土壤氮转化过程对氮去向的调控作用

发布时间：2019-09-30 18:10

【摘要】：在氮生物地球化学循环中,土壤具有“调配器”的作用。深入研究土壤氮转化过程驱动的土壤氮“调配器”作用,对于认识氮生物地球化学循环的空间和时间差异,合理施用氮肥,制订氮污染控制对策等具有重要的意义。本研究选取中国不同区域具有代表性的自然生态系统为研究对象,研究了土壤氮转化过程调控陆地生态系统径流中氮形态的机制;并以此为基础,结合已经取得的亚热带土壤氮转化特点研究成果,以15N成对标记结合模型数值优化分析方法测定土壤氮初级转化速率为基本手段,研究了土壤氮转化过程特点与土壤无机氮形态组成和氮去向的关系,探讨了土壤氮转化过程与作物氮形态喜好耦合程度对氮肥利用率、作物生长及生态环境效应的影响,研究了水稻土硝化速率与反硝化氮损失的关系;在以上研究结果的基础上,对农田土壤氮素调控措施进行了初步探讨。径流N损失可以影响自然生态系统的N素有效性、生产力和C存储量,因此阐明陆地生态系统径流N损失的数量和形态组成及其主要调控因子具有重要的意义。土壤氮径流输出与氮形态有密切的关系,NH4+-N容易被土壤吸附,而NO3--N极易随水迁移,因此,一般认为自然生态系统径流中的溶解性氮以NO3--N为主。但是,大量的观测结果却表明,不同的自然生态系统径流中氮形态存在明显的差异,有的以NO3--N为主,有的则以溶解有机氮(DON)占主导。为什么人为扰动较小的自然生态系统径流中氮形态有如此大的区域差异?本研究选取中国不同区域的3个天然森林系统和1个天然草地系统为研究对象,测定了土壤溶液和溪流中总可溶性N、可溶性有机氮(DON)、NH4+-N和NO3--N的浓度、土壤理化性质和土壤氮素初级转化速率,以期明确上述问题。研究结果发现,不同自然生态系统径流中氮形态组成存在很大差异。在亚热带强酸性森林土壤区,DON在溪流中占主导地位;而对温带酸性森林、亚热带碱性紫色土森林区域和青藏高原高山草甸区域而言,NO3--N则是溪流中总可溶性N的主要形态。不同研究区溪流中NO3--N浓度的差异很大,变化范围为0.1～1.6mgN L-1,而DON浓度差异不明显,NH4+-N浓度也均处于较低水平(均值为0.1 mg NL-1)。可见,不同区域溪流中NO3--N浓度变化是导致N形态组成变化的主要因素。土壤溶液和溪流中NO3--N/总可溶性N的比值均随初级自养硝化速率的增加而显著提高 0.01),表明土壤氮转化特性是调控径流中N形态组成的主要因素,其中硝化作用是主导土壤溶液和径流中N形态组成的主要N转化过程。这些结果为更好地认识陆地生态系统径流中N输出形态提供了理论依据。提高作物氮利用率是实现化肥用量零增长,降低氮素负面环境影响的重要途径。目前,农业生产中主要关注肥料用量、施用时间、施用位置、新型肥料,以及育种和水分管理等措施,而土壤氮转化过程对土壤氮形态的调控作用和作物对不同氮形态的喜好经常被忽略。理论上,土壤氮转化过程、作物氮形态喜好、气候条件耦合,能够提高作物氮利用率和减少氮损失。本研究以不同N形态喜好的作物,即黄瓜(喜硝)、土豆(喜铵)和水稻(喜铵),以及pH不同的土壤(分别为4.9和7.8)为研究对象,测定了施入15NH4+-N或15NO3--N在植物和土壤中的回收率,并用15N平衡法计算N损失率。研究结果表明,氮肥形态与作物N形态喜好的耦合和土壤氮素转化过程特点与作物N形态喜好的耦合均可显著影响施入15N的回收率和损失率。施用NH4+-N肥时,喜铵作物在硝化速率/矿化速率比(N/M)低的土壤上吸N量高于N/M比高的土壤。相反,喜硝作物的吸N量则在N/M比高的土壤上更多。