基于BaPS系统的南疆膜下滴灌土壤硝化-反硝化

张翠丽， 卜东升， 迟春明， 郑德明

(1.塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300;2.新疆生产建设兵团第一师农业科学研究所，新疆 阿拉尔 843300)

硝化、反硝化作用在农田生态系统中不但造成氮肥损失，其形成的N2O也是重要的温室气体之一［1］。硝化作用为硝酸细菌和亚硝酸细菌将氨转化成亚硝酸和硝酸的2个连续过程，这不仅与土壤氮素能否被有效利用有关，同时该过程还可能产生环境污染;反硝化作用将NO-3和 NO-2还原释放出NO、N2O、N2的过程，造成了生物氮素循环中氮的损失，且其产物为大气污染的重要物质［2-6］。国内外在土壤中氮的转化、生物有效性、形态及施肥对土壤氮的影响等方面研究较多［7］，对土壤硝化、反硝化作用及温室气体排放的研究也有不少报道［8-11］。气压过程分离(BaPS)系统是研究旱地土壤硝化作用与反硝化作用的一种新方法，其应用还不广泛，还有很大的发挥潜力。应用BaPS方法对土壤硝化速率和呼吸速率的相关研究已有报道［12-17］，但基于此方法对南疆膜下滴灌土壤不同施肥处理的硝化、反硝化作用的研究尚少。本试验应用BaPS系统研究膜下滴灌土壤不同施肥处理的硝化、反硝化变化规律，试图了解氮在干旱区滴灌土壤中的循环机理，为促进农业生产的持续高效发展奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

本试验在位于南疆的塔里木大学农业试验站进行。试验站位于塔里木河上游，塔克拉玛干沙漠的西北缘，平均海拔1 100 m，北纬 81°03'，东经40°33'。≥10℃积温4 113 ℃，无霜期220 d，年日照2 900 h，年降水量50 mm左右。为典型的荒漠绿洲带，属暖温带极端干旱气候类型［18］。试验地土壤质地为壤土，0～30 cm耕层土壤理化性状为:有机质 9.29 g/kg，全氮 0.56 g/kg，碱解氮 71.00 g/kg，速效磷36.80 mg/kg，速效钾139.30 mg/kg，土壤容质量 1.447 g/cm3，pH 8.12。

1.2 试验方法

试验地种植玉米，品种为新玉9号，株行距30 cm×50 cm。采取裂区试验设计，主区为不同施肥方式，分别为施氮肥、氮肥+有机肥配施和不施肥(CK);副区为覆膜(FM)和裸地(LD)2种不同耕作措施，重复3次。施氮肥与氮肥+有机肥配施2个处理在等氮量条件下进行，氮肥+有机肥配施按照总氮50%为尿素、总氮50%为有机肥进行配比施入(按纯氮计)。全生育期施纯氮250.0 kg/hm2、五氧化二磷92.3 kg/hm2和氧化钾160.5 kg/hm2。50%氮肥(尿素含氮46%)、磷肥(重过磷酸钙含五氧化二磷44%)和钾肥(硫酸钾含氧化钾40%)全部作基肥一次性施用;20%和30%氮肥分别在苗期(5月20日)和孕穗期(6月18日)随水滴灌施入土壤。

试验运用BaPS技术对土壤硝化、反硝化速率进行测定。BaPS仪器由德国公司UMS GrmbH生产。

1.3 样品的采集与测定

土样从5月7日开始在试验地采集，之后每15 d左右取1次土样，截止到8月6日玉米收获，全生育期共取土样6次。取样时用环刀采取土壤表层原位0～20 cm深度样品，取样后用塑料盖迅速密封环刀，并立即带回实验室测定，以防止水分散失，对不能立刻检测的样品，将其放入0～4℃冰箱保存，保存时间不超过7 d。

样品监测分析按照3个重复为1组，将样品放在BaPS容器中，密闭后将容器放入恒温水浴(设定为采样时的土壤温度)进行测定，等系统平衡1 h后，用注射器抽气检查容器的密封性，启动BaPS系统，输入样品鲜质量、含水量、pH值等样品参数，设置收集数据的时间为12 h，由系统自动分析得到土壤硝化速率和反硝化速率。

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤硝化速率的动态变化

由图1可以看出，3种不同施肥处理下土壤的硝化速率随着时间的推进变化明显且趋势相似。在玉米苗期，随着气温的上升，硝化速率逐步升高，到7月中旬达到最大。随着玉米的成熟，到了后期，土壤中的速效氮降低，硝化速率逐渐下降。有机肥与氮肥配施处理下，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。这是由于裸地土壤通气性强于覆膜土壤引起的。

