河套灌區(qū)土壤鹽分對化肥氮素轉(zhuǎn)化過程的影響研究①

陶健宇，楊勁松，姚榮江，王相平，劉廣明，陳 強(qiáng)

(1 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 杭錦后旗農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古陜壩 015400)

鹽漬土在我國分布十分廣泛，總面積約為3.6×107hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[1]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國三大灌區(qū)之一，灌溉面積為5 743 km2(約為5.7×105hm2)[2]，是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，該灌區(qū)位于黃河流域上游，是我國受鹽漬化影響的典型區(qū)之一，全區(qū)受鹽漬化影響面積達(dá)3.9×105hm2，占土地總面積的近69%[3]。由于大水漫灌、排水不暢等原因，導(dǎo)致原生與次生鹽漬化并存[4]，河套灌區(qū)鹽漬化面積逐年擴(kuò)大，大面積的耕地不得不棄耕成為鹽荒地，嚴(yán)重制約著該地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[5]。

河套灌區(qū)作為我國重要糧食產(chǎn)區(qū)必然離不開化肥的支撐，而氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的化肥，其施用不當(dāng)不僅沒有效果還會(huì)造成環(huán)境污染[6]。在氮肥與土壤氮素研究方面，氮肥施入土壤后氮素的去向問題越來越受到人們的重視[7]。近年來，許多學(xué)者在內(nèi)蒙古自治區(qū)開展了相關(guān)研究，戴慶林等[8]通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)20 世紀(jì)50 年代中期內(nèi)蒙古農(nóng)田土壤氮肥利用率平均為52.6%，到了90 年代中期下降到27.5%，1999 年時(shí)僅為21.6%；曾文治等[9]通過田間試驗(yàn)，分析了土壤鹽分與施氮量的交互作用，結(jié)果表明隨著土壤鹽分的升高，葵花氮肥利用率降低，當(dāng)鹽分大于10 g/kg 時(shí)氮肥利用率只有10%；張君等[10]的研究表明施氮量為193 ～ 291 kg/hm2時(shí)玉米氮肥利用率為21% ～ 26%。由此可知，河套地區(qū)氮肥利用效率低下，這不僅是資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且會(huì)造成農(nóng)業(yè)面源污染。馮兆忠等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前的灌溉與種植制度下，河套灌區(qū)每年可損失約2.6×107kg N，相當(dāng)于當(dāng)年施氮量的20.3%。郭嘉等[12]和于瑞宏等[13]研究表明河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)退水引入的大量氮素是烏梁素海水體富營養(yǎng)化的重要原因。目前，為了提高氮肥利用效率，減少農(nóng)業(yè)面源污染，國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列的解決措施。郭宇等[14]通過改進(jìn)施肥技術(shù)，采用穴施的方式來提高向日葵產(chǎn)量和氮肥利用效率，趙春曉等[15]利用添加生物質(zhì)炭等改良劑有效提高氮肥利用率，劉德平等[16]通過合理配施磷肥的方式，在保證作物產(chǎn)量前提下，適量減少氮、磷肥料的用量，提高肥料利用率，減少農(nóng)業(yè)面源污染。

前人對河套地區(qū)氮肥利用效率及其帶來的農(nóng)業(yè)面源污染問題已經(jīng)開展相關(guān)研究，并提出了一些解決方法，而對肥料氮素在土壤中轉(zhuǎn)化的過程研究相對較少。眾所周知，肥料氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化過程主要有水解過程、硝化及反硝化過程，又夾雜著土壤有機(jī)氮的礦化，這導(dǎo)致土壤氮素轉(zhuǎn)化過程并不是單一的過程，而是一個(gè)多過程交織的綜合過程，使得土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究工作十分復(fù)雜。張金波和宋長春[17]研究發(fā)現(xiàn)，最適宜微生物活動(dòng)的土壤含水量介于土壤最大持水量的60% ～ 80%，溫度介于0 ～ 35 ℃，Cassman和Munns[18]研究表明：土壤水分和溫度對氮礦化的影響存在交互作用。事實(shí)上，溫度與水分對所有土壤內(nèi)部發(fā)生的轉(zhuǎn)化反應(yīng)都存在影響，周旋等[19]研究表明隨著土壤溫度升高，尿素水解與硝化作用增強(qiáng)；隨著土壤含水量降低，尿素水解與硝化作用也隨之減弱，李世清和李生秀[20]研究發(fā)現(xiàn)尿素水解速率在土壤質(zhì)量含水量在20% ～ 30% 時(shí)基本穩(wěn)定，當(dāng)含水率降至15% 時(shí)水解速率較20% ～ 30% 時(shí)下降32.5%，表明土壤含水率降低會(huì)導(dǎo)致尿素水解速率下降；張樹蘭等[21]的研究表明不同類型的土壤在各種含水率條件下硝化作用差異明顯，但是當(dāng)土壤含水率為田間持水量的60% 時(shí)，不同土壤的最大硝化速率與硝化量均最高，同時(shí)，溫度對土壤硝化作用的影響也十分巨大，土壤硝化作用在30 ℃ 時(shí)硝化率最高。

