培养条件下微纳米增氧水添加对新疆砂壤土硝化作用的影响

曲 植，李铭江，王全九，孙 燕，苏李君，李 健

（西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安710048）

0 引 言

在全球范围内，水资源短缺和氮肥施用过量是农业生产过程中存在的 2个突出问题。中国作为一个农业大国，农业用水占全国用水总量的 60%以上，农业水资源供需矛盾日益严重[1]。随着农业集约化程度的不断提高，人类在农业生产中施用大量化肥，其中氮肥所占比例最高。据统计，中国化学氮肥平均年施用量大于2 000万t，占到世界总量的 30%左右。大量氮肥的使用不仅造成资源的严重浪费，还产生了许多生态环境问题[2]。因此，在水资源不足的背景下，寻找提高水分、氮肥利用效率的新途径对实现农业可持续发展具有重要意义。

土壤氮素转化是一个多作用交织的综合过程，包括有机氮的矿化、氨挥发、硝化作用、硝态氮淋溶、反硝化脱氮以及铵的固定等[3]。其中，硝化作用作为微生物参与的氮素转化关键过程，受到土壤含水率[4]、温度[5]、pH[6]以及氧气[7]等诸多因素影响。土壤孔隙中氧气含量可直接影响好氧硝化微生物的功能活性，而土壤水分既可以直接影响微生物活性，又可以通过调节通气孔隙度（土壤中含氧量）影响硝化作用的发生。近年来，国内外学者针对含氧量和含水率对硝化作用的影响已经开展了大量研究，并取得重要进展。Miller等[8-9]认为当土水势为 0时，土壤中O2欠缺，进而硝化作用停止；杨艳菊等[10]通过室内模拟试验发现，在200 mL/L O2浓度下，硝化作用进行更彻底；Jutta等[11]研究发现，土壤中的O2浓度降低到5 mL/L以下时反硝化微生物的活性增强，硝化作用受到抑制。研究证明，潮土在土壤硝化过程中的土壤水分含量以田间持水量（Water Holding Capacity，WHC）的60%～90%较为适宜[12]；30 ℃条件下水稻土80%WHC较40%WHC对硝化作用抑制更强[13]。王大鹏等[14]采用气压分离技术，研究了海南橡胶林砖红壤土壤总硝化速率对水分的响应，结果表明随着土壤含水率的升高，土壤总硝化速率呈线性增加，当土壤孔隙度水达到 70%后，总硝化速率呈下降趋势。因此，认识土壤含氧量、含水率以及两者交互作用对硝化作用的影响，对于制定氮素优化管理措施和阻控氮素损失具有重要意义。

近年来，快速发展的现代农业对农田灌溉水的要求日益增加，去电子、增氧、磁化等灌溉水活化技术作为高效且无污染的水处理技术，已受到国内外众多学者广泛关注。其中增氧活化水应用于农业生产过程中可以改善土壤环境，促进作物生长[15]。研究指出，适宜增氧水处理可以提高水稻产量，改善水稻品质，提高水分利用效率[16]；对微咸水进行增氧用于灌溉可以增强小白菜叶片的耐荫性和忍受高光强的能力，从而促进小白菜叶片光合作用的高效运行，实现作物高产[17]；提高淡水中溶解氧质量浓度可增加小麦种子前期萌发数量[18]。但是，前人研究多集中于增氧水对作物生长的影响，而有关增氧水对土壤无机氮素转化，尤其是硝化作用影响的研究鲜有报道。此外，棉花作为新疆的优势资源，是新疆巴音郭楞蒙古族自治州的主导产业，在节约成本的前提下，提高棉花的氮肥利用效率和产量一直都是巴州棉花产业发展的重要工作。鉴于此，本研究以巴州棉花产区的粉质砂壤土为供试土壤，采用室内控制培养方法，研究了不同含水率条件下增氧灌溉对新疆砂壤土硝化作用的影响，旨在阐明土壤含水率和增氧水（常规水作对照）对土壤硝化作用的综合调控，为深入理解土壤氮素转化规律、发展农业高效水肥利用技术提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤采集

