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        增氧微咸水灌溉對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

        2022-09-02 09:47:02王文章范銳鋒
        鄉(xiāng)村科技 2022年13期

        辛 亮 王文章 范銳鋒

        (陜西博潤(rùn)檢測(cè)服務(wù)有限公司,陜西 西安 710199)

        0 引言

        我國(guó)擁有豐富的地下微咸水資源,科學(xué)合理開(kāi)發(fā)利用地下微咸水資源,對(duì)于緩解淡水資源短缺、豐富農(nóng)業(yè)水源、實(shí)現(xiàn)作物抗旱增產(chǎn)有著極其重要的作用。但是,直接使用微咸水進(jìn)行灌溉會(huì)造成土壤鹽堿 化,使土壤質(zhì)量惡化,降低作物產(chǎn)量與品質(zhì)。因此,調(diào)控灌溉水質(zhì)量,提高灌溉水生產(chǎn)效率,更加安全高效地利用微咸水進(jìn)行灌溉是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。將微咸水利用與微納米增氧技術(shù)相結(jié)合,可發(fā)展安全高效的微咸水灌溉技術(shù),有利于緩解淡水資源緊缺,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)約用水。

        氮是植物和微生物生長(zhǎng)發(fā)育的限制元素。土壤中各形態(tài)氮素含量的高低及其變化,不僅深刻影響著作物的產(chǎn)量和品質(zhì),更對(duì)全球氣候環(huán)境產(chǎn)生重大影響。因此,開(kāi)展增氧微咸水灌溉條件下土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究十分必要,可以補(bǔ)充利用增氧微咸水灌溉技術(shù)提升作物養(yǎng)分利用率的依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 供試土壤

        供試土壤采自陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)的農(nóng)田。楊凌處于渭河三級(jí)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(yàn)土壤屬褐土的塿土亞類(lèi),土壤質(zhì)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(fēng)干,過(guò)孔徑 2 mm篩,備用。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.2.1 試驗(yàn)用水制備。試驗(yàn)處理用水類(lèi)型包括常規(guī)增氧淡水(F)和增氧微咸水(B),其中增氧濃度設(shè)置3個(gè)梯度(8、15、20 mg/L),礦化度設(shè)置2個(gè)水平(0、3 g/L),每組3個(gè)重復(fù),共計(jì)18組試驗(yàn),具體試驗(yàn)處理見(jiàn)表1。此次試驗(yàn)采用微納米氣泡快速發(fā)生裝置對(duì)水進(jìn)行增氧處理,增氧過(guò)程中利用HQ40型便攜式溶氧儀監(jiān)測(cè)水體溶解氧濃度變化。試驗(yàn)前對(duì)自來(lái)水進(jìn)行增氧處理,使其溶解氧濃度達(dá)到并穩(wěn)定在 15、20 mg/L,裝入容器中密封備用。

        表1 試驗(yàn)處理組合

        1.2.2 土壤樣品培養(yǎng)與采集。試驗(yàn)按照10 g/kg的比例向土壤中加入過(guò)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(yǎng)箱中,避光培養(yǎng)2周,以提高土壤微生物活性。

        試驗(yàn)前向培養(yǎng)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(yàn)時(shí)將預(yù)處理土壤按34 g/瓶裝入50 mL藍(lán)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(dá)到25%,記錄加水時(shí)間,置于20 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)。培養(yǎng)過(guò)程中于第0、1、2、3、4、6、8、10天進(jìn)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(tǒng)一進(jìn)行無(wú)機(jī)氮測(cè)定。另外,采用烘干法記錄各時(shí)段土壤的水分變化情況。此次試驗(yàn)利用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定各土壤樣品的無(wú)機(jī)氮含量。

        1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

        此次試驗(yàn)利用Excel 2016、Origin 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 增氧微咸水添加對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮濃度的影響