綜上所述，前人的研究多集中在溫度、水分等環(huán)境條件對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響，但是針對鹽漬化條件下土壤氮素轉(zhuǎn)化的研究并不充分。為深入探究河套灌區(qū)化學(xué)氮肥施入鹽漬化土壤后的轉(zhuǎn)化過程，本文選取河套地區(qū)農(nóng)業(yè)種植常用的基肥磷酸二銨和追肥尿素作為供試肥料，通過室內(nèi)通氣恒溫培養(yǎng)的方法，研究不同土壤鹽分梯度對施入化學(xué)氮肥水解和硝化過程的影響，以期為河套灌區(qū)精量施肥、減少氮素養(yǎng)分淋失以及其潛在的面源污染風(fēng)險(xiǎn)提供基礎(chǔ)理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

供試土壤采自內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市杭錦后旗三道橋鎮(zhèn)(40°49′42.7′′N，106°54′28.5′E)，試驗(yàn)區(qū)位于河套平原，地貌主要由沖擊平原、洪積平原和河漫灘3種地形構(gòu)成；地勢西南高，東北低，海拔1 032 ～1 050 m；該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候：干燥、日照時(shí)間長、晝夜溫差大，年平均氣溫7.9 ℃，夏季日平均氣溫22.3 ℃；年均降雨量136.5 mm，無霜期152 d 左右，年均日照3 200 h。表層土壤(0 ～ 20 cm)質(zhì)地為粉砂壤土，深層土壤多為黏壤土；灌區(qū)采用一年一熟制，常年種植食葵；試驗(yàn)區(qū)每年春秋兩季采用大水漫灌壓鹽，受灌水影響地下水埋深波動(dòng)較大，地下水介于0.35 ～ 2.21 m，全年平均地下水埋深90.2 cm，5 月初和10 月初地下水埋深最深，5 月中下旬和10 月下旬灌水后最淺；地下水礦化度平均為3.25 g/L，屬微咸水。

1.2 樣品采集

根據(jù)前一年作物長勢、產(chǎn)量與實(shí)測土壤電導(dǎo)率值(EC5︰1，水︰土= 5︰1)選取鹽分梯度差異明顯的3 處采樣點(diǎn)取土，分別記做低鹽(L)、中鹽(M)和高鹽(H)3個(gè)供試組，試驗(yàn)用土取自前期確定的3 處采樣點(diǎn)處的表層土壤(0 ～ 20 cm)，取土后風(fēng)干、研磨并過2 mm篩備用；土壤樣品基礎(chǔ)養(yǎng)分指標(biāo)如表1 所示。

表1 土壤樣品基礎(chǔ)養(yǎng)分指標(biāo)Table 1 Information of basic nutrients of tested soils

1.3 試驗(yàn)處理

本研究采用室內(nèi)通氣恒溫培養(yǎng)的方法，研究兩種肥料(尿素，磷酸二銨)施入不同鹽分土壤氮素轉(zhuǎn)化的規(guī)律。試驗(yàn)為3(鹽分)× 3(氮肥含對照)完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)設(shè)置3 個(gè)鹽分梯度：低鹽(L，1.46 dS/m)、中鹽(M，2.19 dS/m)和高鹽(H，3.43 dS/m)，選取兩種肥料：尿素 (以CN 表示)和磷酸二銨 (以NP表示)，同時(shí)以不施肥(以CK 表示)為對照；共9 個(gè)處理：分別記為L-CN、M-CN、H-CN、L-NP、M-NP、H-NP、L-CK、M-CK、H-CK；氮肥用量為0.1 g/kg 純氮，以水溶液的形式添加，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。

