biāo)（主要為含鹽量和堿化度），參照《吉林土壤》對蘇打鹽堿土的鹽堿化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]，將30 份土樣依次劃分為輕度、中度和重度鹽堿土[21]，每個(gè)類別中依據(jù)最小歸類樣品數(shù)選取鹽堿化程度接近的3個(gè)土樣作為重復(fù)，3種土壤的基本鹽堿化程度列于表1，詳細(xì)理化性質(zhì)可參考文獻(xiàn)[21] ，共9個(gè)土壤樣品進(jìn)行氮素反硝化和氨揮發(fā)培養(yǎng)試驗(yàn)。

表1 供試土壤的基本鹽堿化參數(shù)Table 1 Basic salinization and alkalization parameters of three kinds of soils

1.3 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)與測試指標(biāo)

1.3.1 反硝化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

反硝化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)主要參照張先富等[22]的方法，以3 種不同鹽堿化土壤（輕度、中度和重度）為處理，每個(gè)處理選擇3 個(gè)代表性土樣作為重復(fù)，每個(gè)重復(fù)再各稱取6 份土樣進(jìn)行培養(yǎng)，以便培養(yǎng)過程中定期進(jìn)行破壞性取樣，共計(jì)54 份。每份培養(yǎng)土樣稱取40.0 g，裝入100 mL（頂部直徑64 mm，底部直徑54 mm，高40 mm）塑料盒中，先加入一定量的水，使土壤全部濕潤并驅(qū)出土中空氣，再加水至土面水層0.5～1.0 cm，形成淹水培養(yǎng)條件，用無菌封口膜封口，置于25 ℃培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)，每天稱量補(bǔ)水，保證培養(yǎng)期間水量恒定。培養(yǎng)時(shí)間為21 d，于培養(yǎng)后的0、3、6、9、15、21 d 分6 次取樣，測定土壤含水量、硝態(tài)氮含量、硝酸還原酶活性和亞硝酸還原酶活性。每個(gè)處理每次取3 個(gè)重復(fù)，以3 次測定結(jié)果的平均值為測定值，分別計(jì)算氮素反硝化速率和累積反硝化氮量，具體公式如下：

式中：氮素反硝化速率的單位為mg·kg-1·d-1；累積反硝化氮量的單位為mg·kg-1；t為培養(yǎng)時(shí)間，d；（NO-3-N）t0為培養(yǎng)初期硝態(tài)氮含量，mg·kg-1，（NO-3-N）t為t時(shí)間硝態(tài)氮含量，mg·kg-1。

1.3.2 氨揮發(fā)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

氨揮發(fā)量的測定采用“靜態(tài)吸收法”，具體參照王歡等[23]的方法，同樣以3 種不同鹽堿化土壤為處理，每處理3 次重復(fù)，共計(jì)9 份。每份培養(yǎng)土樣稱取130.0 g，裝入500 mL（頂部直徑116 mm，底部直徑81 mm，高74 mm）塑料盒中，加入0.05 g尿素與土壤混勻（折合純氮量為200 kg·hm-2），加入一定量的水使土壤全部濕潤并驅(qū)出土中空氣，再加水保持土面水層0.5～1.0 cm，形成淹水培養(yǎng)條件。培養(yǎng)開始前在培養(yǎng)裝置底部放入裝有20 mL 2%的硼酸吸收液的小燒杯（內(nèi)置指示劑3～5滴），用于吸收培養(yǎng)過程中揮發(fā)出的氨氣，最后用無菌封口膜封口，置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，同時(shí)開展不加土壤的空白實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)時(shí)間為21 d，分別于培養(yǎng)后的3、6、9、15、21 d 取出小燒杯，更換新的硼酸吸收液，然后用0.005 mol·L-1的硫酸滴定測定氨吸收量。與此同時(shí)，分別從每個(gè)處理中取樣測定土壤脲酶活性。每個(gè)處理每次取3 個(gè)重復(fù)，以3 次測定結(jié)果的平均值為測定值，分別計(jì)算累積氨揮發(fā)量和氨揮發(fā)速率，具體公式如下：

