土壤氮轉(zhuǎn)化過程對(duì)氮去向的調(diào)控作用.pdf

1、在氮生物地球化學(xué)循環(huán)中，土壤具有“調(diào)配器”的作用。深入研究土壤氮轉(zhuǎn)化過程驅(qū)動(dòng)的土壤氮“調(diào)配器”作用，對(duì)于認(rèn)識(shí)氮生物地球化學(xué)循環(huán)的空間和時(shí)間差異，合理施用氮肥，制訂氮污染控制對(duì)策等具有重要的意義。本研究選取中國(guó)不同區(qū)域具有代表性的自然生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究了土壤氮轉(zhuǎn)化過程調(diào)控陸地生態(tài)系統(tǒng)徑流中氮形態(tài)的機(jī)制;并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合已經(jīng)取得的亞熱帶土壤氮轉(zhuǎn)化特點(diǎn)研究成果，以15N成對(duì)標(biāo)記結(jié)合模型數(shù)值優(yōu)化分析方法測(cè)定土壤氮初級(jí)轉(zhuǎn)化速率為基本手段，

2、研究了土壤氮轉(zhuǎn)化過程特點(diǎn)與土壤無(wú)機(jī)氮形態(tài)組成和氮去向的關(guān)系，探討了土壤氮轉(zhuǎn)化過程與作物氮形態(tài)喜好耦合程度對(duì)氮肥利用率、作物生長(zhǎng)及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響，研究了水稻土硝化速率與反硝化氮損失的關(guān)系;在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)農(nóng)田土壤氮素調(diào)控措施進(jìn)行了初步探討。
　　徑流N損失可以影響自然生態(tài)系統(tǒng)的N素有效性、生產(chǎn)力和C存儲(chǔ)量，因此闡明陸地生態(tài)系統(tǒng)徑流N損失的數(shù)量和形態(tài)組成及其主要調(diào)控因子具有重要的意義。土壤氮徑流輸出與氮形態(tài)有密切的關(guān)系，

3、NH4+-N容易被土壤吸附，而NO3--N極易隨水遷移，因此，一般認(rèn)為自然生態(tài)系統(tǒng)徑流中的溶解性氮以NO3--N為主。但是，大量的觀測(cè)結(jié)果卻表明，不同的自然生態(tài)系統(tǒng)徑流中氮形態(tài)存在明顯的差異，有的以NO3--N為主，有的則以溶解有機(jī)氮(DON)占主導(dǎo)。為什么人為擾動(dòng)較小的自然生態(tài)系統(tǒng)徑流中氮形態(tài)有如此大的區(qū)域差異？本研究選取中國(guó)不同區(qū)域的3個(gè)天然森林系統(tǒng)和1個(gè)天然草地系統(tǒng)為研究對(duì)象，測(cè)定了土壤溶液和溪流中總可溶性N、可溶性有機(jī)氮(DON

4、)、NH4+-N和NO3--N的濃度、土壤理化性質(zhì)和土壤氮素初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，以期明確上述問題。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同自然生態(tài)系統(tǒng)徑流中氮形態(tài)組成存在很大差異。在亞熱帶強(qiáng)酸性森林土壤區(qū)，DON在溪流中占主導(dǎo)地位;而對(duì)溫帶酸性森林、亞熱帶堿性紫色土森林區(qū)域和青藏高原高山草甸區(qū)域而言，NO3--N則是溪流中總可溶性N的主要形態(tài)。不同研究區(qū)溪流中NO3--N濃度的差異很大，變化范圍為0.1～1.6mg NL-1，而DON濃度差異不明顯，NH4+-N濃

5、度也均處于較低水平(均值為0.1mgN L-1)?？梢?，不同區(qū)域溪流中NO3--N濃度變化是導(dǎo)致N形態(tài)組成變化的主要因素。土壤溶液和溪流中NO3--N/總可溶性N的比值均隨初級(jí)自養(yǎng)硝化速率的增加而顯著提高(p＜0.01），表明土壤氮轉(zhuǎn)化特性是調(diào)控徑流中N形態(tài)組成的主要因素，其中硝化作用是主導(dǎo)土壤溶液和徑流中N形態(tài)組成的主要N轉(zhuǎn)化過程。這些結(jié)果為更好地認(rèn)識(shí)陸地生態(tài)系統(tǒng)徑流中N輸出形態(tài)提供了理論依據(jù)。
　　提高作物氮利用率是實(shí)現(xiàn)化肥用

6、量零增長(zhǎng)，降低氮素負(fù)面環(huán)境影響的重要途徑。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要關(guān)注肥料用量、施用時(shí)間、施用位置、新型肥料，以及育種和水分管理等措施，而土壤氮轉(zhuǎn)化過程對(duì)土壤氮形態(tài)的調(diào)控作用和作物對(duì)不同氮形態(tài)的喜好經(jīng)常被忽略。理論上，土壤氮轉(zhuǎn)化過程、作物氮形態(tài)喜好、氣候條件耦合，能夠提高作物氮利用率和減少氮損失。本研究以不同N形態(tài)喜好的作物，即黃瓜（喜硝）、土豆（喜銨）和水稻（喜銨），以及pH不同的土壤（分別為4.9和7.8）為研究對(duì)象，測(cè)定了施入15NH