图1 不同处理下土壤硝化速率的态变化Fig.1 Dynamic change of soil nitrification rate in different treatments

整个试验期间，氮肥+有机肥+覆膜处理的土壤硝化速率为 266.67～ 602.25 μg/(kg·h)，平均为420.73 μg/(kg·h)，比 氮 肥 + 覆膜处 理 平 均 高5.55%，比不施肥+覆膜处理平均高26.93%;氮肥+有机肥+裸地处理的土壤硝化速率为290.28～520.15 μg/(kg·h)，平均为399.83 μg/(kg·h)，比氮肥 + 裸地处理平均高9.34%，比不施肥+裸地处理平均高31.05%。

2.2 不同处理下土壤反硝化速率的动态变化

从图2可以看出:3种不同施肥处理下土壤反硝化速率随着时间的推进变化明显且趋势相似。土壤反硝化速率随着5月温度的升高而逐渐升高，到7月上旬氮肥+有机肥+覆膜处理与氮肥+有机肥+裸地处理均达到最大，分别为 291.08 μg/(kg·h)与 260.89 μg/(kg·h)，除了这个时期温度高的原因以外，还与此前追肥有关。到了后期(8月上旬)，随着玉米的成熟，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，这可能是由于膜下土壤的温度、湿度高于裸地土壤，有利于土壤有机质的分解，速效氮提前被消耗，反硝化作用底物浓度降低，从而使反硝化速率降低。

整个生育期，氮肥+有机肥+覆膜处理反硝化速率较高，为 72.66～291.1 μg/(kg·h)，平均为170.35 μg/(kg·h)，比氮肥 + 覆膜处理平均高16.24%，比不施肥+覆膜处理平均高37.68%。氮肥+有机肥+裸地处理反硝化速率为 48.66～255.89 μg/(kg·h)，平均为 154.2 μg/(kg·h)，比氮肥+裸地处理平均高28.64%，比不施肥+裸地处理平均高42.17%。土壤反硝化速率大小顺序为:施氮肥处理+有机肥处理＞施氮肥处理＞不施肥处理。

图2 不同处理下土壤反硝化速率的动态变化Fig.2 Dynamic change of soil denitrification rate in different treatments

2.3 不同处理对土壤硝化速率的影响

根据二裂式裂区试验方差分析模式［19］，对不同处理的硝化速率平均值的差异显著性分析结果(表1)表明，覆膜与裸地2种不同栽培措施的硝化速率间差异极显著，这与有关研究结果［20］相一致。同一栽培措施不同施肥处理下的硝化速率均达极显著水平。在相同施肥处理下，覆膜与裸地间硝化速率也达极显著差异。不同施肥处理的硝化速率大小顺序为:施氮肥处理+有机肥处理＞施氮肥处理＞不施肥处理。

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

不同栽培措施与不同施肥处理对土壤硝化速率都有一定的影响，由本研究结果可得，氮肥与有机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，不施肥处理最低。据相关研究报道［21-22］，有机-无机肥配施的土壤中碱解氮含量均高 于施化肥，有机肥除具有抑制硝态氮的淋失作用以外，其自身还有提高土壤碱解氮的作用，从而增加了硝化、反硝化作用的氮素底物浓度，使其速率增大。这与本研究结论一致，无论覆膜与否，氮肥+有机肥处理的土壤硝化速率最高，不施氮肥(对照)的土壤硝化速率最低。覆膜与裸地处理间土壤硝化速率差异达极显著水平。可见，施肥和覆膜处理对硝化速率影响大。

2.4 不同处理对土壤反硝化速率的影响

由表2可以看出，覆膜与裸地2种不同栽培措施的反硝化速率差异极显著。在同一栽培措施不同施肥处理间反硝化速率达极显著差异。在同一施肥处理下覆膜与裸地间反硝化速率差异显著。不同施肥处理的反硝化速率大小顺序为:氮肥+有机肥处理＞施氮肥处理＞不施肥处理，这与一些研究结果［23-24］相一致。

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

3 讨论

不同处理的土壤硝化、反硝化速率随着时间的变化而变化。在玉米生长期间，随着2次膜下滴肥和土壤温度的升高，不同处理土壤硝化、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浓度降低，从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。不同施肥处理下，土壤硝化、反硝化速率大小顺序均为:氮+有机肥处理＞氮肥处理＞不施肥(对照)，这与有关研究结论［25］相一致。但也有研究报道，有机肥在分解转化过程中，排放的N2O主要产生在硝化阶段，而纯化肥处理在硝化、反硝化作用过程中都能产生N2O，化肥处理排放的N2O量比有机肥处理更大［26］。

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