这些结果表明,氮转化过程调控的N形态与作物N形态喜好的耦合关系确实存在。由此得出,肥料管理措施和种植制度是否合理的判定标准是土壤氮转化过程控制的无机氮形态、区域气候条件、作物喜好的氮形态之间的匹配性。匹配程度高,既能提高氮肥利用率,减少氮素的环境风险,而且可以增加作物产量。反之则否。水稻的N肥利用率普遍低于旱地,反硝化过程对水稻田氮损失有重要贡献,为提高N肥利用率、降低N损失带来的环境风险,人们提出了许多N肥管理措施,如新型肥料、“前氮后移”技术等。在已有氮转化研究的基础上,我们推测土壤N转化过程,特别是硝化-反硝化耦合过程,对水稻田反硝化N损失和N肥利用率有重要的调控作用。本研究选取两种不同pH 土壤(4.9和7.8),采用盆栽试验,研究了施用不同形态N肥(15NH4+-N或15NO3--N)条件下水稻N吸收率、15N回收率以及N损失率,以验证水稻种植条件下土壤N转化过程特点对氮肥利用率(NUE)和N损失的调控作用。研究结果表明,无论是60%WHC或水稻淹水种植条件下,酸性土壤(JX)的硝化速率均明显低于碱性土壤(SC)。施用15NH4+-N后,JX 土壤溶液中的NH4+-N滞留时间比SC 土壤更长,这主要是两种土壤硝化速率不同引起的。在相同的水稻生长阶段,15NH4+-N处理JX水稻的15N吸收率(29～78%)显著高于SC(22～54%),而N损失(17～22%)显著低于SC(20～34%)。但15NO3--N处理中两种土壤水稻的15N吸收和N损失量之间没有显著差异,说明硝化速率是调控水稻土壤NUE和反硝化过程N损失的重要因素,从这一角度来看,水稻更适合在酸性土壤种植。不同施N水平的水稻盆栽试验结果也表明,要获得相同吸氮量,碱性土壤要比酸性土壤施用更多的N肥,同时伴随着更高的N损失。本研究结果进一步验证了土壤氮转化过程特点、作物氮喜好、环境条件耦合对于优化氮肥管理措施或制定农业指导方针的作用。在盆栽试验结果的基础上,为了更好地探讨农田土壤氮素调控措施,以四川碱性紫色土和江西红壤长期定位施肥试验土壤为研究对象,采用15N成对标记技术结合数值模型,研究长期不同施肥措施下,土壤氮转化过程特点及其与作物产量和损失量的关系。结果表明,四川紫色土长期施肥可以显著提高土壤氮素初级矿化速率,这主要归因于长期施肥后土壤有机碳、氮含量的提高。农作物产量和吸氮量与土壤氮素初级矿化速率呈显著正相关关系。施肥处理均显著激发了初级硝化速率,单施有机肥(OM),有机肥-化肥配施(OM-NPK),化肥平衡施用(NPK)和秸杆-化肥配施(RSD-NPK)处理间无显著差异,但均显著高于秸秆还田(RSD)处理(p 0.05)。土壤氮素初级硝化速率与壤中流氮损失量、径流氮损失量呈显著正相关关系。不同处理间NH4+-N同化速率/总NH4+-N消耗速率比明显不同,其大小顺序为:NPK 对照 OM OM-NPK RSD-NPK RSD(p 0.05)。施用有机肥可以刺激初级NH4+同化速率,增加与硝化细菌竞争底物(NH4+)的能力,进而减少土壤中NO3-的积累。除RSD处理外,有机肥部分或完全替代化肥在维持高产的同时也可以降低氮损失。因此,基于本研究得出的氮素初级转化速率的结果,中国亚热带紫色土地区的最佳施肥方式为有机无机配施。对于江西红壤的研究也表明,农作物产量与土壤氮素初级矿化速率呈显著正相关关系,N2O排放和NO3--N淋溶量与初级硝化速率均呈显著正相关关系。因此,初级矿化过程和初级硝化过程是实现农业生产增产减排的主要调控对象。这些研究结果将有助于深入认识土壤保氮机制及其关键影响因素,为根据土壤氮转化过程特点及作物氮形态喜好进行氮肥管理提供科学依据。
【图文】：

