基于BaPS系統(tǒng)的南疆膜下滴灌土壤硝化-反硝化

張翠麗， 卜東升， 遲春明， 鄭德明

(1.塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300;2.新疆生產(chǎn)建設兵團第一師農業(yè)科學研究所，新疆 阿拉爾 843300)

硝化、反硝化作用在農田生態(tài)系統(tǒng)中不但造成氮肥損失，其形成的N2O也是重要的溫室氣體之一［1］。硝化作用為硝酸細菌和亞硝酸細菌將氨轉化成亞硝酸和硝酸的2個連續(xù)過程，這不僅與土壤氮素能否被有效利用有關，同時該過程還可能產(chǎn)生環(huán)境污染;反硝化作用將NO-3和 NO-2還原釋放出NO、N2O、N2的過程，造成了生物氮素循環(huán)中氮的損失，且其產(chǎn)物為大氣污染的重要物質［2-6］。國內外在土壤中氮的轉化、生物有效性、形態(tài)及施肥對土壤氮的影響等方面研究較多［7］，對土壤硝化、反硝化作用及溫室氣體排放的研究也有不少報道［8-11］。氣壓過程分離(BaPS)系統(tǒng)是研究旱地土壤硝化作用與反硝化作用的一種新方法，其應用還不廣泛，還有很大的發(fā)揮潛力。應用BaPS方法對土壤硝化速率和呼吸速率的相關研究已有報道［12-17］，但基于此方法對南疆膜下滴灌土壤不同施肥處理的硝化、反硝化作用的研究尚少。本試驗應用BaPS系統(tǒng)研究膜下滴灌土壤不同施肥處理的硝化、反硝化變化規(guī)律，試圖了解氮在干旱區(qū)滴灌土壤中的循環(huán)機理，為促進農業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)高效發(fā)展奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

本試驗在位于南疆的塔里木大學農業(yè)試驗站進行。試驗站位于塔里木河上游，塔克拉瑪干沙漠的西北緣，平均海拔1 100 m，北緯 81°03'，東經(jīng)40°33'。≥10℃積溫4 113 ℃，無霜期220 d，年日照2 900 h，年降水量50 mm左右。為典型的荒漠綠洲帶，屬暖溫帶極端干旱氣候類型［18］。試驗地土壤質地為壤土，0～30 cm耕層土壤理化性狀為:有機質 9.29 g/kg，全氮 0.56 g/kg，堿解氮 71.00 g/kg，速效磷36.80 mg/kg，速效鉀139.30 mg/kg，土壤容質量 1.447 g/cm3，pH 8.12。

1.2 試驗方法

試驗地種植玉米，品種為新玉9號，株行距30 cm×50 cm。采取裂區(qū)試驗設計，主區(qū)為不同施肥方式，分別為施氮肥、氮肥+有機肥配施和不施肥(CK);副區(qū)為覆膜(FM)和裸地(LD)2種不同耕作措施，重復3次。施氮肥與氮肥+有機肥配施2個處理在等氮量條件下進行，氮肥+有機肥配施按照總氮50%為尿素、總氮50%為有機肥進行配比施入(按純氮計)。全生育期施純氮250.0 kg/hm2、五氧化二磷92.3 kg/hm2和氧化鉀160.5 kg/hm2。50%氮肥(尿素含氮46%)、磷肥(重過磷酸鈣含五氧化二磷44%)和鉀肥(硫酸鉀含氧化鉀40%)全部作基肥一次性施用;20%和30%氮肥分別在苗期(5月20日)和孕穗期(6月18日)隨水滴灌施入土壤。

試驗運用BaPS技術對土壤硝化、反硝化速率進行測定。BaPS儀器由德國公司UMS GrmbH生產(chǎn)。

1.3 樣品的采集與測定

土樣從5月7日開始在試驗地采集，之后每15 d左右取1次土樣，截止到8月6日玉米收獲，全生育期共取土樣6次。取樣時用環(huán)刀采取土壤表層原位0～20 cm深度樣品，取樣后用塑料蓋迅速密封環(huán)刀，并立即帶回實驗室測定，以防止水分散失，對不能立刻檢測的樣品，將其放入0～4℃冰箱保存，保存時間不超過7 d。

樣品監(jiān)測分析按照3個重復為1組，將樣品放在BaPS容器中，密閉后將容器放入恒溫水浴(設定為采樣時的土壤溫度)進行測定，等系統(tǒng)平衡1 h后，用注射器抽氣檢查容器的密封性，啟動BaPS系統(tǒng)，輸入樣品鮮質量、含水量、pH值等樣品參數(shù)，設置收集數(shù)據(jù)的時間為12 h，由系統(tǒng)自動分析得到土壤硝化速率和反硝化速率。

2 結果與分析

2.1 不同處理下土壤硝化速率的動態(tài)變化

由圖1可以看出，3種不同施肥處理下土壤的硝化速率隨著時間的推進變化明顯且趨勢相似。在玉米苗期，隨著氣溫的上升，硝化速率逐步升高，到7月中旬達到最大。隨著玉米的成熟，到了后期，土壤中的速效氮降低，硝化速率逐漸下降。有機肥與氮肥配施處理下，前期(5月中上旬)和后期(8月上旬)裸地土壤硝化速率均大于覆膜土壤。這是由于裸地土壤通氣性強于覆膜土壤引起的。