各處理取相當(dāng)于干土質(zhì)量100 g的風(fēng)干土裝填入350 ml 的圓柱形玻璃瓶，由于當(dāng)?shù)卣舭l(fā)強(qiáng)烈，為防止培養(yǎng)期間土壤水分過低影響試驗(yàn)，故將處理含水量設(shè)置稍高，調(diào)整土壤質(zhì)量含水率至30%(相當(dāng)于最大土壤持水量的75% 左右)，瓶口上部用保鮮膜封口，并在保鮮膜上均勻扎20 個(gè)小孔通氣，后放入28 ℃ 恒溫培養(yǎng)箱(天津泰斯特SPX-250BIII)遮光培養(yǎng)，培養(yǎng)期間定期補(bǔ)水(2 ～ 3 d)保持各處理水分含量相對穩(wěn)定，由于取樣屬于破壞性取樣，因此根據(jù)采樣次數(shù)設(shè)置平行試驗(yàn)，7(采樣次數(shù))×9(處理數(shù))× 3(重復(fù)數(shù))=189，共189 瓶，分別于培養(yǎng)開始第1、3、7、14、21、28、35 天取土樣測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，各處理加水至質(zhì)量含水率30% 放置兩小時(shí)水肥均勻后，采樣作為各鹽分梯度的初始銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無機(jī)氮含量。

1.4 測定方法與計(jì)算

土壤EC和pH測定采用電位法測定(水︰土，5︰1；Five Easy Plus Conductivity/pH，梅特勒-托利多)；土壤銨態(tài)氮(NH-N)含量測定采用2 mol/L KCl 浸提-靛酚蘭比色法[22]；土壤硝態(tài)氮(NO-N)含量測定采用雙波長紫外分光光度計(jì)法[23]；土壤有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[22]；土壤全氮含量測定采用半微量開氏法；土壤有效磷的測定采用0.5 mol/L NaHCO3法。

文中所用各指標(biāo)計(jì)算公式如下[24-25]：

無機(jī)氮轉(zhuǎn)化量(mg/kg)= 凈硝化量(mg/kg)+凈水解量(mg/kg)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 和SAS 9.4 進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析，處理間顯著性差異采用Duncan 新復(fù)極差檢驗(yàn)法(α= 0.05，0.01)，SigmaPlot 12.5 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分對氮肥水解過程的影響

各處理肥料水解速率和凈水解速率結(jié)果列于表2，由表2 可知，各土壤鹽分梯度下，尿素與二銨的表觀水解速率與凈水解速率均于培養(yǎng)第1 天達(dá)到峰值，并且在達(dá)到峰值后隨即快速下降，此時(shí)肥料凈水解速率在數(shù)值上即為凈水解量。對比不同鹽分梯度下兩種肥料第1 天的水解速率發(fā)現(xiàn)：尿素處理的表觀水解速率在不同鹽分梯度下差異不明顯，均在60 mg/(kg·d) 左右，但不同土壤鹽分梯度下的凈水解速率差距較大，分別為81.08 mg/(kg·d)(L-CN)、73.39 mg(kg·d)(MCN)、59.13 mg/(kg·d)(H-CN)，當(dāng)土壤鹽分從中鹽上升到高鹽時(shí)，凈水解速率降低了24%；磷酸二銨處理的表觀水解速率和凈水解速率隨著土壤鹽分升高，總體都呈現(xiàn)出增大的趨勢，其中M-NP 的凈水解速率為91.12 mg/(kg·d)，高于H-NP 的87.32 mg/(kg·d)，二者遠(yuǎn)高于L-NP 的68.22 mg/(kg·d)。

以上結(jié)果表明：隨著土壤鹽分升高，尿素凈水解速率降低，且鹽分越高降低效果越明顯，而土壤鹽分升高對磷酸二銨處理凈水解速率的影響表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制，但高鹽處理水解速率仍高于低鹽處理。土壤鹽分相同時(shí)，低鹽處理下尿素水解作用要強(qiáng)于磷酸二銨，而中鹽、高鹽處理下磷酸二銨則要強(qiáng)于尿素。

