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user: 6. 结果与分析 双膜覆盖技术应用于奈曼旗沙地水稻种植，将空白沙地土壤和试验稻田土壤氮、磷、钾、有机质含量进行测定与分析(见表2)。在这项沙地生态修复中，修复的关键是增加土壤肥力 [ 19 ] ，土壤肥力以土壤中的营养物质来衡量 [ 20 ] ，因此，生态修复主要表现为土壤营养物质增加。其中以氮、磷为限制因素 [ 21 ] 。 6.1. 氮循环 水稻吸收的氮50%~70%来自于土壤 [ 22 ] ，土壤氮素供应能力是影响水稻产量的重要因素 [ 23 ] 。土壤氮素转化是生物-土壤生态系统中氮素循环的重要一环 [ 24 ] ，因此有必要对沙漠水稻种植中的土壤氮循环进行介绍(见图1)。如图1所示，氮的输入包括降水氮、生物固氮、有机肥施用氮、种子带入氮及化肥施用氮，氮的输出包括作物收获氮、反硝化损失氮、农田氨挥发氮。土壤养分的输入与输出决定了土壤养分库的盈亏和土壤肥力的发展方向，同时对环境也产生了潜在的影响 [ 25 ] (见表3和表4)。 6.1.1. 降水氮 根据内蒙古地区2005~2016年的平均降水情况 [ 26 ] ，计算得出降水氮的值为328.6 g/亩。 6.1.2. 生物固氮 包括农作物和土壤生物固氮两部分，水稻固氮系数为−30 kg/hm 2 ，生物固氮系数为25 kg/hm 2 [ 25 ] 。得出生物固氮为3668.5 g/亩。 Table 2 Soil test substance 测定指标 测定深度(cm) 测定年份 总氮 0~30 2014~2016 硝态氮和铵态氮 0~5 2016 10~15 2016 总磷 0~30 2014~2016 有效磷 0~5 2014~2016 10~15 2014~2016 15~30 2014~2016 总钾 0~30 2014~2016 有机质 0~30 2014~2016 表2. 土壤待测物质 图1. 氮循环 Table 3 Input of soil nitroge 降水氮 生物固氮 有机肥施用氮 种子带入氮 化肥施用氮 总计 输入氮(g/亩) 328.6 3668.5 500.0 150.1 0 4647.2 表3. 土壤氮的输入 Table 4 Output of soil nitroge 作物收获氮 反硝化损失氮 农田挥发氮 总计 输出氮(g/亩) 2865.0 65.0 100.0 3030 表4. 土壤氮的输出 6.1.3. 有机肥施用氮 此次种植的水稻需要的有机肥主要来源于猪粪，猪粪含氮量是2 g/kg [ 27 ] 。得出的结果为500.0 g/亩。 6.1.4. 种子带入氮 即农作物的播种面积乘以相应的系数，水稻对应的种子带入氮的系数为2.25 kg/hm 2 [ 25 ] 。得出的结果是150.1 g/亩。 6.1.5. 化肥施用氮 在此次沙漠水稻种植过程中，未施用化肥，因此化肥带入的氮为0 g/亩。 6.1.6. 作物收获氮 只考虑农作物的果实部分，即收获水稻的重量和果实含氮量系数相乘，该系数为19.1 kg/t [ 25 ] 。得出的结果是2865.0 g/亩。 6.1.7. 反硝化损失氮 包括施用化肥和有机肥，其中化肥部分为0，有机肥含氮量和13%相乘 [ 25 ] 。得出的结果是65.0 g/亩。 6.1.8. 农田挥发氮 包括施用化肥和有机肥，其中化肥部分是0，有机肥含氮量和20%相乘 [ 25 ] 。得出的结果是100.0 g/亩。 土壤剩余氮即为土壤氮的输入减去土壤氮的输出，得出结果为1617.2 g/亩，表明膜技术的应用，可以使土壤中的氮留存，为下一代水稻种植提供氮元素(图1，表3和表4)。 6.2. 土壤总氮含量变化 氮素占植物体内干重的0.3%~5% [ 28 ] ，氮素是植物生长需要最多的、最重要的矿质元素，也是蛋白质、核酸、磷脂等植物生长发育所必需物质的组成成分 [ 29 ] 。它是衡量土壤肥力的主要指标 [ 30 ] ，在农业生产和土壤生态保护中发挥重要作用 [ 31 ] 。本研究采用凯氏消煮法 [ 17 ] ，对沙地和稻田土壤的总氮含量进行测定。由图2可知，随着膜技术使用年限的增加，稻田0~30 cm土层土壤的总氮占土壤的比率也随之增加。和未修复沙地土壤相比，应用膜技术的稻田土壤在2015年和2016年总氮含量分别增加100%和200%，膜技术使用的第二年稻田土壤总氮占土壤的比率显著增加。说明膜技术的使用能够使稻田土壤总氮含量得到提高，改善土壤，有利于合成水稻自身生长发育所需养的营养物质。 硝态氮( NO 3 − )和铵态氮( NH 4 + / NH 3 )是植物生长发育过程中吸收的主要氮源 [ 32 ] 。