增氧微咸水灌溉對土壤氮素轉化的影響

辛 亮 王文章 范銳鋒

（陜西博潤檢測服務有限公司，陜西 西安 710199）

0 引言

我國擁有豐富的地下微咸水資源，科學合理開發利用地下微咸水資源，對于緩解淡水資源短缺、豐富農業水源、實現作物抗旱增產有著極其重要的作用。但是，直接使用微咸水進行灌溉會造成土壤鹽堿 化，使土壤質量惡化，降低作物產量與品質。因此，調控灌溉水質量，提高灌溉水生產效率，更加安全高效地利用微咸水進行灌溉是農業可持續發展的必然要求。將微咸水利用與微納米增氧技術相結合，可發展安全高效的微咸水灌溉技術，有利于緩解淡水資源緊缺，實現農業節約用水。

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

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自陜西省楊凌農業高新技術產業示范區的農田。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。試驗土壤屬褐土的塿土亞類，土壤質地為粉沙黏壤土，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，風干，過孔徑 2 mm篩，備用。

1.2 試驗設計

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

表1 試驗處理組合

1.2.2 土壤樣品培養與采集。試驗按照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℃恒溫培養箱中，避光培養2周，以提高土壤微生物活性。

試驗前向培養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。試驗時將預處理土壤按34 g/瓶裝入50 mL藍蓋瓶中，并加入6.4 mL提前制備好的微納米增氧水，使土壤含水率達到25%，記錄加水時間，置于20 ℃恒溫培養箱中避光培養。培養過程中于第0、1、2、3、4、6、8、10天進行破壞性取樣，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一進行無機氮測定。另外，采用烘干法記錄各時段土壤的水分變化情況。此次試驗利用AA3型連續流動分析儀測定各土壤樣品的無機氮含量。

1.3 數據處理與分析

此次試驗利用Excel 2016、Origin 2021軟件進行數據處理及繪圖。

2 結果與分析

2.1 增氧微咸水添加對土壤無機氮濃度的影響

由圖1（a）可知，土壤中銨態氮濃度從第0天到第6天由60～70 mg/kg逐漸降低至8～10 mg/kg；第6天直到試驗結束，土壤中銨態氮濃度一直處于8～10 mg/kg的穩定水平。整體上來看，不同處理的土壤銨態氮含量均呈現先下降后穩定的趨勢，這是由于硝化作用使得土壤中的銨態氮持續被消耗。另外，不同處理對銨態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氮濃度在第0天至第3天無顯著差異，第4天開始出現顯著差異且均在第4天達到最大亞硝態氮濃度，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，呈現出B≈B＞B≈F≈F≈F的規律；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，各處理土壤中硝態氮濃度均呈現先升后降趨勢；各處理間硝態氮含量在第4天開始出現顯著差異。F、F、B、B均在第4天達到最大硝態氮濃度，分別為5.84、5.96、4.71、5.20 mg/kg，呈現F≈F＞B＞B的規律；F、B于第6天達到最大硝態氮濃度，分別為5.89、5.81 mg/kg；第8天F、F的硝態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 土壤各形態無機氮素含量變化

2.2 增氧微咸水添加對土壤氮素轉化速率的影響

圖2為土壤中各形態無機氮素平均轉化速率隨時間的變化情況。由圖2（a）可知，各處理土壤中銨態氮消耗速率呈先增后減趨勢，且均在第3天左右達到最大消耗速率，F、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 出F≈B＞F＞F≈ B＞B的規律。圖2（b）、（c）為硝態氮和亞硝態氮生成速率的變化情況，二者的變化規律較為一致，呈現出生成速率存在正負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天其速率為負數，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、F亞硝態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、B、B、B在第3天硝態氮生成速率達到最大，分別為0.055、0.046、0.054、0.057 mg/（kg·h），表現為F≈B≈B＞B；F、F在第4天硝態氮生成速率達到最大，分別為0.068、0.072 mg/（kg·h）。

圖2 土壤中各形態無機氮素轉化速率變化

3 結論

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

4 討論

該試驗中土壤銨態氮最大消耗速率呈現出F≈B＞F＞F≈B＞B的規律，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氮的轉化速率，且在淡水中表現為增氧濃度越大，效果越明顯。增氧微咸水和增氧淡水均能促進土壤亞硝態氮和硝態氮轉化，這種促進效果與水中較高的氧氣濃度有直接關系。較高的氧氣濃度為好氧微生物提供了適宜的環境，影響了微生物的生理活性，從而促進了土壤中無機氮的轉化。

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