表2 不同鹽分處理肥料水解速率 (mg/(kg·d))Table 2 Hydrolysis rates of fertilizers under different soil salinities

2.2 土壤鹽分對氮素硝化過程的影響

硝化速率的大小可以直觀反映土壤硝化作用的強(qiáng)度，表3 中列出了各處理的表觀硝化速率與凈硝化速率。由表3 可知，低鹽、中鹽處理中尿素與磷酸二銨的凈硝化速率在培養(yǎng)第7 天時(shí)均達(dá)到峰值，分別為12.54 mg/(kg·d) (L-CN)、11.52 mg/(kg·d)(M-CN)、17.27mg/(kg·d) (L-NP)、17.82 mg/(kg·d)(M-NP)，培養(yǎng)第14 天時(shí)分別為2.24 mg/(kg·d)(L-CN)、3.27 mg/(kg·d)(M-CN)、3.46 mg/(kg·d)(L-NP)、1.40 mg/(kg·d)(M-NP)，相較培養(yǎng)第7 天分別降低了82%、72%、80%、92%，這表明培養(yǎng)進(jìn)行到14 d 時(shí)硝化反應(yīng)基本完成；而高鹽處理前3 d 凈硝化速率非常低，有些甚至出現(xiàn)了負(fù)值，表明此時(shí)反硝化作用占據(jù)主導(dǎo)地位，土壤硝化反應(yīng)非常微弱，然而此時(shí)表觀硝化速率依舊為正值，原因可能是土壤中原有易礦化氮礦化產(chǎn)生的銨態(tài)氮被硝化導(dǎo)致了表觀上土壤硝態(tài)氮的增加。在培養(yǎng)3 d 后，高鹽處理凈硝化速率明顯提高，在培養(yǎng)第7 天時(shí)尿素和二銨的凈硝化速率分別為7.27 mg/(kg·d)和9.40 mg/(kg·d)，在培養(yǎng)第14 天時(shí)尿素與二銨的凈硝化速率分別為8.16 mg/(kg·d)和8.83 mg/(kg·d)，依舊維持較高水平，培養(yǎng)第21 天時(shí)高鹽處理的凈硝化速率大大降低，尿素處理硝化速率降至0.33 mg/(kg·d)，而磷酸二銨處理則降至1.38 mg/(kg·d)，此時(shí)土壤硝化反應(yīng)基本完成。

對比相同鹽分梯度下的土壤凈硝化速率發(fā)現(xiàn)：低鹽、中鹽處理中，尿素處理的硝化作用在培養(yǎng)第1 天就已經(jīng)開始，而磷酸二銨處理在培養(yǎng)第1 天凈硝化速率為負(fù)值，此時(shí)硝化作用仍未開始，上述現(xiàn)象表明在土壤鹽分較低的情況下，尿素的硝化作用總是先于磷酸二銨發(fā)生，但尿素凈硝化速率的峰值均低于磷酸二銨處理，而高鹽處理中尿素與磷酸二銨的硝化作用幾乎同時(shí)發(fā)生，凈硝化速率峰值尿素依舊低于磷酸二銨處理，以上結(jié)果表明：在等氮條件下，尿素比二銨更易被硝化，而二銨在土壤中的硝化作用要強(qiáng)于尿素。