式中：累積氨揮發(fā)量，mg·kg-1；氨揮發(fā)速率，mg·kg-1·d-1；t為培養(yǎng)時(shí)間，d；AVN3～AVN21分別為第3 天到第21 天測得的氨揮發(fā)量，mg·kg-1；CAVN 為累積氨揮發(fā)量，mg·kg-1。

1.3.3 測定指標(biāo)及方法

土壤pH 和電導(dǎo)率（EC）采用酸度計(jì)和電導(dǎo)率儀直接測定，土水比為1∶2.5；土壤鹽分離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、和，含鹽量（SSC，%）、陽離子交換量（CEC）、交換性鈉離子（Naex+）、堿解氮（AN）、速效磷（AP）、速效鉀（AK）、有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）和含水量等常規(guī)指標(biāo)均采用土壤農(nóng)化分析手冊的方法測定[24]。土壤堿化度（ESP，%）按[Naex+] /CEC×100 計(jì)算；土壤中硝態(tài)氮含量測定，分別稱取土樣12.00 g，加入1 mol·L-1KCl 溶液100 mL 進(jìn)行浸提，過濾后采用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀（Seal AA3，德國）測定；土壤無機(jī)氮總量通過前期相同土樣培養(yǎng)21 d的礦化和硝化實(shí)驗(yàn)獲得，具體參考文獻(xiàn)[21] 。土壤硝酸還原酶活性測定基于α-萘胺比色法，采用試劑盒（蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)）測定，具體測定步驟參照試劑盒說明書進(jìn)行。土壤亞硝酸還原酶測定是以NaNO2為底物，經(jīng)過24 h 嫌氣培養(yǎng)后，通過單位時(shí)間內(nèi)的減少量來表征[25]。脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 軟件整理，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS22.0 軟件進(jìn)行。利用Pearson 相關(guān)分析法表征累積反硝化氮量、累積氨揮發(fā)量與土壤指標(biāo)間的相互關(guān)系，由于參與培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的土樣數(shù)量有限，其相關(guān)分析結(jié)果很難解釋不同鹽堿或養(yǎng)分指標(biāo)對鹽堿土反硝化作用和氨揮發(fā)作用的影響大小。因此，進(jìn)一步引入逐步回歸分析方法，為有效避免部分指標(biāo)間可能產(chǎn)生共線性，將所有土壤指標(biāo)劃分為鹽堿化參數(shù)、鹽分離子和養(yǎng)分指標(biāo)三類，每一類分別與累積反硝化氮量、累積氨揮發(fā)量進(jìn)行逐步回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含量、反硝化速率和累積反硝化氮量的變化

整個(gè)培養(yǎng)過程中，輕度鹽堿土的反硝化速率始終顯著高于中度和重度鹽堿土（圖1b）。培養(yǎng)3～6 d 時(shí)，中度與重度鹽堿土的反硝化速率沒有顯著差異，而輕度鹽堿土的反硝化速率顯著高于前二者（P＜0.05）。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，3 種不同鹽堿土的氮素反硝化速率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，第15 d 達(dá)到峰值，輕度、中度和重度鹽堿土氮素反硝化速率分別較培養(yǎng)3 d 時(shí)增加了0.2、1.3 倍和1.1 倍。中度和重度鹽堿土反硝化速率分別較輕度鹽堿土低18.9%和37.8%，差異顯著（P＜0.05）。

隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，不同鹽堿土累積反硝化氮量不斷升高（圖1c）。培養(yǎng)3～6 d 時(shí)，中度與重度鹽堿土的累積反硝化氮量沒有顯著差異，二者均顯著低于輕度鹽堿土（P＜0.05）。培養(yǎng)至第21 天時(shí)，輕度、中度和重度鹽堿土中累積反硝化氮量分別較培養(yǎng)3 d時(shí)增加了6.0、13.2 倍和13.0 倍。中度和重度鹽堿土累積反硝化氮量分別較輕度鹽堿土低13.7%和29.4%，差異顯著（P＜0.05），即隨著土壤鹽堿化程度增加，累積反硝化氮量呈降低趨勢。

