农业管理方式对亚热带土壤氮转化过程的影响

发布时间：2017-06-16 04:13

  本文关键词：农业管理方式对亚热带土壤氮转化过程的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：土壤氮素是地球生物化学循环中最重要的营养元素,土壤氮转化过程与氮素环境风险和氮肥利用率息息相关。农业耕作改变土壤理化性质和生物学特性,影响土壤氮素转化过程,破坏土壤的保氮机制,提高氮素环境风险。在高温多雨的气候条件下,亚热带地区土壤保氮机制的破坏可能带来更为严峻的环境风险。然而,农业管理方式对土壤氮转化过程的影响及土壤保氮机制的破坏过程仍不够明确。开展农业管理方式对土壤氮素转化过程影响的相关研究,一方面可以为减少氮肥损失和制定提高氮肥利用率的对策提供依据,另一方面可为氮肥使用的环境安全性评价提供参考；无论从农业生产的角度,还是从环境保护的角度都具有十分重要的意义。为了明确农业耕作对土壤氮转化过程的影响,本研究以亚热带地区不同种植年限果园土壤为研究对象,以相邻林地土壤为对照,在室内培养条件下分别采用Bremner有机氮分级方法和15N稳定同位素稀释法,结合Markov Chain MonteCarlo优化数值模型(MCMC模型),研究不同种植年限果园土壤有机氮组分结构及氮转化过程的变化特征。结果表明,(1)耕作30年范围内果园土壤有机碳和全氮含量随种植年限的延长而显著增加,增加的氮量在酸解未知态氮、非酸解性氮、氨态氮、氨基酸氮和氨基糖氮中的分配比例分别为38.9%、25.7%、20.5%、9.9%和4.9%；随着种植年限的延长,土壤有机氮组分中非酸性氮比例呈上升趋势,氨态氮和酸解未知态氮比例呈下降趋势,各有机氮组分比例的大小顺序也随之发生变化。(2)虽然果园土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)含量随种植年限的延长而提高,但由于土壤酸化,降低难矿化有机氮矿化过程初级转化速率,导致土壤无机氮供应能力(NS)并没有随有机碳和全氮含量的提高而增强,造成有机碳和全氮含量较高的果园土壤仍需要施用大量的化学氮肥来维持果树产量和水果品质。林地开垦为果园后,农业耕作刺激土壤氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)生长,开垦后前10年amoA基因拷贝数随种植年限的延长而显著增加,并导致土壤硝化能力(总硝化速率和总矿化速率的比值)以米氏方程增长方式随种植年限的延长而提高。这种刺激效应开垦后前10年最为明显,而后逐渐降低,但持续到30年仍然存在。由于硝化能力的提高,林地土壤中无机氮以铵态氮为主,开垦为果园后变为以硝态氮为主,硝态氮的淋失(或流失)风险随之提高。农业耕作过程中最显著的特征是化学肥料和有机肥的大量施用。因此,肥料施用可能是土壤有机氮组分和氮转化过程随种植年限变化的主要原因。为了明确施肥与土壤氮转化过程的关系,本研究以30年不同施肥处理定位试验土壤(水稻)为研究对象,调查施肥措施对土壤有机氮组分和氮转化过程的影响。长期定位试验始于1983年,4个处理分别为不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、牛粪与化肥配施(NPKM)和稻草与化肥配施(NPKS)。结果表明,与CK处理相比,长期施用不同肥料均提高耕层土壤全氮和有机碳含量。牛粪/稻草与化肥配施处理土壤全氮含量显著高于NPK处理,但是不同种类有机肥与化肥配施所增加有机氮的组分有明显差异；其中NPKM处理所增加的有机氮有60.0%为酸解性氮,而NPKS处理中所增加的有机氮有71.7%为非酸解性氮。与此相对应,NPKM处理刺激易矿化有机氮库矿化过程,NPKS处理提高难矿化有机氮矿化过程初级转化速率。有机氮异养硝化过程初级转化速率很低,土壤无机氮主要由有机氮矿化过程提供。NPKM和NPKS处理均提高土壤无机氮供应能力,NPKM处理中易矿化有机氮库矿化过程是产生无机氮的主要途径,其贡献率达到81.9%；而NPKS处理土壤中71.5%的无机氮由难矿化有机氮库产生。各处理的氨氧化细菌amoA基因拷贝数没有明显差异,但NPKM处理的氨氧化古菌amoA基因拷贝数显著高于NPKS处理。