2.3 不同鹽分梯度下土壤氮素含量變化規(guī)律

本次試驗(yàn)旨在研究氮肥施入后，土壤鹽分對肥料氮素轉(zhuǎn)化的影響，土壤無機(jī)氮素含量的動(dòng)態(tài)變化能夠反映肥料在土壤中轉(zhuǎn)化軌跡。圖1、圖2、圖3 分別為培養(yǎng)期間各鹽分梯度下不同施肥處理土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、無機(jī)氮含量的變化。由圖1 可知，尿素和磷酸二銨施入土壤后迅速轉(zhuǎn)化成為銨態(tài)氮，各鹽分處理土壤銨態(tài)氮含量均于第 1 天出現(xiàn)峰值，分別為85.2 mg/kg(L-CN)、75.5 mg/kg(M-CN)、74.9 mg/kg(HCN)、72.3 mg/kg(L-NP)、93.2 mg/kg(M-NP)、103.1 mg/kg(H-NP)。低鹽與中鹽處理中，尿素與磷酸二銨處理土壤銨態(tài)氮達(dá)到峰值后迅速下降，其中尿素處理第3天基本降至最低與對照處理無顯著差異，磷酸二銨處理第3 天時(shí)土壤銨態(tài)氮含量降至峰值的50% 左右；高鹽處理兩種肥料峰值也出現(xiàn)在第1 天，但達(dá)到峰值后銨態(tài)氮降低速率緩慢，培養(yǎng)第3 天兩種肥料處理的土壤銨態(tài)氮含量在70 mg/kg 以上仍處于較高水平，到培養(yǎng)第7 天時(shí)，所有處理土壤銨態(tài)氮含量基本降至最低與對照處理土壤銨態(tài)氮含量相近?？傮w而言，低鹽處理與中鹽處理的變化趨勢較為一致，高鹽處理土壤銨態(tài)氮在土壤中維持較高含量時(shí)間相較低鹽、中鹽處理更長，但也在培養(yǎng)7 d 后降至最低；低鹽處理中尿素處理的土壤銨態(tài)氮含量峰值高于磷酸二銨處理，中鹽與高鹽處理的磷酸二銨峰值均高于尿素；在3種鹽分梯度下磷酸二銨水解產(chǎn)生的銨態(tài)氮與尿素相比在土壤中存在的時(shí)間更長，更具持續(xù)性。

表3 不同鹽分處理土壤硝化速率 (mg/(kg·d))Table 3 Nitrification rates under different soil salinities

圖1 培養(yǎng)期間土壤銨態(tài)氮含量變化Fig.1 Changes in soil ammonium nitrogen contents during incubation

如圖2 所示，施肥處理土壤硝態(tài)氮含量在各個(gè)土壤鹽分梯度下的變化規(guī)律一致：土壤硝態(tài)氮含量隨著培養(yǎng)時(shí)間增加而增加，增速隨時(shí)間降低，7 d 內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量基本呈線性增長，14 d 以后略有增加但基本保持穩(wěn)定；上文對硝化速率的分析結(jié)果顯示：低鹽、中鹽處理在14 d 內(nèi)硝化作用基本完成，而高鹽處理21 d 時(shí)硝化作用基本完成，這一結(jié)果與圖2 曲線變化規(guī)律相一致?？疾靾D2 散點(diǎn)間直線斜率可以發(fā)現(xiàn)低、中鹽處理斜率明顯要大于高鹽處理，這直觀地反映出鹽分升高降低土壤硝化速率。各個(gè)鹽分梯度下磷酸二銨的曲線多處于尿素處理的上方，說明了尿素的硝化作用要弱于磷酸二銨，這與上文計(jì)算所得結(jié)果相一致。

施肥處理土壤無機(jī)氮含量在各土壤鹽分梯度下總體呈現(xiàn)出隨著培養(yǎng)時(shí)間增加而增加的趨勢，但如圖3 所示，添加肥料后各鹽分梯度處理土壤無機(jī)氮含量變化曲線均出現(xiàn)了不同程度的向內(nèi)凹陷，導(dǎo)致曲線不單調(diào)增加，低鹽和中鹽處理曲線內(nèi)陷均出現(xiàn)在第3天，高鹽處理出現(xiàn)在第7 天。尿素與磷酸二銨處理都出現(xiàn)了這種現(xiàn)象，且同一土壤鹽分梯度下出現(xiàn)的時(shí)間一致，但各土壤鹽分不施肥處理的土壤無機(jī)氮含量隨時(shí)間增加而單調(diào)增加并未出現(xiàn)這種現(xiàn)象，這說明出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是施肥。對比土壤銨態(tài)氮含量變化(圖1)，可以發(fā)現(xiàn)，無機(jī)氮曲線內(nèi)陷的時(shí)間與土壤銨態(tài)氮快速下降的時(shí)間一致，比較施肥組與對照組土壤硝態(tài)氮含量變化(圖2)，不難發(fā)現(xiàn)無機(jī)氮曲線內(nèi)陷出現(xiàn)的時(shí)間與施肥組和對照組土壤硝態(tài)氮含量曲線開始分離的時(shí)間也一致。