2.2 土壤氨揮發(fā)速率和累積氨揮發(fā)量變化

由圖2 可見，培養(yǎng)初始時(shí)（第3 天），3 種不同鹽堿土的氨揮發(fā)速率最大，輕度、中度和重度鹽堿土氨揮發(fā)速率分別達(dá)1.75、2.29 mg·kg-1·d-1和2.89 mg·kg-1·d-1，中度和重度鹽堿土氨揮發(fā)速率分別較輕度鹽堿土高30.8%和64.8%，差異顯著（P＜0.05）。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，氨揮發(fā)速率逐漸降低，培養(yǎng)至第21 天時(shí)，輕度、中度和重度鹽堿土氨揮發(fā)速率分別較培養(yǎng)3 d時(shí)降低了63.6%，62.0%和64.8%，仍保持中度和重度鹽堿土氨揮發(fā)速率顯著高于輕度鹽堿土的變化趨勢。

圖2 不同鹽堿土氨揮發(fā)速率和累積氨揮發(fā)量Figure 2 Ammonia volatilization rate and cumulative ammonia volatilization in different saline-sodic soils

不同鹽堿土累積氨揮發(fā)量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加均呈逐漸增加的趨勢（圖2b）。整個(gè)培養(yǎng)過程中（3～21 d），中度和重度鹽堿土累積氨揮發(fā)量均顯著高于輕度鹽堿土（P＜0.05）。培養(yǎng)第21 天時(shí)，輕度、中度和重度鹽堿土中累積氨揮發(fā)量分別較培養(yǎng)3 d 時(shí)增加了1.5、1.7 倍和1.5 倍。中度和重度鹽堿土累積氨揮發(fā)量分別較輕度鹽堿土高36.6%和59.4%，差異顯著（P＜0.05）。

2.3 土壤反硝化和氨揮發(fā)過程相關(guān)酶活性變化

在眾多土壤酶中，硝酸還原酶和亞硝酸還原酶與土壤氮素的反硝化作用關(guān)系密切。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，不同鹽堿土硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢（圖3）。培養(yǎng)初始時(shí)，輕度鹽堿土的硝酸還原酶活性顯著高于中度和重度鹽堿土（P＜0.05），而中度與重度鹽堿土硝酸還原酶活性沒有顯著差異。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，不同鹽堿土的硝酸還原酶活性逐漸增強(qiáng)，培養(yǎng)至第9 天時(shí)，輕度、中度和重度鹽堿土硝酸還原酶活性分別較培養(yǎng)初始時(shí)增加了1.5、2.4 倍和2.9 倍。中度和重度鹽堿土硝酸還原酶活性分別較輕度鹽堿土低8.0%和15.6%。繼續(xù)培養(yǎng)，則3 種不同鹽堿土的硝酸還原酶活性均逐漸下降，輕度與中度鹽堿土間差異不顯著，輕度與重度鹽堿土間差異顯著（圖3a）。

圖3 不同鹽堿土硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和脲酶活性Figure 3 Nitrate reductase，nitrite reductase and urease activities in different saline-sodic soils

與硝酸還原酶活性變化相似，3 種不同鹽堿土的亞硝酸還原酶活性隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加也呈先升高后降低的趨勢，但變化幅度較?。▓D3b）。培養(yǎng)初始時(shí)，輕度、中度與重度鹽堿土的亞硝酸還原酶活性也具有顯著差異（P＜0.05）。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，不同鹽堿土的亞硝酸還原酶活性逐漸增加，在培養(yǎng)至第9天時(shí)，輕度、中度和重度鹽堿土亞硝酸還原酶活性分別較培養(yǎng)初始時(shí)增加了17.0%、17.7%和19.4%。中度和重度鹽堿土的亞硝酸還原酶活性分別較輕度鹽堿土低5.3%和9.8%。繼續(xù)培養(yǎng)，則3 種不同鹽堿化土壤的亞硝酸還原酶活性均逐漸下降，但仍保持中度和重度鹽堿土亞硝酸還原酶活性顯著低于輕度鹽堿土的變化趨勢，二者間的差異則越來越小且不顯著。

隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，不同鹽堿土的脲酶活性均呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢（圖3c）。培養(yǎng)開始時(shí)，輕度、中度與重度鹽堿土的脲酶活性分別為整個(gè)培養(yǎng)過程中的最高值，且表現(xiàn)出土壤鹽堿程度越高，脲酶活性越低，中度和重度鹽堿土的脲酶活性分別較輕度鹽堿土低10.0%和29.8%，差異顯著（P＜0.05）。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，3種鹽堿土的脲酶活性逐漸降低，培養(yǎng)至第21 天時(shí)，輕度、中度和重度鹽堿土的脲酶活性分別較培養(yǎng)3 d時(shí)降低了61.1%、71.6%和75.4%，鹽堿程度越高，脲酶活性降低幅度越大，差異顯著（P＜0.05）。

2.4 氮素反硝化和氨揮發(fā)的影響因子分析

隨著土壤鹽堿化程度的增大，土壤反硝化速率、累積反硝化氮量、氨揮發(fā)速率及累積氨揮發(fā)量等幾乎與所有的鹽堿化參數(shù)、鹽分離子含量和養(yǎng)分指標(biāo)一致，呈現(xiàn)規(guī)律性的增大或降低。土壤鹽堿化參數(shù)、鹽分離子和養(yǎng)分指標(biāo)與累積反硝化氮量、累積氨揮發(fā)量間的逐步回歸分析結(jié)果列于表2。由表2 可知，在土壤鹽堿化參數(shù)中，EC 和ESP 是影響累積反硝化氮量的主要因素，且EC 作用大于ESP，EC 是影響累積氨揮發(fā)量的主要因素；在土壤鹽分離子中，CO2-3是影響累積反硝化氮量和累積氨揮發(fā)量的主要因素；在土壤養(yǎng)分指標(biāo)中，TN 是影響累積反硝化氮量的主要因素，SOM是影響累積氨揮發(fā)量的主要因素。

表2 土壤不同指標(biāo)與累積反硝化氮量和氨揮發(fā)量的逐步回歸分析Table 2 Stepwise regression analysis of different soil indexes with cumulative denitrification nitrogen and ammonia volatilization

3 討論

本研究結(jié)果顯示，隨著土壤鹽堿化程度的增加，氮素的反硝化作用顯著下降，氨揮發(fā)作用顯著增強(qiáng)。土壤反硝化是氮素轉(zhuǎn)化的重要過程，也是引起NO2、NO、N2O 排放和氮素?fù)p失的主要途徑之一[26]。有研究指出，土壤鹽分對反硝化速率起重要的抑制作用[27]，是影響反硝化速率的主導(dǎo)因素[28]。張先富等[22]通過模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同鹽堿化條件對質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不顯著，NaHCO3和Na2CO3混合質(zhì)量濃度變化對反硝化作用沒有顯著影響。然而，本研究結(jié)果表明，隨著模擬培養(yǎng)土壤鹽堿化程度的增加，相同時(shí)刻土壤含量、反硝化速率、累積反硝化量均有逐漸降低的趨勢。培養(yǎng)21 d時(shí)，中度和重度鹽堿土含量較輕度鹽堿土分別降低4.4%和9.9%，反硝化率較輕度鹽堿土分別降低18.9%和37.8%，累積反硝化氮量較輕度鹽堿土分別降低13.7%和29.4%，充分說明土壤鹽堿化程度對氮素反硝化過程具有抑制作用，且鹽堿化程度越大，抑制程度越大。土壤鹽堿化對氮素反硝化產(chǎn)生抑制的原因可能在于以下兩方面，一是鹽堿化首先抑制了氮素的硝化作用[21]，造成中度、重度鹽堿土硝態(tài)氮含量顯著低于輕度鹽堿土，發(fā)生反硝化作用的土壤硝酸鹽基質(zhì)客觀上明顯較少，進(jìn)而降低了反硝化速率；二是鹽堿化抑制了相關(guān)土壤酶活性，造成與反硝化作用相關(guān)的硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性受到抑制（圖3a），降低了其參與反硝化作用的數(shù)量。也有研究認(rèn)為土壤鹽離子（如Na+）可以對土壤酶產(chǎn)生毒害作用，鹽離子濃度過高會(huì)超出酶對鹽度的耐受性，造成土壤酶的失活[29]。

