1 引言
水資源短缺是農業(yè)灌溉面臨的重大挑戰(zhàn)，在農業(yè)用水嚴重緊缺的現(xiàn)狀下，將再生水作為農業(yè)灌溉水源，可有效緩解農業(yè)用水緊缺形勢，也是實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)生產及糧食安全的重要保障.以城市生活污水為主要來源的再生水中含有包括氮在內的等多種營養(yǎng)成分，用于灌溉可以減少肥料的使用，改善土壤肥力.土壤中的氮素主要是以有機態(tài)形式存在，而植物直接吸收利用的是無機態(tài)氮和少量水溶性有機氮，只有在土壤動物和微生物的作用下有機態(tài)氮才能轉化成能被植物吸收利用的礦物氮，這一過程稱為土壤氮的礦化，也是土壤氮素內循環(huán)的核心和反映土壤供氮能力的一個重要因素.研究表明，設施菜田種植前土壤可供給作物的氮素主要包括土壤中存在的無機氮和作物生長期間土壤有機氮的礦化，作物吸收的氮約50%~80%來自于土壤.再生水灌溉不僅可促進表層微生物數(shù)量的增加，同時也改變了微生物群落結構，提高了土壤生物活性，促進了土壤氮素礦化.此外，長期再生水灌溉提高了土壤微生物活性，改善了土壤性能.另外，隨著再生水灌溉年限的增加，土壤有機質、總氮、有效磷含量及土壤微生物活性增加明顯.因此，較為準確的定量描述再生水灌溉土壤的氮素礦化潛勢，估算當季作物種植前土壤的供氮潛力對指導合理施肥具有重要意義.目前，國內外對土壤氮素礦化的研究主要集中在大田作物土壤氮素礦化量的計算，溫度和土壤類型對土壤氮素礦化的影響及土壤氮素礦化的模型研究等方面，但有關不同施氮水平再生水灌溉土壤氮素礦化潛勢及釋氮節(jié)律的研究鮮有報道.為此，本試驗以長期再生水灌溉土壤為研究對象，利用室內培養(yǎng)方法，研究不同施氮水平對長期再生水灌溉土壤氮素礦化量、礦化速率、吸附參數(shù)和氮素礦化勢的影響，分析土壤氮素礦化潛勢及土壤氮素釋放節(jié)律，以期為長期再生水灌溉下土壤氮肥的合理施用提供理論依據(jù).
2 材料與方法
供試土壤采自中國農業(yè)科學院河南省新鄉(xiāng)市農業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站日光溫室，土壤質地為粉砂粘壤.試驗站位于北緯35°19"，東經113°53"，海拔73.2 m，年均氣溫14.1 ℃，年均降水量約588.8 mm，無霜期210 d，日照時數(shù)2398.8 h.試驗土壤樣本分別取自再生水灌溉4年及常規(guī)施氮處理(施肥量90 kg · hm-2)(A)、再生水灌溉4年及不施氮處理(ReCK)、清水灌溉4年及常規(guī)施氮處理(施肥量90 kg · hm-2)(E)和清水灌溉4年及不施氮處理(CK)番茄收獲后的小區(qū)，每個土壤樣本小區(qū)內分別隨機選擇3點，采集0~20 cm耕層土壤，混合均勻，除去可見動植物殘體，部分鮮土用于土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量測定，其余土壤樣品自然風干碾磨過2 mm篩備用.試驗用再生水取自試驗站附近的河南新鄉(xiāng)市駱駝灣污水處理廠，污水來源主要為城市生活污水，污水處理工藝為A/O反硝化生物濾池和臭氧氧化組合工藝，再生水常規(guī)水質指標完全符合農田灌溉水質標準(GB 5084—2005)、再生水水質標準(SL 368-2006)和城市污水再生利用農田灌溉用水水質(GB 20922—2007)的規(guī)定，出水水質詳見表 1;灌溉方式采用地表滴灌，番茄全生育期再生水總灌溉量為3736 m3 · hm-2.供試土壤樣本的基本理化性質見表 2，說明再生水灌溉較清水灌溉增加了土壤有機質含量，提高了土壤的性能.