肥料類型與土壤鹽分對氮素含量影響的方差分析結(jié)果列于表4、表5，結(jié)果表明：肥料種類對土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的變化并無顯著差異(P＞0.05)，而土壤無機(jī)氮含量的變化上，磷酸二銨顯著高于尿素，差異達(dá)了極顯著水平(P＜0.01)，這可能是由于磷酸二銨中含有磷酸根，帶入土壤的磷元素促進(jìn)了氮素的礦化，從而增加了無機(jī)氮的積累，Reed 等人[26]的研究亦表明磷添加會(huì)提高土壤無機(jī)氮濃度。土壤鹽分對土壤銨態(tài)氮含量變化影響比較復(fù)雜：高鹽處理顯著高于中鹽處理(P＜0.05)，低鹽處理介于二者之間差異并不顯著；土壤硝態(tài)氮含量變化受土壤鹽分影響結(jié)果則有所不同，中鹽處理高于高鹽處理且差異極為顯著，同時(shí)又顯著高于低鹽處理，而低鹽處理與高鹽處理差異并不顯著；無機(jī)氮含量的變化結(jié)果較為一致，中鹽處理顯著高于低鹽、高鹽處理。

圖2 培養(yǎng)期間土壤硝態(tài)氮含量變化Fig. 2 Changes in soil nitrate nitrogen contents during incubation

圖3 培養(yǎng)期間土壤無機(jī)氮含量變化Fig.3 Changes in soil inorganic nitrogen contents during incubation

表4 肥料種類對不同氮素形態(tài)影響的顯著性檢驗(yàn)Table 4 Significance tests of effects of fertilizers on different forms of soil nitrogen

表5 土壤鹽分對氮素形態(tài)影響的顯著性檢驗(yàn)Table 5 Significance tests of effects of soil salinities on different forms of soil nitrogen

3 討論

3.1 土壤鹽分對氮肥水解作用的影響

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，土壤鹽分含量對兩種肥料的轉(zhuǎn)化規(guī)律影響存在一致性，尿素與磷酸二銨兩種肥料施入土壤后，土壤銨態(tài)氮含量均于第1 天達(dá)到峰值，隨后開始下降，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)將肥料以水溶液的形式加入到培養(yǎng)體系中，不存在土壤濕潤肥料顆粒使其有效成分溶解再進(jìn)入土壤的過程，因此本試驗(yàn)水解速率較高。低鹽、中鹽處理凈水解速率從培養(yǎng)試驗(yàn)的第3 天開始都為負(fù)值，表明此時(shí)土壤銨態(tài)氮量開始減少，此時(shí)的凈水解速率實(shí)際表征的是土壤銨態(tài)氮的消耗速率，而在高鹽條件下，兩種氮肥水解產(chǎn)生的銨態(tài)氮在培養(yǎng)第3 天后才開始大量轉(zhuǎn)化，相較于低鹽、中鹽處理推遲了2 d，這說明較高的土壤鹽分會(huì)抑制銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致銨態(tài)氮在土壤中滯留一段時(shí)間。通過對不同肥料凈水解速率的研究，我們發(fā)現(xiàn)土壤鹽分升高會(huì)明顯抑制尿素水解，Awad 等[27]通過室內(nèi)試驗(yàn)證明當(dāng)鹽分從40 meq/L 升高到200 meq/L 時(shí)尿素水解速率呈現(xiàn)下降趨勢，本試驗(yàn)結(jié)果與此一致。土壤鹽分越低尿素水解產(chǎn)生的銨態(tài)氮越多、轉(zhuǎn)化得越快，這說明土壤鹽分對尿素的水解作用和水解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化都存在抑制作用；而土壤鹽分升高對磷酸二銨的水解表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制的規(guī)律，中鹽水解速率最高、轉(zhuǎn)化最快，低鹽處理轉(zhuǎn)化量較高鹽處理低，但消耗速率高于高鹽處理。李壽田等[28]通過培養(yǎng)試驗(yàn)研究了氯化鉀和磷酸二氫鈣添加對氯化銨氮轉(zhuǎn)化的影響，發(fā)現(xiàn)添加氯化鉀會(huì)增加土壤銨態(tài)氮含量并抑制硝化作用，而氯化鉀既是鉀肥也是鹽，其添加會(huì)使得土壤鹽分升高，本試驗(yàn)結(jié)果與此也一致；本次試驗(yàn)中各土壤鹽分條件下磷酸二銨處理銨態(tài)氮含量普遍高于尿素，這可能是加入的磷酸根會(huì)延緩?fù)寥冷@態(tài)氮轉(zhuǎn)化所致。低鹽處理磷酸二銨水解產(chǎn)生的銨態(tài)氮較中、高鹽處理低的原因，可能是低鹽土有機(jī)質(zhì)豐富、吸附能力強(qiáng)[29]，磷酸二銨通過水溶液加入土體后銨根離子隨水下滲時(shí)被土壤吸附。