氨揮發(fā)是農(nóng)田氮肥損失的重要途徑之一，尤其是受鹽堿影響的我國北方稻田氨揮發(fā)往往成為氮素?fù)p失的主要途徑[30-31]。無論在鹽化土壤還是堿化土壤中，隨著鹽堿化程度的增加，氨揮發(fā)量都表現(xiàn)出顯著增加的趨勢[11]。通常，由于受鹽堿影響土壤中會(huì)存在著較高的鹽分濃度，減弱土壤對的吸附能力，促進(jìn)向NH3的轉(zhuǎn)化，顯著增大氨揮發(fā)速率[8]；同時(shí)鹽堿土中過量的鹽分和高pH 又會(huì)抑制硝化作用的進(jìn)行[21]，造成的暫時(shí)性累積，也會(huì)增加氨揮發(fā)的發(fā)生[32]。本研究結(jié)果再次表明，隨著土壤鹽堿化程度的增加，氨揮發(fā)速率和累積氨揮發(fā)量均不斷增加。本研究數(shù)據(jù)僅僅是實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果，如果考慮到田間風(fēng)力作用、氣溫變化以及施氮量的增加，鹽堿化程度大的土壤氨揮發(fā)量可能更會(huì)成倍增加[31，33]，因此未來鹽堿化稻田的氨揮發(fā)問題應(yīng)引起相關(guān)部門的高度重視。

土壤反硝化和氨揮發(fā)作為氮素氣態(tài)損失的主要途徑，除受到土壤自身化學(xué)性質(zhì)的影響，還與土壤中微生物活性密切相關(guān)，特別是一些相關(guān)土壤酶的活性已成為土壤氮素周轉(zhuǎn)和有效性的重要指示因子，如硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性大小直接反映了土壤反硝化能力的強(qiáng)弱[34]，脲酶活性大小則直接影響土壤氨揮發(fā)的強(qiáng)度[35]。我們的研究表明，隨著土壤鹽堿化程度的增加，上述3 種土壤酶的活性均呈下降趨勢，所不同的是硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間增加呈先升高后降低變化，而脲酶活性則呈直線下降變化（圖3）。硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性變化與反硝化速率和累積反硝化氮量呈現(xiàn)了相同趨勢，可能是由于培養(yǎng)初期土壤中硝態(tài)氮含量變化對土壤酶活性產(chǎn)生了誘導(dǎo)效應(yīng)，而隨著土壤鹽堿化程度增大最終2 種酶活性不斷降低[32]，導(dǎo)致反硝化作用不同于氨揮發(fā)隨鹽堿化程度增加而增大，關(guān)于這種變化的主因究竟是化學(xué)作用還是生物作用至今還存在著一定爭議[14-15]，具體機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。脲酶活性的這種變化可能是由于添加外源氮素增加了底物尿素濃度，使脲酶活性在培養(yǎng)初始時(shí)快速升高，尿素中酰胺不斷水解為，氨揮發(fā)作用迅速增強(qiáng)，隨著時(shí)間延長底物濃度下降，脲酶活性也逐漸降低[23]。近年來，脲酶抑制劑和硝化抑制劑被廣泛用于提高農(nóng)田氮肥利用效率，減少氮損失[30]。本研究結(jié)果表明，鹽堿化土壤對相關(guān)酶活性也具有部分的抑制作用，因此，脲酶抑制劑和硝化抑制劑在鹽堿化農(nóng)田上的使用應(yīng)該更加慎重。