表1 灌溉水水質成分
表2 試驗地土壤基本理化性
2.2 試驗設計
本試驗采用室內常溫培養(yǎng)的方法，以硫酸銨為外源氮肥，試驗共設8個處理：A(N200)(施氮量200 mg · kg-1)、A(N160)(施氮量160 mg · kg-1)、A(N140)(施氮量140 mg · kg-1)、A(N100)(施氮量100 mg · kg-1)、A(N0)(施氮量0 mg · kg-1)、E、CK、ReCK，每個處理重復3次.分別稱取100 g過2 mm篩的風干土樣置于24個250 mL的三角瓶內，采用蒸餾水配置不同濃度(NH4)2SO4溶液，倒入三角瓶內，保持土壤含水率為田間持水量(質量含水率為24%)，將三角瓶用封口膜密封，以盡量避免水分及氮素反硝化損失，于25 ℃恒溫培養(yǎng)，在第0、7、14、21、28、35、42 d從每個培養(yǎng)瓶中分別取樣測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量.
參照文獻(鮑士旦，2000)方法進行測定，其中，土壤含水量采用烘干法測定;pH采用PHS-1型酸度計測定;有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定;硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全氮、全磷采用德國BRAN LUEBBE AA3連續(xù)流動分析儀測定;土壤累積礦化氮量(mg · kg-1，以N計)為當次取樣所測得的礦質氮量與初始礦質氮量之差;土壤氮礦化速率(mg · kg-1 · d-1)為單位時間內土壤氮的礦化量;礦化勢為在一定條件下土壤氮素可釋放的最大氮量.
2.4.1 土壤吸附參數(shù)Kd
Freundlich線性等溫吸附模型如下：
式中，S 為平衡液NH+4-N濃度，換算為每kg土壤的相應養(yǎng)分吸附量(mg · kg-1);C0為倒入土壤溶液中銨態(tài)氮的濃度(mg · L-1).
2.4.2 一級動力學模型
采用一級動力學方程(Yeasmin et al., 2012)擬合土壤有機氮礦化過程中礦質氮的累積變化：
式中，Nt為一段時間內累積的凈礦化氮量(mg · kg-1);N0為氮礦化勢(mg · kg-1);k為礦化速率常數(shù)(d-1);t為培養(yǎng)時間(d).
2.4.3 統(tǒng)計分析
試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS17.0軟件進行處理和統(tǒng)計分析.
3 結果與分析
圖 1表明，不同施氮水平土壤氮素礦化累積量隨培養(yǎng)時間的變化趨勢基本一致，培養(yǎng)前期(<7 d)土壤氮素累積礦化量增加較快，后期土壤氮素累積礦化量趨于平穩(wěn);各處理在培養(yǎng)的第28 d后基本達到平衡狀態(tài)，且同一時段A(N200)、A(N160)、A(N140)、A(N100)、A(N0)、E、CK、ReCK處理間土壤累積礦化氮量存在顯著差異(p<0.05).表明不同外源氮肥輸入對土壤氮素的礦化能力影響顯著.
圖1 不同培養(yǎng)時間土壤氮素累積礦化量
3.2 不同施氮處理對土壤氮素礦化速率的影響
隨著培養(yǎng)時間的延長，各施氮處理土壤氮素礦化速率下降明顯(表 3).在培養(yǎng)期間，不同施氮處理的礦化速率大致可以劃分為3個階段：0~7 d為第一階段，各處理土壤的礦化速率為1.74~14.90 mg · kg-1 · d-1;7~21 d為第二階段，各處理的礦化速率迅速下降為0.97~3.91 mg · kg-1 · d-1;21~42 d為第三階段，各處理的礦化速率下降緩慢，基本趨于平穩(wěn)，礦化速率為0.76~2.02 mg · kg-1 · d-1.A(N200)、A(N160)、A(N140)、A(N100)、A(N0)、E、 CK、ReCK各處理在培養(yǎng)期間的平均礦化速率分別為 4.92、5.31、2.83、3.13、2.70、1.38、1.14、1.59 mg · kg-1 · d-1，且ReCK處理的土壤平均礦化速率為CK處理的1.39倍.