圖1 不同處理下土壤硝化速率的態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of soil nitrification rate in different treatments

整個試驗期間，氮肥+有機肥+覆膜處理的土壤硝化速率為 266.67～ 602.25 μg/(kg·h)，平均為420.73 μg/(kg·h)，比 氮 肥 + 覆膜處 理 平 均 高5.55%，比不施肥+覆膜處理平均高26.93%;氮肥+有機肥+裸地處理的土壤硝化速率為290.28～520.15 μg/(kg·h)，平均為399.83 μg/(kg·h)，比氮肥 + 裸地處理平均高9.34%，比不施肥+裸地處理平均高31.05%。

2.2 不同處理下土壤反硝化速率的動態(tài)變化

從圖2可以看出:3種不同施肥處理下土壤反硝化速率隨著時間的推進變化明顯且趨勢相似。土壤反硝化速率隨著5月溫度的升高而逐漸升高，到7月上旬氮肥+有機肥+覆膜處理與氮肥+有機肥+裸地處理均達到最大，分別為 291.08 μg/(kg·h)與 260.89 μg/(kg·h)，除了這個時期溫度高的原因以外，還與此前追肥有關。到了后期(8月上旬)，隨著玉米的成熟，土壤中的速效氮降低，反硝化速率降低。后期(8月上旬)裸地土壤反硝化速率大于覆膜土壤硝化速率，這可能是由于膜下土壤的溫度、濕度高于裸地土壤，有利于土壤有機質的分解，速效氮提前被消耗，反硝化作用底物濃度降低，從而使反硝化速率降低。

整個生育期，氮肥+有機肥+覆膜處理反硝化速率較高，為 72.66～291.1 μg/(kg·h)，平均為170.35 μg/(kg·h)，比氮肥 + 覆膜處理平均高16.24%，比不施肥+覆膜處理平均高37.68%。氮肥+有機肥+裸地處理反硝化速率為 48.66～255.89 μg/(kg·h)，平均為 154.2 μg/(kg·h)，比氮肥+裸地處理平均高28.64%，比不施肥+裸地處理平均高42.17%。土壤反硝化速率大小順序為:施氮肥處理+有機肥處理＞施氮肥處理＞不施肥處理。

圖2 不同處理下土壤反硝化速率的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of soil denitrification rate in different treatments

2.3 不同處理對土壤硝化速率的影響

根據(jù)二裂式裂區(qū)試驗方差分析模式［19］，對不同處理的硝化速率平均值的差異顯著性分析結果(表1)表明，覆膜與裸地2種不同栽培措施的硝化速率間差異極顯著，這與有關研究結果［20］相一致。同一栽培措施不同施肥處理下的硝化速率均達極顯著水平。在相同施肥處理下，覆膜與裸地間硝化速率也達極顯著差異。不同施肥處理的硝化速率大小順序為:施氮肥處理+有機肥處理＞施氮肥處理＞不施肥處理。

表1 不同處理下土壤硝化速率Table 1 The nitrification rate of soil in different treatments

不同栽培措施與不同施肥處理對土壤硝化速率都有一定的影響，由本研究結果可得，氮肥與有機肥配施的土壤硝化速率最高，施氮肥(尿素)的土壤硝化速率次之，不施肥處理最低。據(jù)相關研究報道［21-22］，有機-無機肥配施的土壤中堿解氮含量均高 于施化肥，有機肥除具有抑制硝態(tài)氮的淋失作用以外，其自身還有提高土壤堿解氮的作用，從而增加了硝化、反硝化作用的氮素底物濃度，使其速率增大。這與本研究結論一致，無論覆膜與否，氮肥+有機肥處理的土壤硝化速率最高，不施氮肥(對照)的土壤硝化速率最低。覆膜與裸地處理間土壤硝化速率差異達極顯著水平。可見，施肥和覆膜處理對硝化速率影響大。

2.4 不同處理對土壤反硝化速率的影響

由表2可以看出，覆膜與裸地2種不同栽培措施的反硝化速率差異極顯著。在同一栽培措施不同施肥處理間反硝化速率達極顯著差異。在同一施肥處理下覆膜與裸地間反硝化速率差異顯著。不同施肥處理的反硝化速率大小順序為:氮肥+有機肥處理＞施氮肥處理＞不施肥處理，這與一些研究結果［23-24］相一致。

表2 不同處理下土壤反硝化速率Table 2 The denitrification rate of soil in different treatments

3 討論

不同處理的土壤硝化、反硝化速率隨著時間的變化而變化。在玉米生長期間，隨著2次膜下滴肥和土壤溫度的升高，不同處理土壤硝化、反硝化速率都有增加。在玉米成熟后期，由于土壤速效氮底物濃度降低，從而使硝化速率有所下降。

在不同栽培措施下，土壤硝化、反硝化速率均是覆膜土壤大于裸地土壤。不同施肥處理下，土壤硝化、反硝化速率大小順序均為:氮+有機肥處理＞氮肥處理＞不施肥(對照)，這與有關研究結論［25］相一致。但也有研究報道，有機肥在分解轉化過程中，排放的N2O主要產(chǎn)生在硝化階段，而純化肥處理在硝化、反硝化作用過程中都能產(chǎn)生N2O，化肥處理排放的N2O量比有機肥處理更大［26］。

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