蘇打鹽堿化稻田作為近年來我國新增的特殊農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，其在發(fā)揮保障國家糧食安全作用的同時(shí)，可能引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)也不容小覷，我們前期研究結(jié)果也證實(shí)了土壤鹽堿化可增加氮素氨揮發(fā)損失，這也是鹽堿化地區(qū)農(nóng)田氮肥利用效率偏低的一個(gè)重要原因[36]。鹽堿化土壤反硝化和氨揮發(fā)可能受到多種因素影響，如土壤溫度、水分、質(zhì)地以及氣候條件等[37]，土壤的鹽堿狀況自然也是其中非常重要的因素，如有研究指出土壤反硝化速率與電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)[27]，與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)[38]，氨揮發(fā)與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)[39]，與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)[40]，等等。隨著土壤中EC 或ESP 的增加，潛在反硝化率降低[41]，氨揮發(fā)損失增加[31]。本研究利用逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，EC、ESP、和TN 是影響反硝化過程的主要因素，累積反硝化氮量與EC、ESP 、呈顯著負(fù)相關(guān)，與TN 呈顯著正相關(guān)；EC、和SOM 是影響氨揮發(fā)過程的主要因素，累積氨揮發(fā)量與EC呈顯著正相關(guān)，與SOM 呈顯著負(fù)相關(guān)。究其原因，反硝化氮量與TN 呈顯著正相關(guān)可能是因?yàn)橥寥繲N 含量較高時(shí)，自然增加了反硝化反應(yīng)底物濃度（即硝態(tài)氮濃度），使氮素轉(zhuǎn)化反應(yīng)更有利于向反硝化方向進(jìn)行；而氨揮發(fā)與SOM 呈顯著負(fù)相關(guān)則是因?yàn)橥寥乐杏袡C(jī)物的增加，可增大土壤養(yǎng)分庫容，使整個(gè)土壤體系具有更大的緩沖性能，進(jìn)而減緩氨揮發(fā)反應(yīng)的發(fā)生。蘇打鹽堿土的高EC和ESP主要是因?yàn)橥寥乐泻休^多的Na+和，土壤的EC、ESP 等指標(biāo)與Na+和具有顯著正相關(guān)關(guān)系[43]，因此較高的Na+和含量是影響蘇打鹽堿土反硝化和氨揮發(fā)速率，造成氮素氨揮發(fā)損失增加的根本原因。

本研究基于室內(nèi)模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)初步揭示了土壤鹽堿化程度對氮素反硝化和氨揮發(fā)損失的影響，由于模擬實(shí)驗(yàn)將土壤氮素各轉(zhuǎn)化過程分開進(jìn)行研究，雖是一種相對理想狀態(tài)，但將反硝化或氨揮發(fā)過程與整個(gè)氮素轉(zhuǎn)化分離在事實(shí)上是不存在的，土壤氮素轉(zhuǎn)化往往是多個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行的，如礦化與硝化、硝化與反硝化等，模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也與大田狀態(tài)下具有一定的差異。因此，今后在鹽堿化土壤的氮素轉(zhuǎn)化研究上應(yīng)對各個(gè)轉(zhuǎn)化過程同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，加強(qiáng)對各個(gè)過程間耦合關(guān)系的探索，同時(shí)要更多關(guān)注田間原位監(jiān)測研究，重視大田試驗(yàn)對生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，將科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐密切結(jié)合起來。

4 結(jié)論

隨著土壤鹽堿化程度的增加，氮素反硝化速率和累積反硝化氮量不斷降低，氨揮發(fā)速率和累積氨揮發(fā)量不斷增加，硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和脲酶活性也呈降低趨勢。土壤鹽堿化雖然抑制了反硝化作用，但增強(qiáng)了氨揮發(fā)作用，綜合造成氮素?fù)p失的增加。究其原因，主要是蘇打鹽堿土含有較高的Na+和CO2-3，造成土壤較高EC 和ESP，較低的TN 和SOM 含量，成為影響土壤反硝化和氨揮發(fā)的主要因素。本模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)在一定程度上明確了土壤鹽堿化對氮素反硝化和氨揮發(fā)的影響規(guī)律，但可能與田間實(shí)際狀況具有一些差異，今后要通過開展田間原位監(jiān)測研究進(jìn)一步加以驗(yàn)證。