有机替代对菜园土壤温室气体排放和氮转化的影响

发布时间：2020-04-10 13:11

【摘要】：农业有机物料替代部分化肥及其替代后对耕地质量和作物产量的影响是目前农业科学工作者的研究重点。菜地生态系统具有复种指数高、灌水频繁、施肥量大(尤其是氮肥的高投入)等特点,全年的施氮量600-1300 kg·hm~(-2),是粮食农作物的3-4倍,加速了土壤氮素循环的各个过程的发生;不仅会增加土壤温室气体的排放,也会导致菜地生态系统中氮素盈余,造成土壤硝态氮的累积,同时也会伴随土壤酸化、土壤结构退化、土壤养分失衡、微生物(特别是涉氮功能微生物)群落结构及功能失调等情况发生。外源有机物料的投入是减少化肥施用量,改善土壤质量的重要途径之一,但有机物料还田对土壤温室气体排放、土壤氮形态及其微生物作用机制的研究结果存在差异。此外,由于我国菜地温室气体排放的田间观测资料的缺乏以及已有研究结果的不一致性,导致我国农田土壤温室气体排放总量的估算存在较大的不确定性。因此,在菜园土壤中开展农业有机物料替代部分化肥的研究,不仅可以改善因施用化肥带来的生态环境问题,控制化肥投入以缓解农田土壤温室气体排放具有重要的意义,而且还能大幅度提高我国农业废弃物资源化利用,响应国家提出的“到2020年,实现化肥零增长”的行动目标,为支撑生态文明建设提供技术保障。本研究以紫色菜园土壤为研究对象,通过田间试验,采用静态箱/气相色谱法,连续监测了2016-2018年间(莴笋(Ⅰ)-卷心菜-辣椒-莴笋(Ⅱ)-小白菜轮作)秸秆与化肥减量配施下(CK:对照;F:常规施肥;玉米秸秆分别配施100%,70%,60%和50%常规施肥量,标记为FS,0.7FS,0.6FS和0.5FS)菜园土壤N_2O、CO_2和CH_4温室气体排放的时序变化特征,并进一步对比了来自不同农业系统的有机物料包括玉米秸秆(SF)、菌渣(MF)、生物炭(BF)和牛粪(CF)等养分(氮、磷、钾)还田对温室气体排放的影响;同时运用室内分析和田间试验相结合的方法,分析了有机替代下土壤不同氮素形态、养分含量的动态变化特征和蔬菜养分含量、品质,并计算氮、磷、钾肥的农学利用率;从团聚体的角度,分析了有机替代处理的团聚体稳定性及不同粒级团聚体中矿质氮的分布特征;基于DNA克隆测序、qPCR技术和高通量测序技术,从微生物学角度,进一步探讨土壤硝化、反硝化功能微生物(AOA、AOB、nirK、nirS、nosZ)群落结构与丰度特征对化肥减量配施有机物料的响应,揭示有机替代对土壤氮转化的微生物学作用机制;以期通过有机物料替代部分化肥,为紫色菜园土壤养分管理及土壤耕地质量的提升提供理论依据和技术支撑,对促进我国农业节本增效、节能减排的现实需求有重要意义。论文主要的研究结论如下:(1)施肥灌水促进了菜园土壤温室气体排放,在常规化肥的基础上减量30%配施秸秆,在未显著影响蔬菜产量的条件下,可以降低菜园土壤CO_2和CH_4排放,缓解温室气体的增温潜势,但对N_2O减排效果不显著。试验观测期内(2016年11月至2018年2月),紫色菜园土壤N_2O、CO_2和CH_4温室气体排放高峰主要集中在4-8月,且在施肥灌水后均会出现排放峰,与水热因子密切相关。与常规施肥(F)处理相比,秸秆与化肥配施(FS、0.7FS、0.6FS、0.5FS)处理提高了N_2O排放量,累积排放量以及N_2O排放系数,其中FS处理的效果最为明显,试验期内N_2O平均排放通量高达65.45 kg·hm~(-2)。0.7FS处理降低了土壤CO_2和CH_4排放,缓解温室气体的增温潜势(GWP),而FS处理的GWP较F处理显著提高了34.1%。秸秆与化肥减量配施对各季蔬菜产量的影响不显著,通过计算温室气体排放强度(GHGI)发现,F和0.7FS处理的GHGI最低,明显低于其他处理,而FS处理的最高,较最低的F和0.7FS处理均显著增加了0.117 kg·kg~(-1)。(2)有机物料等养分(氮、磷、钾)还田条件下,生物炭、秸秆配施化肥处理相较于其他处理能减少温室气体的增温潜势,菌渣配施化肥对CH_4减排效果较为明显,而牛粪配施化肥会增加温室气体排放。试验期内,来源于不同农业系统的有机物料等养分投入的条件下,生物炭配施化肥(BF)处理较常规施肥(F)处理降低了N_2O排放,但平均排放通量差异不显著,牛粪配施化肥(CF)处理则显著增加了N_2O排放,试验期内平均排放通量为48.99kg·hm~(-2)。对土壤CO_2而言,有机物料配施化肥处理促进了CO_2排放(76488-89787 kg·hm~(-2)),但BF处理推迟了CO_2排放峰。在等养分投入下,秸秆(SF,-0.45 kg·hm~(-2))、菌渣(MF,-0.91 kg·hm~(-2))配施化肥处理促进了CH_4吸收,减少CH_4排放,CF处理则显著增加了CH_4平均排放通量。各有机物料处理较对照CK和F处理均提高了GWP,其中CF较F处理显著提高了34.4%,但有机物料等养分还田处理均可以在未影响蔬菜产量的前提下较对照CK降低了GHGI。(3)有机物料与化肥减量配施处理较常规施肥处理降低了N_2O排放和硝态氮淋溶的风险;在一定程度上提高了氮、磷、钾肥的农学利用率。试验期内,施肥灌水增加了菜园土壤矿质态氮(NH_4~+、NO_3~-和NO_2~-)含量,而NO_3~-的峰值较NH_4~+略有推迟。同时土壤NH_4~+和NO_3~-存在“此消彼长”关系,一般温度较高,含水量较少的条件下,土壤中矿质态氮以NO_3~-为主。F处理的土壤NH_4~+、NO_3~-和NO_2~-含量并不低甚至高于其他物料处理,增加了N_2O排放和硝态氮淋溶的风险。土壤DON和MBN也存在“此消彼长”的关系,且土壤温度对其影响较大,BF处理能有效增加土壤DON含量,秸秆配施60%-100%化肥较其他物料处理能有效提高土壤MBN含量。