農(nóng)業(yè)管理方式對(duì)亞熱帶土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響.pdf

1、土壤氮素是地球生物化學(xué)循環(huán)中最重要的營(yíng)養(yǎng)元素，土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程與氮素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和氮肥利用率息息相關(guān)。農(nóng)業(yè)耕作改變土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性，影響土壤氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程，破壞土壤的保氮機(jī)制，提高氮素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在高溫多雨的氣候條件下，亞熱帶地區(qū)土壤保氮機(jī)制的破壞可能帶來(lái)更為嚴(yán)峻的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。然而，農(nóng)業(yè)管理方式對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響及土壤保氮機(jī)制的破壞過(guò)程仍不夠明確。開(kāi)展農(nóng)業(yè)管理方式對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程影響的相關(guān)研究，一方面可以為減少氮肥損失和制定提高氮肥利

2、用率的對(duì)策提供依據(jù)，另一方面可為氮肥使用的環(huán)境安全性評(píng)價(jià)提供參考;無(wú)論從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度，還是從環(huán)境保護(hù)的角度都具有十分重要的意義。
　　為了明確農(nóng)業(yè)耕作對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，本研究以亞熱帶地區(qū)不同種植年限果園土壤為研究對(duì)象，以相鄰林地土壤為對(duì)照，在室內(nèi)培養(yǎng)條件下分別采用Bremner有機(jī)氮分級(jí)方法和15N穩(wěn)定同位素稀釋法，結(jié)合Markov Chain MonteCarlo優(yōu)化數(shù)值模型(MCMC模型)，研究不同種植年限果園土壤有機(jī)

3、氮組分結(jié)構(gòu)及氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的變化特征。結(jié)果表明，(1)耕作30年范圍內(nèi)果園土壤有機(jī)碳和全氮含量隨種植年限的延長(zhǎng)而顯著增加，增加的氮量在酸解未知態(tài)氮、非酸解性氮、氨態(tài)氮、氨基酸氮和氨基糖氮中的分配比例分別為38.9％、25.7％、20.5％、9.9％和4.9％;隨著種植年限的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)氮組分中非酸性氮比例呈上升趨勢(shì)，氨態(tài)氮和酸解未知態(tài)氮比例呈下降趨勢(shì)，各有機(jī)氮組分比例的大小順序也隨之發(fā)生變化。(2)雖然果園土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN

4、)含量隨種植年限的延長(zhǎng)而提高，但由于土壤酸化，降低難礦化有機(jī)氮礦化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，導(dǎo)致土壤無(wú)機(jī)氮供應(yīng)能力(NS)并沒(méi)有隨有機(jī)碳和全氮含量的提高而增強(qiáng)，造成有機(jī)碳和全氮含量較高的果園土壤仍需要施用大量的化學(xué)氮肥來(lái)維持果樹(shù)產(chǎn)量和水果品質(zhì)。林地開(kāi)墾為果園后，農(nóng)業(yè)耕作刺激土壤氨氧化細(xì)菌(AOB)和古菌(AOA)生長(zhǎng)，開(kāi)墾后前10年amoA基因拷貝數(shù)隨種植年限的延長(zhǎng)而顯著增加，并導(dǎo)致土壤硝化能力（總硝化速率和總礦化速率的比值）以米氏方程增長(zhǎng)方式

5、隨種植年限的延長(zhǎng)而提高。這種刺激效應(yīng)開(kāi)墾后前10年最為明顯，而后逐漸降低，但持續(xù)到30年仍然存在。由于硝化能力的提高，林地土壤中無(wú)機(jī)氮以銨態(tài)氮為主，開(kāi)墾為果園后變?yōu)橐韵鯌B(tài)氮為主，硝態(tài)氮的淋失（或流失）風(fēng)險(xiǎn)隨之提高。
　　農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程中最顯著的特征是化學(xué)肥料和有機(jī)肥的大量施用。因此，肥料施用可能是土壤有機(jī)氮組分和氮轉(zhuǎn)化過(guò)程隨種植年限變化的主要原因。為了明確施肥與土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)系，本研究以30年不同施肥處理定位試驗(yàn)土壤（水稻）為研

6、究對(duì)象，調(diào)查施肥措施對(duì)土壤有機(jī)氮組分和氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于1983年，4個(gè)處理分別為不施肥(CK)、單施化肥(NPK)、牛糞與化肥配施(NPKM)和稻草與化肥配施(NPKS)。結(jié)果表明，與CK處理相比，長(zhǎng)期施用不同肥料均提高耕層土壤全氮和有機(jī)碳含量。牛糞/稻草與化肥配施處理土壤全氮含量顯著高于NPK處理，但是不同種類(lèi)有機(jī)肥與化肥配施所增加有機(jī)氮的組分有明顯差異;其中NPKM處理所增加的有機(jī)氮有60.0％為酸解性氮，而NPK