供试土壤于2019年采自新疆巴音郭楞蒙古族自治州巴州重点灌溉试验站（86°10′E，41°35′N）。该试验站地处塔里木盆地边缘孔雀河冲击平原带，属于温带大陆性荒漠气候。供试土样取自棉田0～20 cm耕作层，土壤类型为粉质砂壤土，容重为1.56 g/cm3，pH值为8.7，有机碳含量为 3.4 g/kg，全氮含量为 0.5 g/kg，全碳含量为15.7 g/kg，铵态氮含量为 3.52 mg/kg，硝态氮含量为21.40 mg/kg，黏粒为4.70%（质量分数，下同），粉粒为54.40%，砂粒为41.40%，田间持水量为25%（体积含水率）。将采集的新鲜土壤剔除植物根系、砂砾等杂物后充分混合风干，磨细过2 mm筛供试验使用。

1.2 试验设计

试验在西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地进行。试验处理用水类型包括常规水（CK）和增氧水（O）。增氧处理采用微纳米气泡快速发生装置，增氧过程中使用 HQ40 型便携式溶氧仪（Seven2GoTM，梅特勒-托利多国际贸易有限公司，中国上海，±0.1 mg/L）监测水中溶解氧浓度变化，当其溶氧量稳定在20 mg/L时，制成增氧水。

表1 试验处理组合Table 1 Experimental treatments combination

1.3 测定指标与方法

用2 mol/L的KCl溶液（水土比为1∶5）提取各处理土样，在180 r/min下振荡浸提1 h，离心，过滤，取上清液，使用全自动间断化学分析仪（Smartchem450，AMSA lliance，法国）测定浸提液中NH4+-N和NO3--N含量。

1.4 数据处理与统计分析

数据处理以及制图使用Microsoft Excel 2016；回归方程的微分使用Matlab 2017；统计分析使用SPSS 25中的LSD法进行方差分析，数据处理显著水平均为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤无机氮素动态变化特征

2.1.1 NH4+-N含量变化特征图1为培养过程中各处理NH4+-N含量的动态变化。

图1 不同处理土壤NH4+-N含量变化特征Fig.1 Variation characteristics of soil NH4+-N content under different treatments

由图1可以看出：培养开始时，由于硫酸铵的添加，各处理均具有较高的 NH4+-N 含量（186.14～203.04 mg/kg）。随着培养进行，所有处理的NH4+-N含量逐渐降低（NH4+-N含量降低量即其消耗量）。20 d培养结束时，相比CK1，在CK2、CK3、CK4处理下的NH4+-N消耗总量分别增加29.35%、47.70%和48.74%，差异显著（P＜0.05）；而 CK2、CK3、CK4处理之间无显著差异（P＞0.05）。相比O1，在O2、O3、O4处理下NH4+-N消耗总量分别增加 29.94%、36.87%和 34.40%，差异显著（P＜0.05）；而 O2、O3、O4 处理之间无显著差异（P＞0.05）。相同含水率条件下，不同类型水处理间NH4+-N消耗总量没有显著差异（P＞0.05）。可见，含水率升高可以增加土壤NH4+-N消耗总量，但相比于常规水，增氧处理对土壤NH4+-N消耗总量影响不大。

2.1.2 NO3--N含量变化特征

图2为培养过程中各处理NO3--N含量的动态变化。

由图2可知，可以看出：在培养前期NO3--N处于较低水平，说明土样本身具有很低的初始NO3--N浓度。随着培养进行，各处理NO3--N含量逐渐增大。结合NH4+-N含量动态变化规律，可以看出，NH4+-N的消耗与NO3--N的生成同步进行，说明硝化作用在土壤氮素转化过程中占主要地位，但NO3--N的生成量与NH4+-N的消耗量之间存在差异，说明培养过程中存在土壤微生物对无机氮的同化吸收。20 d培养结束时，不同含水率条件下NO3--N生成总量差异显著（P＜0.05），土壤在CK2、CK3、CK4处理下NO3--N生成总量分别为CK1的5.63、7.63和9.11倍；土壤在O2、O3、O4处理下NO3--N生成总量分别为O1的5.97、9.96和8.40倍。相同含水率条件时，O3是CK3处理下 NO3--N生成总量的 1.38倍，差异显著（P＜0.05），其余水分条件中CK和O处理下NO3--N生成总量差异不显著（P＞0.05）。可见，含水率升高可以显著增加NO3--N生成总量，但相比于常规水，只有在田间持水量条件下增氧处理能够增加土壤NO3--N生成总量。