氨氧化古菌amoA基因拷贝数与自养硝化速率呈极显著线性关系。与CK处理相比,NPKM处理显著提高土壤自养硝化速率,增加土壤硝态氮流失风险；而NPKS处理促进土壤无机氮供应,抑制土壤硝化过程,降低硝态氮淋失风险。综合上面2个氮转化过程分析试验结果表明,随着SOC和TN含量的提高,果园土壤无机氮供应能力并没有随之变化,而水田土壤无机氮供应能力显著提高。果园土壤与水田土壤最大的区别在于水分管理方式不同。因此,我们假设,不同水分管理方式下土壤氮转化过程对施肥措施的响应不同。为了验证以上假设,本研究以水-旱轮作系统定位试验土壤为研究对象,采集旱作季和淹水季土壤,分别在好氧和厌氧条件下,采用15N同位素示踪技术研究不同水分含量条件下土壤氮转化过程的差异。结果表明,与旱作条件相比,淹水条件改变土壤氮转化过程初级转化速率,形成水田土壤独特的内在保氮机制。淹水提高土壤有机氮矿化和铵态氮同化过程初级转化速率；矿化过程为水稻生长提供充足的铵态氮,较高的铵态氮同化过程初级转化速率又可将多余的铵态氮转化为有机氮,保存于土壤中。此外,淹水条件降低土壤铵态氮硝化过程初级转化速率,提高土壤硝态氮异化还原过程初级转化速率,将多余硝态氮转化为铵态氮,并通过铵态氮同化过程转化为有机氮保存于土壤中,减少无机氮流失风险。为了验证室内模拟试验结果,评估氮转化过程在土壤无机氮流失过程中的调控作用,本研究在田间原位条件下监测水-旱轮作系统中不同施肥措施土壤铵态氮和硝态氮流失规律。结果表明,旱作季土壤硝态氮流失量随施氮量的增加而提高,且与土壤铵态氮自养硝化过程初级转化速率呈显著正相关,与铵态氮同化过程初级转化速率呈显著负相关。这一结果说明铵态氮硝化和同化过程是旱作季土壤硝态氮流失的内在控制因素,而淹水季无机氮流失与土壤氮转化过程关系不明显。综上所述,土地利用方式、化肥和有机肥、水分管理方式等农业管理措施是土壤氮转化过程的主要影响因素。其中林地开垦为农业用地、化肥和牛粪施用等措施刺激土壤铵态氮自养硝化过程,提高土壤硝态氮流失风险。旱作土壤中铵态氮硝化和同化过程是硝态氮流失的内在调控因素；与旱作土壤相比,水田土壤具有较好的内在保氮机制。
【关键词】：Markov Chain Monte Carlo优化数值模型 氮素初级转化速率 保氮机制 种植年限 有机肥 氮素径流损失
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S153
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-19
• 第1章 绪论19-41
• 1.1 引言19-21
• 1.2 文献综述21-37
• 1.2.1 翻耕对土壤有机氮含量的影响21
• 1.2.2 土壤有机氮含量及其组分结构特征与氮转化速率的关系21-22
• 1.2.3 土地利用方式对土壤氮转化过程的影响22-25
• 1.2.4 有机肥对土壤氮转化过程的影响25-29
• 1.2.5 氮肥对土壤氮转化过程的影响29-30
• 1.2.6 水分管理方式对土壤氮转化过程的影响30-31
• 1.2.7 土壤氮转化过程对氮损失的调控作用及其影响因素31-33
• 1.2.8 土壤氮转化过程研究方法33-37
• 1.3 本研究概述37-41
• 1.3.1 本研究切入点37-38
• 1.3.2 主要研究内容38-40
• 1.3.3 本研究技术路线40-41
• 第2章 果园土壤有机氮组分随种植年限的变化特征41-48
• 摘要41
• 2.1 前言41
• 2.2 材料与方法41-43
• 2.2.1 研究区域概况41-42
• 2.2.2 土壤样品采集42
• 2.2.3 样品分析方法42
• 2.2.4 数据统计与分析42-43
• 2.3 结果与分析43-45
• 2.3.1 果园土壤有机氮组分随种植年限的变化规律43-44
• 2.3.2 不同耕作年限果园土壤有机氮组分结构变化规律44-45
• 2.4 讨论45-46
• 2.5 结论46-48
• 第3章 果园土壤氮转化随种植年限的变化特征48-62
• 摘要48
• 3.1 前言48-49
• 3.2 材料与方法49-51
• 3.2.1 研究区域概况及土壤样品采集方法49
• 3.2.2 ~(15)N同位素示踪试验49