        由圖1(a)可知,土壤中銨態(tài)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(yàn)結(jié)束,土壤中銨態(tài)氮濃度一直處于8~10 mg/kg的穩(wěn)定水平。整體上來(lái)看,不同處理的土壤銨態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì),這是由于硝化作用使得土壤中的銨態(tài)氮持續(xù)被消耗。另外,不同處理對(duì)銨態(tài)氮消耗的影響無(wú)顯著差異。

        由圖1(b)可知,各處理土壤中亞硝態(tài)氮濃度在第0天至第3天無(wú)顯著差異,第4天開(kāi)始出現(xiàn)顯著差異且均在第4天達(dá)到最大亞硝態(tài)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(xiàn)出B≈B>B≈F≈F≈F的規(guī)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(tài)氮濃度均呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì);各處理間硝態(tài)氮含量在第4天開(kāi)始出現(xiàn)顯著差異。F、F、B、B均在第4天達(dá)到最大硝態(tài)氮濃度,分別為5.84、5.96、4.71、5.20 mg/kg,呈現(xiàn)F≈F>B>B的規(guī)律;F、B于第6天達(dá)到最大硝態(tài)氮濃度,分別為5.89、5.81 mg/kg;第8天F、F的硝態(tài)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(tài)無(wú)機(jī)氮素含量變化

        2.2 增氧微咸水添加對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化速率的影響

        圖2為土壤中各形態(tài)無(wú)機(jī)氮素平均轉(zhuǎn)化速率隨時(shí)間的變化情況。由圖2(a)可知,各處理土壤中銨態(tài)氮消耗速率呈先增后減趨勢(shì),且均在第3天左右達(dá)到最大消耗速率,F(xiàn)、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(xiàn) 出F≈B>F>F≈ B>B的規(guī)律。圖2(b)、(c)為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮生成速率的變化情況,二者的變化規(guī)律較為一致,呈現(xiàn)出生成速率存在正負(fù)2個(gè)峰的“反S”型曲線(xiàn)。第0天至第5天,即生成速率為正的時(shí)期,被稱(chēng)為生成階段;第5天至第10天其速率為負(fù)數(shù),被稱(chēng)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(shì)較為平緩,其中B亞硝態(tài)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(xiàn)、F亞硝態(tài)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(xiàn)、B、B、B在第3天硝態(tài)氮生成速率達(dá)到最大,分別為0.055、0.046、0.054、0.057 mg/(kg·h),表現(xiàn)為F≈B≈B>B;F、F在第4天硝態(tài)氮生成速率達(dá)到最大,分別為0.068、0.072 mg/(kg·h)。

        圖2 土壤中各形態(tài)無(wú)機(jī)氮素轉(zhuǎn)化速率變化

        3 結(jié)論

        ①增氧淡水和增氧微咸水添加對(duì)土壤中銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程無(wú)顯著影響,對(duì)土壤中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的累積有一定的促進(jìn)作用;②從無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化速率來(lái)看,對(duì)淡水和微咸水進(jìn)行增氧處理都能提高土壤中無(wú)機(jī)氮的轉(zhuǎn)化速率。

        4 討論

        該試驗(yàn)中土壤銨態(tài)氮最大消耗速率呈現(xiàn)出F≈B>F>F≈B>B的規(guī)律,說(shuō)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(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率,且在淡水中表現(xiàn)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(jìn)土壤亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,這種促進(jìn)效果與水中較高的氧氣濃度有直接關(guān)系。較高的氧氣濃度為好氧微生物提供了適宜的環(huán)境,影響了微生物的生理活性,從而促進(jìn)了土壤中無(wú)機(jī)氮的轉(zhuǎn)化。

        雖然在該研究中增氧處理均產(chǎn)生了顯著影響,但是試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的氧氣梯度和礦化梯度未能在土壤銨態(tài)氮消耗上表現(xiàn)出較好的規(guī)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(huì)發(fā)生逸散,而且可能氧氣濃度越高,逸散現(xiàn)象越明顯; ②礦化度梯度設(shè)置太少,3 g/L的礦化度可能仍然在微生物的耐受范圍內(nèi)。

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