该技术对铁钼型矿石采用先磁后浮选别顺序，先获得铁精矿；磁选尾矿采用“一粗二精二扫+粗精矿再磨精选四次”流程进行浮选，实现钼矿物与其他矿物组分有效分离，最终从磁选尾矿中获得钼精矿。

2.2 土壤无机氮素动态变化定量表征

2.2.1 土壤NH4+-N消耗定量表征

为了定量描述NH4+-N含量随时间的动态变化规律，进一步推测不同处理条件对土壤硝化作用的影响，引用式（1）[19]对试验数据进行合，其积分可以表示为“S”形曲线。

式中Nt为培养期间NH4+-N瞬时剩余量（即NH4+-N含量），mg/kg；S0为NH4+-N添加量（已知），mg/kg；S为NH4+-N消耗量的渐进值，mg/kg；t为培养时间，d；a和b为模型参数。

通过式（1）计算得到各处理条件下土壤NH4+-N含量与培养时间t的回归公式以及模型特征值见表2。

图2 不同处理土壤NO3--N含量变化特征Fig.2 Variation characteristics of soil NO3--N content under different treatments

表2 不同处理新疆砂壤土NH4+-N转化模型拟合结果Table 2 Fitting results of NH4+-N transformation model of sandy loam soil in Xinjiang under different treatments

为了进一步评估不同处理条件对土壤NH4+-N消耗的影响，对式（1）求导，得到分别表示NH4+-N初始消耗速率V0、最大消耗速率Vmax和达到最大消耗速率对应的时间TVmax，见式（2）～式（5）。土壤 NH4+-N日消耗速率如图3所示。

式中V为NH4+-N日消耗速率，mg/(kg·d)；V0为NH4+-N初始消耗速率，mg/(kg·d)；Vmax为NH4+-N最大消耗速率，mg/(kg·d)；TVmax为达到最大消耗速率所用时间，d。

图3 不同处理土壤NH4+-N日消耗速率Fig.3 Daily consumption rate of soil NH4+-N under different treatments

由图3可以看出，培养过程中不同处理条件下NH4+-N日消耗速率变化趋势较为一致：均先具有一定的初始消耗速率，随后增加至最大速率，继而递减最终趋近于0，整个变化过程经历了延缓阶段、最大消耗速率和停滞3个阶段，但不同处理条件下NH4+-N变化特征值有所差异。首先，同种类型水处理中V0在60%WHC条件下达到最大，水分或高或低V0都有所减小；而100%WHC条件下Vmax最大，CK3处理在6 d达到最大值，O3处理在6.3 d达到最大值（表3）。

相比常规水，增氧处理对土壤NH4+-N消耗的影响因水分条件的不同而有所差异（图3）。其中，CK1与O1相比、CK3与O3相比，处理间土壤NH4+-N最大消耗速率没有显著差异，而CK2与O2相比、CK4与O4相比CK2与O2相比、CK4与O4相比，处理间差异显著。CK2处理在6.5 d达到NH4+-N最大消耗速率14.75 mg/（kg·d），O2处理仅在5.2 d便达到最大值19.43 mg/（kg·d），最大消耗速率提高了8.9%；高水分条件下CK4处理在10.3 d达到NH4+-N最大消耗速率16.16 mg/（kg·d），而O4处理在 13.4 d达到最大仅 12.69 mg/（kg·d），降低了21.5%。总体结果说明，在适宜的水分条件（60%WHC）下，增氧处理可以加快土壤NH4+-N消耗，缩短NH4+-N转化高峰出现的时间，增强硝化作用。在高水分条件（175%WHC）下，增氧处理一定程度会抑制土壤硝化作用，从而减慢土壤NH4+-N消耗。

2.2.2 土壤NO3--N生成定量表征

为了定量描述 NO3--N随时间的动态变化，引用培养0～6 d的NO3--N平均生成速率来表征土壤硝化作用强度：

式中t为培养天数，d；VNO3--N为NO3--N平均生成速率，mg/(kg·d)；（NO3--N）t为培养至第t天硝态氮含量，mg/kg；（NO3--N）t0为培养第0天硝态氮含量，mg/kg。

