張翠麗， 卜東升， 遲春明， 鄭德明

(1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300;2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆 阿拉爾 843300)

硝化、反硝化作用在農(nóng)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(xì)菌和亞硝酸細(xì)菌將氨轉(zhuǎn)化成亞硝酸和硝酸的2個(gè)連續(xù)過程，這不僅與土壤氮素能否被有效利用有關(guān)，同時(shí)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(zhì)［2-6］。國內(nèi)外在土壤中氮的轉(zhuǎn)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(bào)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(yīng)用還不廣泛，還有很大的發(fā)揮潛力。應(yīng)用BaPS方法對土壤硝化速率和呼吸速率的相關(guān)研究已有報(bào)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(yàn)應(yīng)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(jī)理，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)高效發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

本試驗(yàn)在位于南疆的塔里木大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)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'?！?0℃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(yàn)地土壤質(zhì)地為壤土，0～30 cm耕層土壤理化性狀為:有機(jī)質(zhì) 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(zhì)量 1.447 g/cm3，pH 8.12。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)為不同施肥方式，分別為施氮肥、氮肥+有機(jī)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(fù)3次。施氮肥與氮肥+有機(jī)肥配施2個(gè)處理在等氮量條件下進(jìn)行，氮肥+有機(jī)肥配施按照總氮50%為尿素、總氮50%為有機(jī)肥進(jìn)行配比施入(按純氮計(jì))。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(yàn)運(yùn)用BaPS技術(shù)對土壤硝化、反硝化速率進(jìn)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(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)間不超過7 d。

樣品監(jiān)測分析按照3個(gè)重復(fù)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(shè)定為采樣時(shí)的土壤溫度)進(jìn)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(zhì)量、含水量、pH值等樣品參數(shù)，設(shè)置收集數(shù)據(jù)的時(shí)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(jié)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(shí)間的推進(jìn)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(dá)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(jī)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(qiáng)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(gè)試驗(yàn)期間，氮肥+有機(jī)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(jī)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(shí)間的推進(jìn)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(jī)肥+覆膜處理與氮肥+有機(jī)肥+裸地處理均達(dá)到最大，分別為 291.08 μg/(kg·h)與 260.89 μg/(kg·h)，除了這個(gè)時(shí)期溫度高的原因以外，還與此前追肥有關(guān)。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(jī)質(zhì)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(gè)生育期，氮肥+有機(jī)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(jī)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?yàn)?施氮肥處理+有機(jī)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(yàn)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(jié)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(guān)研究結(jié)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(dá)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(dá)極顯著差異。不同施肥處理的硝化速率大小順序?yàn)?施氮肥處理+有機(jī)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(jié)果可得，氮肥與有機(jī)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(guān)研究報(bào)道［21-22］，有機(jī)-無機(jī)肥配施的土壤中堿解氮含量均高 于施化肥，有機(jī)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(jié)論一致，無論覆膜與否，氮肥+有機(jī)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(dá)極顯著水平?？梢姡┓屎透材ぬ幚韺ο趸俾视绊懘蟆?/p>

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(dá)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?yàn)?氮肥+有機(jī)肥處理＞施氮肥處理＞不施肥處理，這與一些研究結(jié)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(shí)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(jī)肥處理＞氮肥處理＞不施肥(對照)，這與有關(guān)研究結(jié)論［25］相一致。但也有研究報(bào)道，有機(jī)肥在分解轉(zhuǎn)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(jī)肥處理更大［26］。

［1］ 熊正琴，邢光熹，沈光裕，等.太湖地區(qū)湖水與河水中溶解N2O及其排放［J］.環(huán)境科學(xué)，2002，23(6):26-30.

［2］ 梁文艷，梁洋洋，譚洪新，等.用響應(yīng)曲面法預(yù)測生物活性炭填料反應(yīng)器的硝化效果［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(6):362-364.

［3］ 于克偉，STRU S.丹麥森林土壤反硝化作用的動力學(xué)分析［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1998，9(2):163-167.

