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摘要： 为比较生化抑制剂组合对土壤氮素转化的抑制效果,揭示不同土壤温度和含水量互作对尿素水解抑制效应的影响。该文采用室内模拟培养方法,研究土壤含水量(60%和80%田间最大持水量,water holding capacity,WHC)和土壤温度(15、25和35℃)互作对生化抑制组合[N-丁基硫代磷酰三胺(N-(n-butyl)thiophosphoric triamide,NBPT)、N-丙基硫代磷酰三胺(N-(n-propyl)thiophosphoric triamide,NPPT)和2-氯-6(三氯甲基)吡啶(2-chloro-6(trichloromethyl)pyridine,CP)在黄泥田土壤中抑制氮素转化效果的影响。结果表明:土壤温度和含水量对生化抑制组合在黄泥田土壤中抑制尿素水解效应显著,以土壤温度影响更大。随着土壤温度增加,尿素水解转化增强,有效作用时间降低,硝化作用增强,脲酶和硝化抑制效应减弱;随着土壤含水量降低,尿素水解转化缓慢,有效作用时间延长,硝化作用减弱,脲酶和硝化抑制效应增强。不同土壤温度和含水量条件下,NBPT/NPPT或配施CP处理有效抑制黄泥田土壤脲酶活性,延缓尿素水解;CP或配施NBPT/NPPT处理有效抑制NH4+-N向NO_3^--N转化,保持土壤中较高NH_4^+-N含量长时间存在。新型脲酶抑制剂NPPT单独施用及与CP配施的土壤尿素水解抑制效果与NBPT相似。黄泥田土壤中生化抑制组合应用最佳的土壤温度和含水量分别为25℃和60%WHC。总之,针对不同土壤温度和含水量条件,在黄泥田土壤中应采用脲酶抑制剂与硝化抑制剂相结合的施肥方式。
关键词: 土壤 ；土壤含水量 ；氮 ；脲酶抑制剂 ；硝化抑制剂 ；N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT) ；N-丙基硫代磷酰三胺(NPPT) ；2-氯-6(三氯甲基)吡啶(CP) ；土壤温度
被引量
46
摘要： 【目的】研究不同浓度硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑磷酸(DMPP)和双氰胺(DCD)对石灰性土壤中氮素转化的影响,筛选出适宜石灰性土壤施用的DMPP和DCD最佳浓度,为其进一步在生产实践中的施用提供参考。【方法】采用室内培养的试验方法,在相同培养条件(土壤水分含量为田间持水量(WHC)的60%,温度为25℃)下,通过测定不同浓度DMPP(含氮量的0.5%、1%、2.5%和5%)和DCD(含氮量的2.5%、5%、10%和15%)处理土壤中各种形态氮素含量,评价不同浓度DMPP和DCD的抑制效果。【结果】施加不同浓度DMPP和DCD的土壤铵态氮含量均显著高于CK,而硝态氮和亚硝态氮含量显著低于CK。石灰性土壤中施用DMPP和DCD均能显著降低土壤的氨氧化速率,土壤铵态氮的半衰期从CK处理的3.6 d分别增加到14.1—17.1 d和13.1—26.8 d。不同浓度的DMPP间氨氧化速率差异不显著;而DCD处理的氨氧化速率随其浓度的增加而下降,亦即土壤铵态氮浓度的半衰期随施用浓度的增加而显著增加。除CK外,各处理氨氧化速率常数k相比,以2.5%DCD最小,15%DCD最大;DMPP与DCD相比较,除DCD最低浓度处理外(2.5%),所有DCD处理的氨氧化速率均大于DMPP。【结论】硝化抑制剂DMPP和DCD均能显著抑制铵态氮向硝态氮的氧化进程,DMPP各浓度处理抑制效果差异不显著,DCD各浓度处理间差异显著,5%DCD与DMPP各浓度处理间无显著差异。因此,建议DCD的施用量为含氮量5%,而DMPP的施用量为含氮量的0.5%。
关键词: 硝化抑制剂 ；氨氧化速率 ；DMPP ；DCD
被引量
32