由图4看出，在不同含水率条件下，土壤硝化作用强度表现出显著差异（P＜0.05）。CK3和O3处理都具有最大的硝化作用强度，分别是0.45、0.71 mg/（kg·d）；其次是CK2和O2处理，分别为0.29、0.41 mg/（kg·d）。而较低（30%WHC）和较高（175%WHC）水分条件下硝化作用强度较低，且CK1与O1相比、CK4与O4相比处理间差异不显著（P＞0.05），说明同种类型水处理下不同土壤含水率显著影响土壤硝化速率，并且随含水率的升高，硝化速率先增大后减小，在田间持水量条件下达到峰值，与NH4+-N最大消耗速率所处条件一致。

相比常规水，增氧水对土壤硝化作用强度的影响因水分条件的不同而有所差异（图4）。其中，O2处理下硝化作用强度是CK2的1.38倍，O3处理下硝化作用强度是 CK3的 1.58倍，均具有显著差异（P＜0.05），且O3处理下同常规水的差异比 O2更为显著。而在较低（30%WHC）和较高水分条件（175%WHC）下，增氧灌溉对土壤硝化作用强度的影响不大（P＞0.05）。结果说明土壤含水率升高除了提升硝化速率外，也放大了增氧处理对硝化作用的影响效应。

3 讨 论

3.1 含水率对土壤硝化作用的影响

土壤中铵态氮含量发生变化的原因可分为2方面：1）氨挥发、铵态氮硝化等作用造成铵态氮的消耗；2）是在营养物质充足的条件下，微生物的矿化作用增强，铵态氮含量会明显增加。土壤硝态氮含量的增加是通过微生物进行硝化作用将铵态氮转化而来的。本研究结果发现，在培养过程中铵态氮消耗的同时有大量硝态氮生成，且硝态氮含量总体呈上升趋势，因此本试验培养过程中发生的氮素转化过程是以铵态氮的硝化作用为主，其作用强度明显高于其他转化过程。

土壤硝化作用受到各种环境因子包括含水率的显著影响。多数大田试验和室内模拟研究[20-22]显示，在含水率达到田间持水量的60%～80%时土壤硝化作用最强，在此含水率范围内，土壤微生物数量明显增加、代谢作用增强。本研究结果表明，相对30%WHC，较高的土壤含水率条件下NH4+-N消耗总量和NO3--N生成总量均较高，其中100%WHC处理下土壤硝化作用最强，NH4+-N消耗速率和NO3--N生成速率均最大且达到NH4+-N最大消耗速率所用时间也有所提前。在前人研究中也曾出现高含水率甚至淹水条件下硝化作用最强的报道，刘若萱等[23]研究湖南植稻土壤发现，90%WHC处理下土壤 NO3--N累积最为显著和迅速；Ingwersen等[24]发现在饱和含水率时土壤硝化作用最强。

在本试验设定的 4个水分条件下，土壤硝化作用在含水率达到100%WHC时是最强的，但此水分条件设置并不一定能完全反映出土壤氮素转化的最适水分条件。通过拟合NH4+-N最大消耗速率Vmax与含水率θ两者关系（表3），发现均具有良好的相关性，R2均可达到0.9以上，且硝化作用最佳水分条件都位于田间持水量附近。由此可见，在不同土壤环境中，其硝化微生物种群和功能活性都会存在差异，而且具有硝化能力的细菌和古菌对土壤水分含量的响应也会因种而异[25]，土壤的性质差异可能直接导致硝化作用的最适水分条件不同。

表3 不同处理土壤NH4+-N最大消耗速率与含水率关系Table 3 Relationship between the maximum consumption rate of soil NH4+-N and moisture concent under different treatments

3.2 增氧水对土壤硝化作用的影响

土壤微生物驱动着土壤氮素转化作用，土壤氧气含量直接影响硝化作用的发生，二者关系密切[24]。随着氧气含量的增加，好氧硝化细菌的活性逐渐变强，硝化作用增强。Ke等[26]研究证明溶解氧浓度上升可以显著提高土壤硝化细菌的丰度和活性。反之，氧气供应不足，厌氧条件会激发反硝化细菌活性，促进反硝化作用，对硝化过程起到抑制作用[27]。