3.2 土壤鹽分對硝化作用的影響

研究表明：硝化作用分兩個(gè)階段完成，即銨態(tài)氮氧化為亞硝態(tài)氮的氨氧化過程和亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮的亞硝酸鹽氧化過程[30]。本試驗(yàn)中高鹽處理凈硝化速率升高出現(xiàn)時(shí)間相較低鹽、中鹽處理推遲，綜合圖1、圖2 和表2 各鹽分處理肥料水解速率，可以推測產(chǎn)生這種延遲現(xiàn)象的原因可能是，高鹽處理土壤銨態(tài)氮在第3 天時(shí)只有少部分發(fā)生轉(zhuǎn)化，大量銨態(tài)氮滯留在土壤中，土壤無機(jī)氮主要以銨態(tài)氮為主，此時(shí)硝化反應(yīng)的第一步氨氧化反應(yīng)只有部分進(jìn)行，而氨氧化反應(yīng)是硝化反應(yīng)的限速步驟，氨氧化反應(yīng)不充分使得亞硝酸鹽氧化反應(yīng)由于缺乏底物無法進(jìn)行，造成了凈硝化速率一直保持很低的水平，培養(yǎng)第7 天時(shí)土壤銨態(tài)氮基本與對照無異，此時(shí)氨氧化反應(yīng)基本完成，亞硝酸鹽氧化反應(yīng)得以進(jìn)行，此時(shí)凈硝化速率升高，這解釋了圖3 中土壤無機(jī)氮回落出現(xiàn)的原因，即氮肥添加引入的土壤銨態(tài)氮的氨氧化消耗速率高于亞硝酸鹽氧化速率，導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮損失大于硝態(tài)氮的增加，張國楨等[31]的研究也印證了這一觀點(diǎn)。Fernando等[32]培養(yǎng)試驗(yàn)的結(jié)果顯示：在鹽漬土中施入銨態(tài)氮肥后，土壤銨態(tài)氮含量在施入后隨即快速下降，同時(shí)亞硝態(tài)氮含量激增，土壤硝態(tài)氮在培養(yǎng)7 d 后才開始增加，本次試驗(yàn)高鹽處理的結(jié)果與此一致。較高的土壤鹽分會(huì)抑制氨氧化反應(yīng)，造成不同鹽分梯度處理的亞硝酸鹽氧化反應(yīng)的起始時(shí)間并不一致，故同一時(shí)段各鹽分梯度下凈硝化速率大小不能完全反映各處理對硝化作用的影響，且高鹽處理凈硝化速率峰值出現(xiàn)較低鹽與中鹽處理亦遲，由于本次試驗(yàn)采樣間隔不均，前7 d 采樣相對密集，導(dǎo)致高鹽處理凈硝化速率峰值數(shù)值上較低鹽、中鹽處理偏低，故直接比較亦不科學(xué)。通過考察肥料凈硝化量可知，低鹽、中鹽和高鹽處理尿素凈硝化積累量分別為：86.21、93.61、85.78 mg/kg，其中中鹽處理土壤凈硝化量最大，低鹽、高鹽處理凈硝化量基本相等；磷酸二銨在低鹽、中鹽和高鹽處理下的凈硝化積累量分別為95.17、113.37、107.83 mg/kg，中鹽處理的凈硝化量依然最大，但磷酸二銨在高鹽處理下凈硝化量高于低鹽處理，這表明土壤鹽分升高，尿素和磷酸二銨處理的硝化過程均表現(xiàn)出先促進(jìn)后抑制的作用。有學(xué)者試驗(yàn)結(jié)果表明硝化作用對土壤鹽分含量十分敏感，隨著土壤含鹽量的增加，硝化作用受到抑制[33]。然而有研究表明：低鹽分能刺激氮的硝化和礦化作用[34]，Sudarno 等[35]采用固定床反應(yīng)器動(dòng)態(tài)研究了鹽分等條件對硝化作用的影響，結(jié)果表明：鹽分變化對氨氧化速率影響表現(xiàn)為：鹽分小于35 g/kg 時(shí)氨氧化速率基本穩(wěn)定，當(dāng)鹽分大于35 g/kg 時(shí)，氨氧化速率直線下降；亞硝酸鹽氧化速率隨鹽分升高先增加后降低，35 g/kg 時(shí)最大，即硝化速率隨鹽分升高先上升后下降。Nejidat[36]通過添加氯化鈉研究鹽分對不同土壤硝化過程的影響，試驗(yàn)研究了12 種不同環(huán)境下的土壤，結(jié)果表明：鹽脅迫對不同土壤硝化作用的影響并不一致，這是由于不同環(huán)境下的硝化細(xì)菌種群不同，鹽脅迫的耐受性也不盡相同。這說明土壤鹽分對氮素轉(zhuǎn)化的影響不能一概而論，需要根據(jù)當(dāng)前區(qū)域的微生物群落進(jìn)行具體分析。本次試驗(yàn)結(jié)果表明土壤鹽分一定程度上可促進(jìn)河套地區(qū)農(nóng)田土壤的硝化作用，并不完全表現(xiàn)出抑制作用。