土壤中的 NO 3 − 通过植物根系的主动运输进入植物体内，首先， NO 3 − 在硝酸还原酶(NR)的作用下还原成 NO 2 − ，然后在亚硝酸还原酶(NiR)的作用下转化为NH 3 ，再通过谷氨酰胺合成酶(GS)途径合成氨基酸被植物利用 [ 28 ] 。土壤中的NH 4 + 进入到植物体的细胞内，可以直接合成氨基酸被植物利用 [ 33 ] 。对稻田土壤的铵态氮和硝态氮进行测定(见表5)。2016年0~5 cm土层土壤铵态氮3.58 mg/kg，硝态氮2.84 mg/kg，15~30 cm土层土壤铵态氮含量0.99 mg/kg，硝态氮9.82 mg/kg，结合图2总氮含量可知：0~5 cm土层土壤铵态氮占总氮含量的0.298%，硝态氮占总氮含量的0.083%，10~15 cm土层土壤铵态氮占总氮含量的0.237%，硝态氮占总氮含量的0.818%，表明应用膜技术的稻田土壤总氮含量在逐年增长，铵态氮和硝态氮的含量也随之增加，使水稻能够从土壤中吸收更多氮素，供自身生长。 6.3. 土壤总磷含量变化 磷是植物生长过程所中必需的大量营养元素，它具有重要的营养生理功能，植物吸收磷素主要是通过土壤 [ 34 ] 。本研究采用碳酸钠熔融法 [ 17 ] ，对沙地和稻田土壤的总磷含量进行测定，由图3可知，随着膜技术使用年限的增加，稻田0~30 cm土层土壤总磷含量逐步增加。和未修复沙地土壤相比，应用膜技术的稻田土壤在2015年和2016年总磷含量分别增加100%和400%，在第二年增幅明显加大。表明膜技术的使用能够使土壤中总磷的含量提高，可以增加植物磷吸收量。 6.4. 土壤有效磷含量变化 土壤有效磷是当季作物可从土壤中获取的主要磷养分资源 [ 35 ] ，它是土壤养分组成的重要部分 [ 36 ] 。土壤中有效磷主要来自有机磷的矿化和难溶性磷酸盐的溶解，土壤有机磷经过矿化分解而转化为有效态磷，然后供给植物吸收利用 [ 34 ] 。对沙地和稻田土壤有效磷含量进行测定，发现沙地土壤有效磷含量没有变化，稻田0~5 cm和10~15 cm土层土壤有效磷含量随膜技术使用年限的增加逐步增加(图4)。在0~5 cm土层土壤，2016年有效磷含量比2014年增加11.01%；在10~15 cm土层土壤，2016年有效磷含量比2014年增加6.02%；虽然在15~30 cm土层土壤，2016年有效磷含量比2014年减少16.39%，但并不影响总体增长趋势，说明膜技术的应用可以增加土壤有效磷含量，进而增加水稻对土壤磷素中有效磷的吸收，给自身提供营养。 图2. 总氮占土壤比率 Table 5 NH 4 + − N and NO 3 − − N conten 测定内容 土壤深度(cm) 铵态氮含量mg/kg 硝态氮含量mg/kg 2016稻田 0~5 3.58 0.99 2016稻田 10~15 2.84 9.82 表5. 铵态氮和硝态氮含量 图3. 总磷含量 图4. 有效磷含量 6.5. 土壤总钾含量变化 钾是植物必须的营养元素之一，土壤中的钾是植物所需钾的主要来源 [ 37 ] 。它通过质流、扩散和根系截获的方式到达根表被植物吸收 [ 38 ] 。本研究采用氢氧化钠熔融法 [ 17 ] ，对沙地和稻田土壤的总钾含量进行了测定。由图5可知，随着膜技术使用年限的增加，稻田0~30 cm土层土壤总钾含量逐步增加。和未修复沙地土壤相比，应用膜技术的稻田土壤在2015年和2016年总钾含量分别增加50%和150%，在第二年增幅明显加大。表明膜技术的使用能够改善土壤，使土壤总钾的含量增加，进而增加水稻钾吸收量。 6.6. 土壤有机质含量变化 土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标 [ 39 ] ，是影响土地生产力的重要因素之一 [ 40 ] 。土壤有机质是植物必需营养元素的主要来源，能够增加土壤的蓄水、保水和保肥能力 [ 41 ] ，改善土壤的结构和物理化学性质(缓冲性能，吸附、离子交换性能和络合能力等) [ 42 ] 。在荒漠化地区，它的含量直接影响该地区土壤质量的高低 [ 43 ] 。本研究采用国标法高温外热氧化-亚铁滴定法(GB9834-88) [ 18 ] ，对沙地和稻田土壤的有机质含量进行测定。由图6可知，随着膜技术使用年限的增加，稻田0~30 cm土层土壤有机质含量逐步 图5. 总钾含量 图6. 有机质含量 增加。和未修复沙地土壤相比，应用膜技术的稻田土壤在2014年、2015年和2016年有机质含量分别增加25%、50%和150%，在2016年增幅明显加大。参照我国锡林郭勒草原土壤有机质的含量23.024 g/kg计 [ 44 ] ，以2014年为起点，以此速度增长，预计4年就可以达到正常土壤的有机质含量水平。