7、4+-N或15NO3--N在植物和土壤中的回收率，并用15N平衡法計(jì)算N損失率。研究結(jié)果表明，氮肥形態(tài)與作物N形態(tài)喜好的耦合和土壤氮素轉(zhuǎn)化過程特點(diǎn)與作物N形態(tài)喜好的耦合均可顯著影響施入15N的回收率和損失率。施用NH4+-N肥時(shí)，喜銨作物在硝化速率/礦化速率比(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量則在N/M比高的土壤上更多。這些結(jié)果表明，氮轉(zhuǎn)化過程調(diào)控的N形態(tài)與作物N形態(tài)喜好的耦合關(guān)系確實(shí)存在。由此得出，

8、肥料管理措施和種植制度是否合理的判定標(biāo)準(zhǔn)是土壤氮轉(zhuǎn)化過程控制的無(wú)機(jī)氮形態(tài)、區(qū)域氣候條件、作物喜好的氮形態(tài)之間的匹配性。匹配程度高，既能提高氮肥利用率，減少氮素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而且可以增加作物產(chǎn)量。反之則否。
　　水稻的N肥利用率普遍低于旱地，反硝化過程對(duì)水稻田氮損失有重要貢獻(xiàn)，為提高N肥利用率、降低N損失帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，人們提出了許多N肥管理措施，如新型肥料、“前氮后移”技術(shù)等。在已有氮轉(zhuǎn)化研究的基礎(chǔ)上，推測(cè)土壤N轉(zhuǎn)化過程，特別是硝化

9、-反硝化耦合過程，對(duì)水稻田反硝化N損失和N肥利用率有重要的調(diào)控作用。本研究選取兩種不同pH土壤(4.9和7.8)，采用盆栽試驗(yàn)，研究了施用不同形態(tài)N肥(15NH4+-N或15NO3--N)條件下水稻N吸收率、15N回收率以及N損失率，以驗(yàn)證水稻種植條件下土壤N轉(zhuǎn)化過程特點(diǎn)對(duì)氮肥利用率(NUE)和N損失的調(diào)控作用。研究結(jié)果表明，無(wú)論是60％WHC或水稻淹水種植條件下，酸性土壤(JX)的硝化速率均明顯低于堿性土壤(SC)。施用15NH4+-

10、N后，JX土壤溶液中的NH4+-N滯留時(shí)間比SC土壤更長(zhǎng)，這主要是兩種土壤硝化速率不同引起的。在相同的水稻生長(zhǎng)階段，15NH4+-N處理JX水稻的15N吸收率(29～78％)顯著高于SC(22～54％)，而N損失(17～22％)顯著低于SC(20～34％)。但15NO3--N處理中兩種土壤水稻的15N吸收和N損失量之間沒有顯著差異，說明硝化速率是調(diào)控水稻土壤NUE和反硝化過程N(yùn)損失的重要因素，從這一角度來看，水稻更適合在酸性土壤種植。不

11、同施N水平的水稻盆栽試驗(yàn)結(jié)果也表明，要獲得相同吸氮量，堿性土壤要比酸性土壤施用更多的N肥，同時(shí)伴隨著更高的N損失。本研究結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了土壤氮轉(zhuǎn)化過程特點(diǎn)、作物氮喜好、環(huán)境條件耦合對(duì)于優(yōu)化氮肥管理措施或制定農(nóng)業(yè)指導(dǎo)方針的作用。
　　在盆栽試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，為了更好地探討農(nóng)田土壤氮素調(diào)控措施，以四川堿性紫色土和江西紅壤長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)土壤為研究對(duì)象，采用15N成對(duì)標(biāo)記技術(shù)結(jié)合數(shù)值模型，研究長(zhǎng)期不同施肥措施下，土壤氮轉(zhuǎn)化過程特點(diǎn)及其與

12、作物產(chǎn)量和損失量的關(guān)系。結(jié)果表明，四川紫色土長(zhǎng)期施肥可以顯著提高土壤氮素初級(jí)礦化速率，這主要?dú)w因于長(zhǎng)期施肥后土壤有機(jī)碳、氮含量的提高。農(nóng)作物產(chǎn)量和吸氮量與土壤氮素初級(jí)礦化速率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。施肥處理均顯著激發(fā)了初級(jí)硝化速率，單施有機(jī)肥(OM)，有機(jī)肥-化肥配施(OM-NPK)，化肥平衡施用(NPK)和秸桿-化肥配施(RSD-NPK)處理間無(wú)顯著差異，但均顯著高于秸稈還田(RSD)處理(p＜0.05）。土壤氮素初級(jí)硝化速率與壤中流氮損失

13、量、徑流氮損失量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。不同處理間NH4+-N同化速率/總NH4+-N消耗速率比明顯不同，其大小順序?yàn)?NPK＜對(duì)照＜OM＜OM-NPK＜RSD-NPK＜RSD(p＜0.05)。施用有機(jī)肥可以刺激初級(jí)NH4+同化速率，增加與硝化細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)底物(NH4+)的能力，進(jìn)而減少土壤中NO3-的積累。除RSD處理外，有機(jī)肥部分或完全替代化肥在維持高產(chǎn)的同時(shí)也可以降低氮損失。因此，基于本研究得出的氮素初級(jí)轉(zhuǎn)化速率的結(jié)果，中國(guó)亞熱帶紫色土地區(qū)