• 3.2.3 样品分析方法49-51
• 3.2.4 数据统计与分析51
• 3.3 结果与分析51-58
• 3.3.1 种植年限对果园土壤理化性质的影响51-53
• 3.3.2 种植年限对土氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)的影响53-54
• 3.3.3 不同种植年限果园土壤NH_4~+产生与消耗过程变化特征54-56
• 3.3.4 种植年限对果园土壤NO_3~-产生与消耗过程的影响56-58
• 3.4 讨论58-61
• 3.4.1 不同种植年限果园土壤无机氮供应能力变化规律58-60
• 3.4.2 种植年限对果园土壤硝化过程的影响60-61
• 3.5 结论61-62
• 第4章 长期施肥模式对土壤有机氮组分的影响62-69
• 摘要62
• 4.1 前言62-63
• 4.2 材料与方法63
• 4.2.1 试验处理63
• 4.2.2 土壤样品采集与分析63
• 4.2.4 数据统计与分析63
• 4.3 结果与分析63-66
• 4.3.1 长期施用不同肥料对土壤全氮、酸解性氮和非酸解性氮的影响63-65
• 4.3.2 长期施用不同肥料对土壤酸解性氮组分的影响65-66
• 4.4 讨论66-67
• 4.5 结论67-69
• 第5章 长期施肥模式对土壤氮转化速率的影响69-79
• 摘要69
• 5.1 前言69-70
• 5.2 材料与方法70-71
• 5.2.1 研究区域概况70
• 5.2.2 ~(15)N同位素示踪试验70
• 5.2.3 样品分析与数据统计方法70-71
• 5.3 结果与分析71-75
• 5.3.1 不同施肥处理对土壤理化性状的影响71
• 5.3.2 不同施肥处理对土壤氨氧化细菌和古菌的影响71-73
• 5.3.3 不同施肥处理对土壤氮转化过程的影响73-75
• 5.4 讨论75-78
• 5.4.1 长期施用不同肥料对土壤无机氮供应能力的影响75-77
• 5.4.2 长期施用不同肥料对土壤硝化过程的影响77-78
• 5.5 结论78-79
• 第6章 水分管理方式对土壤氮转化速率的影响79-93
• 摘要79
• 6.1 前言79
• 6.2 材料与方法79-82
• 6.2.1 研究区域概况79-81
• 6.2.2 土壤样品采集81
• 6.2.3 ~(15)N同位素示踪试验81
• 6.2.4 样品分析方法81
• 6.2.5 数据统计与分析81-82
• 6.3 结果与分析82-89
• 6.3.1 不同水分管理方式对土壤理化性状的影响82-85
• 6.3.2 不同水分含量条件下土壤氮转化过程对施肥处理的响应85-86
• 6.3.3 不同水分含量对土壤氮转化过程的影响86-89
• 6.4 讨论89-92
• 6.4.1 不同水分含量条件下土壤氮转化过程对施肥措施的响应89-90
• 6.4.2 淹水条件下土壤的保氮机制90-92
• 6.5 结论92-93
• 第7章 土壤氮转化过程对无机氮损失的调控作用93-101
• 摘要93
• 7.1 前言93-94
• 7.2 材料与方法94-95
• 7.2.1 研究区域概况94
• 7.2.2 样品采集94
• 7.2.3 样品分析方法94
• 7.2.5 数据统计与分析94-95
• 7.3 结果与分析95-99
• 7.3.1 不同施肥处理对土壤氮地表径流损失的影响95-97
• 7.3.2 不同施肥处理氮流失与土壤氮转化过程的关系97-99
• 7.4 讨论99-100
• 7.5 结论100-101
• 第8章 全文总结101-104
• 8.1 全文总结101-102
• 8.2 本研究的创新点102
• 8.3 本研究的不足与展望102-104
• 8.3.1 本研究的不足之处102-103
• 8.3.2 展望103-104
• 参考文献104-125
• 附录125-126
• 在读期间获得资助的斜研项目126-127
• 在读期间发表的学术论文及研究成果127-128
• 致谢128-129

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：454385