与秸秆还田相比,BF、MF和CF处理提高了SOC含量。在不显著影响蔬菜的产量条件下,有机物料配施化肥处理的蔬菜硝酸盐含量并未超过国家规定的标准,且较F处理能提高氮、磷、钾肥的农学利用率,但部分处理降低了农学利用率,这与有机物料的不同物质组成、C/N比、分解速率等因素有关,有待进一步研究。(4)牛粪与化肥配施处理较其他处理能提高菜园土壤团聚体稳定性,施肥处理提高了粉粘粒和较大团聚体的铵态氮贡献率,秸秆与化肥减量配施处理较其他物料处理提高了较大团聚体的硝态氮贡献率。对比不同处理下菜园土壤团聚体粒径分布及其稳定性发现,与对照CK相比,各施肥处理有效增加了0.25-2 mm粒径团聚体质量百分比,减少了0.053 mm粒径组分质量百分比;其中CF处理较其他处理可以有效提高2 mm粒径团聚体质量百分比,减少0.053 mm粒径团聚体质量百分比,同时提高了团聚体的稳定性。各施肥处理的NH_4~+和NO_3~-主要分布在0.053 mm粒径中,其中F处理有利于2 mm粒径中NH_4~+(23.86mg·kg~(-1))和NO_3~-(24.73 mg·kg~(-1))富集。对不同团聚体粒级NH_4~+贡献率而言,各施肥处理提高了0.053和0.25-2 mm粒径团聚体的NH_4~+贡献率,尤其是0.053 mm的贡献率(超过了75%),其中MF处理的0.053 mm粒径的NH_4~+贡献率最大,为93.81%。对不同团聚体粒级NO_3~-贡献率而言,秸秆与化肥减量配施较其他物料处理有利提高0.25-2 mm粒径团聚体的NO_3~-贡献率,而除牛粪外的其他物料处理主要提高了0.053 mm粒径的NO_3~-贡献率。(5)有机物与化肥减量配施处理降低了菜园土壤AOA amoA基因拷贝数,提高了AOB amoA基因拷贝数;秸秆与化肥减量配施处理的AOA和AOB群落结构明显不同于其他物料处理。菜园土壤氨氧化微生物(AOA、AOB)丰度及群落结构对不同施肥方式的响应存在差异。该试验条件下,土壤AOB amoA基因拷贝数远高于AOA,但二者对不同环境因子的耐受性和生态位存在显著差异。F处理的AOA amoA基因拷贝数最多(5.09×10~4 copies·g~(-1)),而AOB amoA基因拷贝数最少(1.36×10~5 copies·g~(-1))。在秸秆还田的基础上,化肥减量30%-40%有效提高了紫色菜园土壤AOA和AOB amoA基因多样性,但FS处理相对于其他处理降低了AOA和AOB amoA基因的多样性。施肥处理能显著改变AOB的群落结构,秸秆与化肥减量配施处理的AOA和AOB群落结构明显不同于其他物料处理。除土壤氮素外,土壤磷素和钾素,尤其是速效养分成为影响该试验条件下紫色土氨氧化微生物群落结构变化的重要因素。此外SOC和pH对AOB群落结构分布起到重要作用,土壤NH_4~+和C/N对AOA群落结构分布起到重要作用。(6)有机物料的添加提高了菜园土壤nirS和nirK基因多样性;无外源碳、氮添加的条件下,土壤C/N比对nirS-型反硝化微生物群落结构影响最大,土壤pH、SOC、土壤氮素、水分含量是影响nirS-、nirK-和nosZ-型反硝化微生物群落分布的主要因素。对反硝化微生物(nirS-、nirK-和nosZ-型)而言,0.6FS处理较F处理均提高nirK-和nosZ-型反硝化微生物的基因拷贝数,分别增加了24.6%和12.9%。0.6FS和BF处理对nirS和nirK基因多样性提升效果较为显著;施肥处理对nosZ基因多样性的影响较大,其中仅SF处理较对照CK降低了nosZ基因多样性。对nirS基因进行高通量测序发现,Alphaproteobacteria较Betaproteobacteria对施肥响应较大,Bradyrhizobium是F处理乃至整个nirS-型微生物群落组成的优势菌属,在反硝化过程中起到了关键性的作用。构建系统发育树发现,nirK-型反硝化微生物与Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria具有同源性,nosZ-型反硝化微生物与Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria具有同源性。土壤TN对BF处理的nirS-型反硝化微生物群落变化的影响最大,土壤DON对MF和SF处理的nirS-型反硝化微生物群落变化的影响最大;土壤NH_4~+对F处理的nirK-型反硝化微生物群落变化影响最大;土壤pH对BF处理的nosZ-型反硝化微生物群落结构影响较大;总体上,nirS-、nirK-和nosZ-型反硝化微生物群落分布受土壤pH、SOC、土壤氮素、水分含量的影响较大,同时土壤磷素和钾素也能影响其群落分布。综述所述,菜园土壤温室气体的排放具有一定的季节变化规律,排放高峰主要集中在4-8月且在施肥灌水后均出现了排放峰,与水热条件密切相关。常规化肥减量30%配施秸秆处理降低了菜园土壤CO_2和CH_4排放量,减少了温室气体的增温潜势,但对N_2O减排效果不显著;等养分投入的条件下,生物炭、秸秆配施化肥处理较其他物料处理能减少温室气体的增温潜势。在未影响蔬菜产量下,有机物料与化肥减量配施减少了温室气体排放强度,在一定程度上提高了氮、磷、钾肥的农学利用率。来自不同农业系统的有机物料对菜园土壤涉氮功能微生物(AOA、AOB、nirK、nirS、nosZ)群落结构与丰度的影响各异,秸秆与化肥减量配施处理的AOA和AOB群落结构明显不同于其他物料处理;速效养分成为抑制该试验条件下紫色土AOA和AOB群落结构发展的原因;土壤pH、SOC、土壤氮素、水分含量能显著影响nirS-、nirK-和nosZ-型反硝化微生物群落结构。
【图文】：

