【摘要】：在氮生物地球化學循環(huán)中,土壤具有“調配器”的作用。深入研究土壤氮轉化過程驅動的土壤氮“調配器”作用,對于認識氮生物地球化學循環(huán)的空間和時間差異,合理施用氮肥,制訂氮污染控制對策等具有重要的意義。本研究選取中國不同區(qū)域具有代表性的自然生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,研究了土壤氮轉化過程調控陸地生態(tài)系統(tǒng)徑流中氮形態(tài)的機制;并以此為基礎,結合已經(jīng)取得的亞熱帶土壤氮轉化特點研究成果,以15N成對標記結合模型數(shù)值優(yōu)化分析方法測定土壤氮初級轉化速率為基本手段,研究了土壤氮轉化過程特點與土壤無機氮形態(tài)組成和氮去向的關系,探討了土壤氮轉化過程與作物氮形態(tài)喜好耦合程度對氮肥利用率、作物生長及生態(tài)環(huán)境效應的影響,研究了水稻土硝化速率與反硝化氮損失的關系;在以上研究結果的基礎上,對農(nóng)田土壤氮素調控措施進行了初步探討。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)有密切的關系,NH4+-N容易被土壤吸附,而NO3--N極易隨水遷移,因此,一般認為自然生態(tài)系統(tǒng)徑流中的溶解性氮以NO3--N為主。但是,大量的觀測結果卻表明,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,有的則以溶解有機氮(DON)占主導。為什么人為擾動較小的自然生態(tài)系統(tǒng)徑流中氮形態(tài)有如此大的區(qū)域差異?本研究選取中國不同區(qū)域的3個天然森林系統(tǒng)和1個天然草地系統(tǒng)為研究對象,測定了土壤溶液和溪流中總可溶性N、可溶性有機氮(DON)、NH4+-N和NO3--N的濃度、土壤理化性質和土壤氮素初級轉化速率,以期明確上述問題。研究結果發(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。在亞熱帶強酸性森林土壤區(qū),DON在溪流中占主導地位;而對溫帶酸性森林、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0.1～1.6mgN L-1,而DON濃度差異不明顯,NH4+-N濃度也均處于較低水平(均值為0.1 mg NL-1)�？梢�,不同區(qū)域溪流中NO3--N濃度變化是導致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的比值均隨初級自養(yǎng)硝化速率的增加而顯著提高 0.01),表明土壤氮轉化特性是調控徑流中N形態(tài)組成的主要因素,其中硝化作用是主導土壤溶液和徑流中N形態(tài)組成的主要N轉化過程。這些結果為更好地認識陸地生態(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現(xiàn)化肥用量零增長,降低氮素負面環(huán)境影響的重要途徑。目前,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要關注肥料用量、施用時間、施用位置、新型肥料,以及育種和水分管理等措施,而土壤氮轉化過程對土壤氮形態(tài)的調控作用和作物對不同氮形態(tài)的喜好經(jīng)常被忽略。理論上,土壤氮轉化過程、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)為研究對象,測定了施入15NH4+-N或15NO3--N在植物和土壤中的回收率,并用15N平衡法計算N損失率。研究結果表明,氮肥形態(tài)與作物N形態(tài)喜好的耦合和土壤氮素轉化過程特點與作物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,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。這些結果表明,氮轉化過程調控的N形態(tài)與作物N形態(tài)喜好的耦合關系確實存在。由此得出,肥料管理措施和種植制度是否合理的判定標準是土壤氮轉化過程控制的無機氮形態(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)境風險,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,反硝化過程對水稻田氮損失有重要貢獻,為提高N肥利用率、降低N損失帶來的環(huán)境風險,人們提出了許多N肥管理措施,如新型肥料、“前氮后移”技術等。在已有氮轉化研究的基礎上,我們推測土壤N轉化過程,特別是硝化-反硝化耦合過程,對水稻田反硝化N損失和N肥利用率有重要的調控作用。本研究選取兩種不同pH 土壤(4.9和7.8),采用盆栽試驗,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,以驗證水稻種植條件下土壤N轉化過程特點對氮肥利用率(NUE)和N損失的調控作用。研究結果表明,無論是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+-N后,JX 土壤溶液中的NH4+-N滯留時間比SC 土壤更長,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,說明硝化速率是調控水稻土壤NUE和反硝化過程N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。不同施N水平的水稻盆栽試驗結果也表明,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,同時伴隨著更高的N損失。本研究結果進一步驗證了土壤氮轉化過程特點、作物氮喜好、環(huán)境條件耦合對于優(yōu)化氮肥管理措施或制定農(nóng)業(yè)指導方針的作用。在盆栽試驗結果的基礎上,為了更好地探討農(nóng)田土壤氮素調控措施,以四川堿性紫色土和江西紅壤長期定位施肥試驗土壤為研究對象,采用15N成對標記技術結合數(shù)值模型,研究長期不同施肥措施下,土壤氮轉化過程特點及其與作物產(chǎn)量和損失量的關系。結果表明,四川紫色土長期施肥可以顯著提高土壤氮素初級礦化速率,這主要歸因于長期施肥后土壤有機碳、氮含量的提高。農(nóng)作物產(chǎn)量和吸氮量與土壤氮素初級礦化速率呈顯著正相關關系。施肥處理均顯著激發(fā)了初級硝化速率,單施有機肥(OM),有機肥-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)。土壤氮素初級硝化速率與壤中流氮損失量、徑流氮損失量呈顯著正相關關系。不同處理間NH4+-N同化速率/總NH4+-N消耗速率比明顯不同,其大小順序為:NPK 對照 OM OM-NPK RSD-NPK RSD(p 0.05)。施用有機肥可以刺激初級NH4+同化速率,增加與硝化細菌競爭底物(NH4+)的能力,進而減少土壤中NO3-的積累。除RSD處理外,有機肥部分或完全替代化肥在維持高產(chǎn)的同時也可以降低氮損失。因此,基于本研究得出的氮素初級轉化速率的結果,中國亞熱帶紫色土地區(qū)的最佳施肥方式為有機無機配施。對于江西紅壤的研究也表明,農(nóng)作物產(chǎn)量與土壤氮素初級礦化速率呈顯著正相關關系,N2O排放和NO3--N淋溶量與初級硝化速率均呈顯著正相關關系。因此,初級礦化過程和初級硝化過程是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)減排的主要調控對象。這些研究結果將有助于深入認識土壤保氮機制及其關鍵影響因素,為根據(jù)土壤氮轉化過程特點及作物氮形態(tài)喜好進行氮肥管理提供科學依據(jù)。
【圖文】：