3.3 氮肥種類對氮素轉(zhuǎn)化的影響

氮肥種類對其氮素轉(zhuǎn)化過程亦存在重要影響，本次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：在等氮輸入條件下，磷酸二銨施入土壤轉(zhuǎn)化形成的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無機(jī)氮含量均高于尿素處理，這主要是因?yàn)榱姿岫@中含有磷元素，額外加入的磷元素會(huì)促進(jìn)氮素的轉(zhuǎn)化。前人通過田間試驗(yàn)研究了氮磷相互作用的影響，結(jié)果表明施用磷肥可以提高氮肥利用率，促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化[37]。李金燕[38]通過培養(yǎng)試驗(yàn)研究了含水率與磷肥施用量對尿素氮轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果表明，含水率相同的條件下，銨態(tài)氮含量隨施磷量的增加而增加，本次試驗(yàn)結(jié)果與此相一致；硝態(tài)氮濃度變化則與磷添加無關(guān)。而Mori等[39]的研究結(jié)果表明，磷添加不僅能夠緩解土壤磷短缺，而且加速異養(yǎng)微生物活動(dòng)消耗土壤氧氣形成厭氧環(huán)境，導(dǎo)致反硝化作用增強(qiáng)，反硝化作用的增強(qiáng)會(huì)消耗土壤硝態(tài)氮導(dǎo)致其含量降低。本試驗(yàn)結(jié)果與此并不一致，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)中土壤鹽分抑制了反硝化細(xì)菌活性使得硝態(tài)氮含量降低不明顯。磷酸二銨常被作為基肥使用，人們對其氮素轉(zhuǎn)化過程關(guān)注較少，對其鹽脅迫下氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)注更少，本次試驗(yàn)結(jié)果表明等氮條件下其轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的各形態(tài)氮素量高于尿素，說明其施用不當(dāng)產(chǎn)生的環(huán)境污染可能比尿素還嚴(yán)重，這需要引起更多的重視。

4 結(jié)論

河套灌區(qū)土壤鹽度對肥料氮素轉(zhuǎn)化有很大影響：①土壤鹽分升高明顯抑制尿素水解，卻促進(jìn)磷酸二銨的水解，高土壤鹽分會(huì)抑制銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，使其在土壤中短暫滯留；②土壤鹽分升高對尿素與磷酸二銨硝化作用的影響均表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制，最大硝化量均出現(xiàn)在中鹽處理(2.19 dS/m)；③在等氮輸入條件下，磷酸二銨施用后轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的無機(jī)氮總體高于尿素處理；④各處理無機(jī)氮含量變化曲線均出現(xiàn)短期下降并不單調(diào)上升，其原因是土壤銨態(tài)氮的消耗速率高于硝化作用產(chǎn)生硝態(tài)氮的速率。