［4］ DANA D S K，BRUESH R J，SAMSON M L.Direct measurement of ammonia and denitrification fluxes from urea applied to rice［J］.Soil Sci Soc Am J，1991，55:543-548.

［5］ BRUESH R J，DE DATTA S K.Denitrification losses from puddled rice soils in the tropics［J］.Bio Fertil Soils，1990，9:1-13.

［6］ 俞 慎，李振高.稻田生態(tài)系統(tǒng)生物硝化-反硝化作用與氮素?fù)p失［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，10(5):630-634.

［7］ 國秀麗.溫度和水分對土壤碳、氮轉(zhuǎn)化影響的研究［D］.長春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003.

［8］ CONEN F，DOBBIE K E，SMITH K A.Predicting N2O emissions from agricultural land through related soil parameters［J］.Global Change Biology，2000，6:417-426.

［9］ 劉方平，柳根水，許亞群，等.基于BaPS系統(tǒng)的棉花土壤硝化和反硝化作用分析［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，23(12):121-123.

［10］高永恒，羅 鵬，吳 寧，等.基于BaPS技術(shù)的高山草甸土硝化和反硝化季節(jié)變化［J］.生態(tài)環(huán)境，2008，17(1):384-387.

［11］韓曉盈，王宏燕，于洪艷，等.黑土生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)研究進(jìn)展［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40(2):140-144.

［12］ INGWERSEN J K，BUTTERBACH-BAH L R，GASCHE O，et al.Barometric process separation:New method for quantifying nitrification，denitrification，and nitrous oxide sources in soils［J］.Soil Sci Soc Am J，1999，63:117-128.

［13］ BREUER L，KIESE R，BUTTERBACH-BAHL K.Temperature and moisture effects on nitrification rates in tropical rain-forest soils［J］.Soil Sci Soc Am J，2002，66:834-844.

［14］劉巧輝，黃 耀，鄭循華.基于BaPS系統(tǒng)的旱地土壤呼吸作用及其分量確定探討［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(8):1105-1111.

［15］東 升，鄭德明，姜益娟，等.荒漠綠洲帶膜下滴灌土壤硝化-反硝化和呼吸作用的研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27(1):12-15.

［16］劉方平，柳根水，許亞群，等.基于BaPS系統(tǒng)的棉花土壤硝化和反硝化作用分析［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，23(12):121-123.

［17］楊靖民，姜 旭，張忠慶，等.基于BaPS系統(tǒng)黑土硝化、反硝化和呼吸作用研究［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，36(1):71-76.

［18］新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán).農(nóng)一師土壤［R］.新疆:新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師土壤普查辦公室，1985.

［19］毛達(dá)如.植物營養(yǎng)研究方法［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［20］汪景寬，劉順國，李雙異.長期地膜覆蓋及不同施肥處理對棕壤無機(jī)氮和氮素礦化率的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2006，20(6):107-110.

［21］郭勝利，余存祖，戴鳴鈞.有機(jī)肥對土壤剖面硝態(tài)氮淋失影響的模擬研究［J］.水土保持研究，2000，7(4):123-126.

［22］劉金城，楊晶秋.地膜覆蓋下土壤有機(jī)質(zhì)的分解與積累［J］.華北農(nóng)學(xué)報(bào)，1991，6(1):99-104.

［23］劉方春，聶俊華，劉春生，等.不同施肥措施對土壤硝態(tài)氮垂直分布的特征影響［J］.土壤通報(bào)，2005，36(1):50-53.

［24］朱詠莉，吳金水，韓建剛.地膜覆蓋對土壤中N2O釋放的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(3):222-225.

［25］曾江海，王智平，張玉銘，等.小麥-玉米輪作期土壤排放N2O通量及總量估算［J］.環(huán)境科學(xué)，1995，16(1):32-35.

［26］鄭循華，王明星，王躍思.華東稻田CH4和N2O排放［J］.大氣科學(xué)，1997，21(2):231-237.