摘要： 研究施加2种不同浓度的硝化抑制剂双氰胺(dicyandiamide,简称DCD)、2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(nitrapyrin,简称NP)对设施菜田土壤一氧化二氮(N_2O)、二氧化碳(CO_2)排放及N_2O氮素转化的影响。以河北省永清县设施菜田土壤为研究对象,采用室内静态培养系统,设定温度、土壤含水量分别为(25±1)℃、70%WFPS(即土壤含水孔隙率,water filled pore space),监测土壤N_2O、CO_2排放量及土壤无机氮含量,研究DCD、NP对土壤氮素硝化作用的抑制效果。结果表明,土壤只添加尿素后,N_2O排放峰达到2 430. 03μg/(kg·d),添加含氮量的0. 1%NP、0. 8%NP、5%DCD的土壤N_2O排放峰值分别为311. 63、336. 46、1 435. 07μg/(kg·d),添加0. 1%NP对于N_2O减排效果最好;添加0. 8%NP的土壤CO_2累积排放量为757. 87 mg/(kg·d),明显高于其余各处理; NP和DCD 2种硝化抑制剂提高了土壤铵态氮的含量,而且添加0. 8%NP对硝态氮的抑制效果更为明显。
关键词: 设施菜田 ；DCD ；NP ；N2O ；CO2 ；氮素转化 ；硝化作用 ；温室气体排放 ；硝化抑制剂
被引量
18
摘要： 本研究以河北永清蔬菜基地设施菜田土壤为研究对象,控制温度(25±1)℃和土壤含水量(70%WFPS),采用静态培养方法,通过监测培养期间土壤N_2O排放通量、无机氮含量及土壤中酶活性的变化情况,研究炭输入及生化调控对设施菜田N_2O排放及氮素转化的影响。结果表明,土壤添加尿素后,N_2O排放峰值达到644.11μg N·kg^(-1)·d^(-1),添加双氰胺(DCD)和石灰氮(CaCN_2)的土壤N_2O排放峰值分别为101.47μg N·kg^(-1)·d^(-1)和36.74μg N·kg^(-1)·d^(-1),对于N_2O减排效果好,且能有效抑制亚硝态氮的产生;施用控释尿素、添加黑炭或有机肥能减少N_2O排放,而添加石灰氮闷棚显著增加了N_2O排放。控释尿素、秸秆、黑炭、DCD和CaCN_2均对铵态氮向硝态氮的转化有一定抑制作用,施加石灰氮或有机肥有助于减少硝态氮向亚硝态氮的转化。相关分析表明,土壤中硝态氮和亚硝态氮含量增加,有助于反硝化过程的进行,增加了N_2O排放的风险。
关键词: 设施菜田 ；N2O ；秸秆 ；黑炭 ；DCD ；石灰氮
被引量
6
摘要： 当归为伞形科多年生草本植物当归Angelica sinensis(Oliv.)Diels的干燥根,是常用中药之一。当归栽培以育苗移栽为主,其传统育苗方式为覆草法,覆草具有保持土壤水分、调节土壤温度、抵御强光直射、抑制杂草滋生、提高幼苗出苗率等作用。当归覆草育苗常使用新鲜小麦秸秆,其碳氮比(C/N)较高,若覆盖过厚或育苗过程中未及时补充适量氮素,会导致土壤微生物分解作用缓慢,并过度消耗土壤氮素导致土壤碳氮比的升高,不利于幼苗获得足够的氮素营养,引起幼苗发育迟缓、植株矮小黄化现象。研究表明,植物根际促生菌作为定殖于植物根际的有益微生物,可通过多种途径促进植物生长及其对土壤养分的吸收和利用;氨基酸微肥为植物提供易于吸收利用的小分子氨基酸作为氮源,并可提高有益菌的活性和作用效果。本研究优选两种功能性植物根际促生菌株,将其与氨基酸微肥组合施用,在田间试验下,研究复合功能菌与氨基酸微肥单施或混施对当归幼苗生长、光合生理特征、碳氮代谢特性、土壤养分、酶活性、种苗质量以及种苗移栽后当归药材早期抽薹和成药状况的影响,主要研究成果如下:1.单施复合功能菌、单施氨基酸微肥及混施复合功能菌和氨基酸微肥均能促进当归幼苗生长,增加幼苗不同时期株高、根长、根粗及生物量的积累;提高幼苗光合速率和光合色素含量,调节幼苗叶绿素荧光参数,改善幼苗光合性能;调节幼苗碳氮代谢酶活性,增强幼苗碳氮代谢能力,促进碳氮代谢产物的积累和转化。复合功能菌主要影响了当归幼苗AI、GOGAT活性和Ls、ΦPSII和ETR,提高了幼苗葡萄糖、铵态氮、总氨基酸和类胡萝卜素含量;氨基酸微肥主要影响当归幼苗Pn、Ci和Tr,提高幼苗蔗糖和可溶性蛋白含量。而复合功能菌和氨基酸微肥混施时综合表现更加均衡,优于单施处理。2.