本研究表明，不同含水率条件下，增氧水对土壤硝化作用的影响具有显著差异（P＜0.05）。同CK对照相比，O1和O4处理下土壤硝化作用会受到不同程度的抑制。当土壤水分含量过低（30%WHC）时，水分成为微生物

活性的限制因素，即使土壤中氧气增加也无法输送更多反应底物，使得培养初期反应速率较低，NH4+-N消耗以及NO3--N生成均较为缓慢；水分含量过高（175%WHC）时，极大改变了土壤氧环境，造成土壤通气性变差，即使土壤水中的溶解氧浓度增加，但氧气扩散仍受到较大限制，导致微生物活性降低，反应速率减小。在O2处理下，土壤NH4+-N消耗速率和NO3--N生成速率均增大，这可能是因为在保证水分适宜的同时增加土壤含氧量，使得水分可以携带充足氧气进入到土壤孔隙，从而显著促进土壤微生物总量，增强好氧微生物的活性，进而加快土壤硝化，减少氨氮的挥发，增加土壤氮素有效性[28]，并提高水分利用效率[29]。本结果与此前多数研究结果一致，如李元等[30]发现在灌水达到田间持水量的80%～90%时，通气可以改变相关土壤酶的活性，增加土壤微生物数量；陈涛等[31]研究指出增氧灌溉对马铃薯的灌溉水分利用效率有了一定的提升，对干旱半干旱地区的马铃薯种植提供了一种可行的节水灌溉；臧明等[32]发现增氧地下滴管可以明显改善土壤通气性，促进番茄生物量积累和养分吸收利用；胡继杰等[16]发现增氧处理下水稻对氮素的吸收与利用均得到显著的改善，在提高产量的前提下，降低肥料的损耗，有利于水稻高产与农业可持续发展。同CK3对照相比，本研究O3处理下土壤NO3--N生成明显加快，但是NH4+-N消耗速率没有显著增大，可能是由于该条件下土壤有机氮的矿化作用加强，矿化产生的NH4+-N对硝化作用消耗的NH4+-N进行了一定补充。新疆棉田砂壤土为pH值8.7的弱碱性土，氨挥发是土壤氮素损失的主要途径。本研究中增氧水处理砂壤土氮素转化的最适水分条件为60%WHC（O2处理），该水分条件下增氧处理可以加速硝化作用中铵态氮向硝态氮的转化，从而有效降低氨挥发的可能性；且在该水分条件下土壤水分多以毛管水为主，可以将硝化作用产生的硝态氮保持在根区附近，供植物更好的吸收利用，提高氮肥利用率，同时避免了硝态氮随水淋失可能造成的地下水污染等一系列环境问题。当前关于微纳米增氧灌溉技术对土壤氮素转化的研究刚刚起步，本文仅对其进行初步探讨，接下来将通过监测培养试验中土壤氧气、氨气、氧化亚氮等气体含量动态变化过程，并结合氮素转化相关微生物功能和群落结构的研究，进一步揭示该灌溉技术对土壤氮素转化影响的生物学机制。

4 结 论

1）硝化作用在土壤氮素转化过程中占主要地位，分别利用硝化动力学模型和平均硝化速率来定量描述氮素转化作用过程中NH4+-N、NO3--N动态变化情况，获得了可以定量表征土壤硝化作用强度的4个特征值。

2）相同种类水添加条件下，土壤含水率在田间持水量的30%～100%（饱和含水率）范围内，NH4+-N的消耗速率和NO3--N的生成速率都随土壤含水率的升高呈现先增加后降低的趋势，并在田间持水量（Water Holding Capacity，WHC）条件时达到最大。

3）相同含水率条件下，增氧水处理对土壤硝化作用具有显著影响。适宜的水分条件（60%WHC）下，增氧可以显著促进土壤硝化作用；含水率过高过低，都会不同程度的制约增氧水对土壤硝化过程的促进作用。因此，土壤含水率和含氧量对硝化过程的影响存在显著交互作用，在进行增氧处理对土壤养分转化研究时应该对土壤水分状态加以考虑。