表3 不同培養(yǎng)時間不同施氮處理土壤氮素礦化速率的動態(tài)變化
3.3 不同施氮處理土壤吸附參數(shù)Kd及土壤潛在礦化勢預測 3.3.1 土壤吸附參數(shù) Kd的確定
吸附是描述溶質在土壤固相、液相的相對分布，它參與了溶質在土壤中的運移過程，對溶質運移起著阻滯作用.Kd越大表明土壤固相吸附的溶質量越大，反之，Kd越小表明溶質保持在土壤溶液中的量越多.根據(jù)表 4中的數(shù)據(jù)，繪制S-C0關系曲線，并用直線擬合兩者之間的關系，結果為：S=0.0022C0，R2=0.938，則吸附參數(shù)Kd為0.0022 L · kg-1.
表4 不同處理土壤NH4+吸附試驗結果
3.3.2 土壤潛在礦化勢的預測
一級動力學模型擬合結果表明(表 5)，不同施氮處理土壤氮素礦化勢(N0)的變化范圍為10.93~92.88mg · kg-1，其由小到大的順序依次為CK 表5 不同處理土壤氮素礦化的一級動力學方程參數(shù) 氮素礦化速率常數(shù)的大小反映了土壤供氮的強度.從表 5看出，CK處理土壤氮素礦化速率常數(shù)最大，A(N200)、A(N160)、A(N140)相差不大;與對照ReCK相比，A(N100)、A(N0)、E處理提高了土壤供氮強度.微生物活動和酶動力學性質決定著土壤中氮的礦化過程，因此，采用一級動力學方程描述氮礦化過程是合理的. 3.3.3 A(N160)處理下土壤礦化潛勢與釋氮節(jié)律耦合模型的構建 為了模擬A(N160)處理下土壤礦化潛勢與釋放節(jié)律，通過不同培養(yǎng)時間與土壤氮素累積礦化量的回歸分析，利用最小二乘法建立土壤氮素累積礦化量Nt與培養(yǎng)時間t的耦合模型為Nt=117.5072t-0.1062，考慮不同土壤本底B0差異，修正后的A(N160)處理下的培養(yǎng)時間、土壤本底與土壤氮素累積礦化量模型為N0=B0+117.5072t-0.1062，R2=0.922.該模型較好地描述了土壤本底、氮肥輸入對土壤氮素礦化潛勢的影響，反映了土壤氮素的釋放節(jié)律. 4 討論 土壤氮的礦化是在微生物參與下的生物化學過程，是有機氮轉化為礦質氮，為植物提供可吸收利用氮素的關鍵過程.土壤氮素的礦化與氮素的供應密切相關(王艷杰等，2005)，并對生態(tài)系統(tǒng)中氮肥有效性起著非常重要的作用.本研究表明，土壤氮素礦化量受外源氮肥輸入影響較大，通過對不同培養(yǎng)時間土壤氮素礦化累積量的分析，探明了不同施氮處理土壤氮素礦化過程，即外源氮肥輸入后，前期土壤氮素礦化較快，土壤氮素累積礦化量迅速增加，土壤供氮能力顯著提高，中后期受本底土壤氮素及外源氮肥輸入影響，土壤氮素礦化減弱，土壤氮素累積礦化量增加并不明顯.A(N160)處理與其它處理相比顯著提高了土壤氮素礦化累積量，達到峰值時的累積礦化氮量為104.29 mg · kg-1，是全氮量的7.95%，表明長期再生水灌溉輔以適宜施氮水平下，外源氮肥輸入顯著刺激了土壤氮素正向礦化過程，顯著提高了土壤肥力和土壤供氮能力(Truu et al., 2009;高兵等，2008).同時，在培養(yǎng)前期，再生水灌溉4年及不施氮處理(ReCK)的土壤氮素礦化累積量顯著高于清水灌溉4年及不施氮處理(CK). 生態(tài)系統(tǒng)中氮素的有效性和損失量可采用氮素礦化速率作為評價指標.