逡逑ｌ0Ｍ＿，邋ＮＨ４＋－Ｎ吸附（圖１．１）。這些速率均符合０級或１級動力學方程�；阱义蟿恿W的設置和最終的參數(shù)，Ｎ素轉化速率為培養(yǎng)期的平均值，單位為ｍｇ邋Ｎ逡逑ｋｇ＇１邋ｄ＿Ｉ0逡逑Ｎｋｂ邋邐１邐｜邐邋Ｎｒｅｃ邋＜逡逑￣Ｉ邐Ｍ、ｌａｂ邋Ｍｙｒｅｃ邋＼邐Ｊｙ0３逡逑ｈｌ�。矗撸椋幔膺姡姡姡瑁恚撸兀颍澹沐义希粒兀龋催姡暨姡翦义希蛇姡倪娺婂澹腻澹兀埃冲暹婂义线姡檫婂澹耍埽龋村义希危龋矗幔洌箦澹疱义蠄D１．１邋土壤氮素初級轉化速率的１５Ｎ示蹤模型。Ｎｌａｂ，邋土壤不穩(wěn)定性有機氮；Ｒｅｅ，土逡逑壤穩(wěn)定性有機氮；ＮＨＡ邋土壤銨態(tài)氮；ＮＣＶ，邋土壤硝態(tài)氮；ＮＨ４＋ａｄｓ，吸附態(tài)銨態(tài)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長期培肥措施對農(nóng)田土壤氮素關鍵轉化過程的調控逡逑氮是植物生長的關鍵限制因子，施用氮肥是提高作物產(chǎn)量的重要措施。但逡逑是，當?shù)释度氤^農(nóng)作物和土壤微生物對氮的需求時，不僅對提高產(chǎn)量無逡逑益

邐第１章緒論邐逡逑底物（Ｍｏｒｖａｎｅｔａｌ．，１９９６）。而農(nóng)作物秸稈Ｃ／Ｎ比通常較高，微生物從土壤中吸收逡逑更多的無機氮來滿足自身生長需要，致使農(nóng)作物秸稈施入促進了氮同化并導致自逡逑養(yǎng)硝化的底物減少（Ｋｈａｌｉｌ邋ｅｔ邋ａｌ．，，邋２００５），農(nóng)作物秸稈處理的ＮＨ４＋－Ｎ同化／總ＮＨ４＋－逡逑Ｎ消耗比值大于動物糞肥處理也證實了上述觀點（Ｗａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１５）。逡逑＿Ｍｉｎｅｒａｌ邋ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ逡逑
【學位授予單位】：南京師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S153

【參考文獻】

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本文編號：2544406