氮循环,陆地生态系统

西南大学博士学位论文（Galloway et al., 2008；Gruber et al., 2008；Gu et al., 2015；张卫峰等，2013）。环并非独立地存在，而是处在高度动态循环中（周志华等，2004）。王洪媛等（，在农田生态系统氮循环过程中，土壤 N2O 排放、氮肥利用、硝化反应、铵态的吸附以及微生物的氮素固持等过程一直是农业生产、农业面源污染防治、温室领域关注的重点。人工固氮

土壤氮素,转化过程,过程

第 1 章文献综述NO3-的过程（DeBoerandKowalchuk，2001）。氨氧化过程是硝化反应过程的第一步，也是限速反应，是 NH4+在氨单加氧酶（AMO）和羟氨氧化还原酶（HAO）作用下氧化成 NO2-的过程。传统上认为反硝化作用是在厌氧条件下，活性氮（NO3-、NO2-）还原成 N2O 和 N2的过程（Gallowayetal.,2004；Philippotetal.,2009）。由于微生物生理过程及氧气条件的差异，可将反硝化过程进一步分为同化还原、异化还原、呼吸性反硝化和非呼吸性反硝化过程（殷士学和沈其荣，2003），在异化还原过程中根据产物不同亦可以分为以 N2O、N2为产物的反硝化过程（Denitrification）和以 NH4+为产物的硝态氮异化还原氨过程（Dissimilatorynitratereduction to ammonium，DNRA）（Canfield et al., 2010；杨杉等，2016）。DNRA 过程主要是NO3-在硝态氮还原酶（Nar）的催化下还原成 NO2-，继而在亚硝态氮盐还原酶（Nir）催化下最终还原成 NH4+的过程，该过程可以缓解 NO3-淋失（Stevens and Laughlin，1998；Stevensetal.,1998）。对各个氮素转化过程而言，硝化过程是生物固氮、氨化过程和反硝化过程的中间关键环节，它与不同氮转化过程的偶联作用，共同决定土壤生态系统中氮的平衡和归势（贺纪正和张丽梅，2013）。消耗 H+有机肥料N2氨化过程
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154.1;S63

【参考文献】