示踪模型,转化速率,土壤氮素

逡逑ｌ0Ｍ＿，邋ＮＨ４＋－Ｎ吸附（图１．１）。这些速率均符合０级或１级动力学方程。基于逡逑动力学的设置和最终的参数，Ｎ素转化速率为培养期的平均值，单位为ｍｇ邋Ｎ逡逑ｋｇ＇１邋ｄ＿Ｉ0逡逑Ｎｋｂ邋逦１逦｜逦邋Ｎｒｅｃ邋＜逡逑￣Ｉ逦Ｍ、ｌａｂ邋Ｍｙｒｅｃ邋＼逦Ｊｙ0３逡逑ｈｌ！４＿ｙｉａｂ逦｜逦｜逦ｈｍ＿Ｘｒｅｃ逡逑ＡＸＨ４逦ｔ逦ｔ逡逑Ｉ逦Ｄ逦逦邋Ｄ邋Ｘ０３邋逦逡逑逦ｉ逦邋Ｋ＼Ｈ４逡逑ＮＨ４－ａｄｓ邋ｐ逡逑图１．１邋土壤氮素初级转化速率的１５Ｎ示踪模型。Ｎｌａｂ，邋土壤不稳定性有机氮；Ｒｅｅ，土逡逑壤稳定性有机氮；ＮＨＡ邋土壤铵态氮；ＮＣＶ，邋土壤硝态氮；ＮＨ４＋ａｄｓ，吸附态铵态氮逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｉ５Ｎ邋ｔｒａｃｉｎｇ邋ｍｏｄｅｌ邋ｆｏｒ邋ａｎａｌｙｓｉｓ邋ｏｆ邋ｇｒｏｓｓ邋ｓｏｉｌ邋Ｎ邋ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｒａｔｅｓ．邋Ｎｉａｂ，ｓｏｉｌｌａｂｉｌｅ逡逑ｏｒｇａｎｉｃ－Ｎ；邋Ｎｒｅｃ，ｒｅｃａｌｃｉｔｒａｎｔ邋ｏｒｇａｎｉｃ－Ｎ；邋ＮＨＵ＋，邋ｓｏｉｌ邋ＮＨ４＋－Ｎ；邋ＮＯ３％邋ｓｏｉｌ邋Ｎ0３、Ｎ；邋ＮＨ４＋ａｄｓ，邋ＮＨＵ＋－Ｎ逡逑ａｄｓｏｒｂｅｄ邋ｏｎ邋ｃａｔｉｏｎ邋ｅｘｃｈａｎｇｅ邋ｓｉｔｅｓ逡逑１．４长期培肥措施对农田土壤氮素关键转化过程的调控逡逑氮是植物生长的关键限制因子，施用氮肥是提高作物产量的重要措施。但逡逑是，当氮肥投入超过农作物和土壤微生物对氮的需求时，不仅对提高产量无逡逑益

农作物秸秆,有机无机配施,矿化速率,硝化速率

逦第１章绪论逦逡逑底物（Ｍｏｒｖａｎｅｔａｌ．，１９９６）。而农作物秸秆Ｃ／Ｎ比通常较高，微生物从土壤中吸收逡逑更多的无机氮来满足自身生长需要，致使农作物秸秆施入促进了氮同化并导致自逡逑养硝化的底物减少（Ｋｈａｌｉｌ邋ｅｔ邋ａｌ．，，邋２００５），农作物秸秆处理的ＮＨ４＋－Ｎ同化／总ＮＨ４＋－逡逑Ｎ消耗比值大于动物粪肥处理也证实了上述观点（Ｗａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１５）。逡逑＿Ｍｉｎｅｒａｌ邋ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ逡逑
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S153

【参考文献】