土壤氮素礦化速率在一定程度上反映了土壤在某段時間內氮礦化量的大小及礦化的難易程度(歐陽媛等，2009).在本試驗中，不同培養(yǎng)時間土壤氮素礦化速率的分析表明，隨著培養(yǎng)時間的增加，土壤氮素礦化速率逐漸降低，但降幅依次減小并趨于平穩(wěn)狀態(tài).趙長盛等(2013)在華中地區(qū)兩種典型菜地土壤中氮素礦化特征研究中發(fā)現(xiàn)，兩種土壤的礦化速率隨培養(yǎng)時間的增加而降低，潮土在培養(yǎng)91 d以后的礦化速率為0.32 mg · kg-1 · d-1，黃棕壤為0.13 mg · kg-1 · d-1;也有研究表明(馬興華等，2011)，典型植煙土壤氮素礦化速率在培養(yǎng)前期為正值;各階段土壤氮素礦化速率在培養(yǎng)4周以后為負值.本研究A(N160)處理的平均礦化速率最大，為5.31 mg · kg-1 · d-1.礦化速率劃分的3個階段說明在培養(yǎng)前期表現(xiàn)為土壤氮的礦化，在培養(yǎng)的中后期，各階段表現(xiàn)為土壤氮的固定.不同施氮處理，再生水灌溉土壤氮素礦化速率均顯著高于清水灌溉處理，這主要是因為再生水中含有豐富的有機物，有機物的輸入為微生物生長提供了良好環(huán)境，促進了土壤氮素的礦化過程(Chen et al., 2015). 從不同處理土壤NH+4吸附試驗的擬合結果來看，R2值為0.938，吸附參數(shù)Kd為0.0022 L · kg-1，說明線性擬合并不十分理想，Kd值偏小，則保持在土壤溶液中的溶質量較多.一定條件下土壤有機氮經礦化可釋放的最大氮量被稱為氮素礦化勢(Stanford et al., 1972).余曉鶴等(1991)的研究表明，氮素礦化勢N0不但反映了土壤供氮的容量，同時也反映了土壤的供氮強度，N0決定了土壤供氮的能力.本文以培養(yǎng)實驗得到的數(shù)據(jù)為基礎，依據(jù)一級動力學方程估算了土壤氮素礦化勢N0和礦化速率常數(shù)k，并且建立了不同土壤本底(B0)條件下A(N160)處理土壤礦化潛勢的耦合模型，該模型較好地描述了土壤本底、外源氮肥對土壤氮素礦化潛勢的關系，反映了外源氮肥輸入下再生水灌溉土壤氮素的釋放節(jié)律.本實驗中A(N160)處理下土壤礦化勢N0更高，為92.88 mg · kg-1，表明再生水灌溉輔以適宜的施氮量可促進土壤氮素礦化、提高土壤肥力(Lee，2010).具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。 5 結論 1)培養(yǎng)前期土壤氮素礦化較快，中后期變化較慢，土壤供氮平穩(wěn)，同一時段不同處理間土壤累積礦化氮量存在顯著差異(p<0.05)，表明不同外源氮肥輸入對土壤氮素的礦化能力影響顯著，A(N160)處理的供氮能力最強. 2)在培養(yǎng)前期ReCK處理的土壤氮素礦化累積量顯著高于CK處理，表明再生水灌溉較清水灌溉促進了土壤氮素的礦化，顯著提高了土壤氮素活性;土壤氮素的礦化速率隨著培養(yǎng)時間的增加而逐漸降低，但降幅依次減小并趨于平穩(wěn)，且不同施氮處理再生水灌溉土壤氮素礦化速率顯著高于清水灌溉處理. 3)不同土壤肥力水平(B0)、外源施氮A(N160)調控，土壤氮素礦化潛勢可表達為N0=B0+117.5072t-0.1062.