7、S處理中所增加的有機(jī)氮有71.7％為非酸解性氮。與此相對(duì)應(yīng)，NPKM處理刺激易礦化有機(jī)氮庫(kù)礦化過(guò)程，NPKS處理提高難礦化有機(jī)氮礦化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率。有機(jī)氮異養(yǎng)硝化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率很低，土壤無(wú)機(jī)氮主要由有機(jī)氮礦化過(guò)程提供。NPKM和NPKS處理均提高土壤無(wú)機(jī)氮供應(yīng)能力，NPKM處理中易礦化有機(jī)氮庫(kù)礦化過(guò)程是產(chǎn)生無(wú)機(jī)氮的主要途徑，其貢獻(xiàn)率達(dá)到81.9％;而NPKS處理土壤中71.5％的無(wú)機(jī)氮由難礦化有機(jī)氮庫(kù)產(chǎn)生。各處理的氨氧化細(xì)菌amoA

8、基因拷貝數(shù)沒(méi)有明顯差異，但NPKM處理的氨氧化古菌amoA基因拷貝數(shù)顯著高于NPKS處理。氨氧化古菌amoA基因拷貝數(shù)與自養(yǎng)硝化速率呈極顯著線(xiàn)性關(guān)系。與CK處理相比，NPKM處理顯著提高土壤自養(yǎng)硝化速率，增加土壤硝態(tài)氮流失風(fēng)險(xiǎn);而NPKS處理促進(jìn)土壤無(wú)機(jī)氮供應(yīng)，抑制土壤硝化過(guò)程，降低硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)。
　　綜合上面2個(gè)氮轉(zhuǎn)化過(guò)程分析試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著SOC和TN含量的提高，果園土壤無(wú)機(jī)氮供應(yīng)能力并沒(méi)有隨之變化，而水田土壤無(wú)機(jī)氮供應(yīng)能

9、力顯著提高。果園土壤與水田土壤最大的區(qū)別在于水分管理方式不同。因此，我們假設(shè)，不同水分管理方式下土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)施肥措施的響應(yīng)不同。為了驗(yàn)證以上假設(shè)，本研究以水-旱輪作系統(tǒng)定位試驗(yàn)土壤為研究對(duì)象，采集旱作季和淹水季土壤，分別在好氧和厭氧條件下，采用15N同位素示蹤技術(shù)研究不同水分含量條件下土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的差異。結(jié)果表明，與旱作條件相比，淹水條件改變土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，形成水田土壤獨(dú)特的內(nèi)在保氮機(jī)制。淹水提高土壤有機(jī)氮礦化和銨態(tài)氮

10、同化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率;礦化過(guò)程為水稻生長(zhǎng)提供充足的銨態(tài)氮，較高的銨態(tài)氮同化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率又可將多余的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，保存于土壤中。此外，淹水條件降低土壤銨態(tài)氮硝化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，提高土壤硝態(tài)氮異化還原過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率，將多余硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，并通過(guò)銨態(tài)氮同化過(guò)程轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮保存于土壤中，減少無(wú)機(jī)氮流失風(fēng)險(xiǎn)。
　　為了驗(yàn)證室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)估氮轉(zhuǎn)化過(guò)程在土壤無(wú)機(jī)氮流失過(guò)程中的調(diào)控作用，本研究在田間原位條件下監(jiān)測(cè)水-旱輪作

11、系統(tǒng)中不同施肥措施土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮流失規(guī)律。結(jié)果表明，旱作季土壤硝態(tài)氮流失量隨施氮量的增加而提高，且與土壤銨態(tài)氮自養(yǎng)硝化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率呈顯著正相關(guān)，與銨態(tài)氮同化過(guò)程初級(jí)轉(zhuǎn)化速率呈顯著負(fù)相關(guān)。這一結(jié)果說(shuō)明銨態(tài)氮硝化和同化過(guò)程是旱作季土壤硝態(tài)氮流失的內(nèi)在控制因素，而淹水季無(wú)機(jī)氮流失與土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程關(guān)系不明顯。
　　綜上所述，土地利用方式、化肥和有機(jī)肥、水分管理方式等農(nóng)業(yè)管理措施是土壤氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的主要影響因素。其中林地開(kāi)墾為農(nóng)業(yè)用地