单施复合功能菌、单施氨基酸微肥及混施复合功能菌和氨基酸微肥后当归种苗产量分别增产18.28%、31.06%和21.54%,当归一级种苗占比显著提高(P<0.05),且复合功能菌和氨基酸微肥混施后一级种苗占比达64.27%,废弃苗仅占8.79%。复合功能菌与氨基酸微肥配施提高了当归种苗根长、根粗和单根重等指标,增加根中可溶性糖、可溶性蛋白含量并降低了种苗碳氮比;提高土壤S-CAT、S-UE、S-SC和S-ALP/AKP酶活性,增加土壤全氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量和土壤含水量,降低土壤全碳、铵态氮含量和土壤碳氮比。氨基酸微肥对土壤全氮含量的提升效果较强,复合功能菌则可有效促进土壤有机碳的分解,降低土壤全碳含量,此外还显著降低了土壤铵态氮含量。而复合功能菌和氨基酸微肥混施的综合表现最佳,可有效增加当归种苗产量,促进幼苗根系和根际土壤的养分交换,提高种苗质量。3.单施复合功能菌、单施氨基酸微肥及混施复合功能菌和氨基酸微肥育成种苗长势良好,成活率和成药率高,抽薹率及发病率较低,复合功能菌与氨基酸微肥混施育成种苗移栽成活率达86.40%,抽薹率仅0.37%;复合功能菌和氨基酸微肥育成种苗移栽后当归株高、株幅、茎粗、主根长、不定根数和单根重等指标明显增加;当归药材含水量、总灰分、酸不溶性灰分、浸出物和阿魏酸含量等均符合药典规定。综合来看,复合功能菌和氨基酸微肥混施为最佳处理组合,可有效解决当归育苗中因覆盖秸秆导致碳氮比失调影响幼苗生长的问题,育成种苗也满足当归生产的要求。结论:复合功能菌与氨基酸微肥配施能有效改善当归幼苗光合性能和碳氮代谢能力,提高土壤S-CAT、S-UE、S-SC等酶活性和速效养分含量,降低土壤碳氮比,进而促进当归幼苗生长、改善幼苗矮小黄化、提高种苗质量和产量,并增加了育成种苗移栽后的成活率和成药率、降低当归早期抽薹率和发病率。
关键词: 当归幼苗 ；复合功能菌 ；氨基酸肥料 ；碳氮比 ；早期抽薹
被引量
1
摘要： 土壤反硝化过程是氮肥损失和N2O排放的主要途径,因此,抑制土壤反硝化过程的进行或降低N2O气体排放是降低环境污染风险及提高作物氮素利用率的有效途径。众多研究表明,土壤中根系分泌、秸秆腐解、动物尿液分解等均会产生苯甲酸。由于苯甲酸具有较强的抑菌作用,不仅可影响植物生长及生理性状,还可能对参与土壤氮循环转化过程的微生物的活性及功能也有一定的影响,进而抑制土壤反硝化过程并降低N2O排放。但尚未有研究从反硝化功能基因、微生物结构等方面深入揭示苯甲酸对土壤氮素转化和损失的影响。因此,本研究通过室内模拟试验,以石灰性土壤为研究对象,探究了不同苯甲酸添加量(0、1、2、4和6 mmol/kg 土)、不同含水量(80%和40%WFPS)条件下,土壤N2O排放、氮素转化和以及反硝化微生物丰度的动态变化。主要研究结果如下:
(1)在适宜反硝化发生的土壤含水量85%WFPS条件下,苯甲酸对N2O累积排放量的影响表现为低浓度促进(136.3%),高浓度抑制(43.0%-64.1%)的特征,而在40%WFPS时,苯甲酸对N2O的排放无显著影响。
(2)q-PCR结果表明,苯甲酸的添加显著增加了土壤细菌及真菌的基因拷贝数,并降低了细菌与真菌的比值,因此苯甲酸对真菌的促进作用要高于细菌。添加不同浓度苯甲酸均显著影响了反硝化功能基因的丰度,但降低了排放高峰期的(nirS+nirK)/nosZ 比值,因此,苯甲酸促进N2O还原为N2可能是N2O 主要减排机制。
(3)PCoA及RDA分析结果表明,苯甲酸(系数为0.825-0.834)和pH(0.732-0.764)是影响土壤微生物结构最主要的环境影响因子,显著影响了土壤微生物、细菌及真菌的群落组成。
(4)COG功能层级分析结果表明,苯甲酸对微生物功能组成及丰度无显著影响。
(5)高通量测序结果表明,苯甲酸降低N2O排放的机理主要为苯甲酸的添加显增加了编译氧化亚氮还原酶(1.7.2.4)以及硝酸盐异养还原酶(1.7.1.15)和(1.7.2.2)的基因相对丰度,并显著降低了(nirS+nirK)与nosZ的比值。
综上所述,在石灰性土壤中添加苯甲酸对土壤微生物功能组成没有显著影响;且在添加量超过时2 mmol/kg具有显著的N2O减排效果,这主要是降低了(nirS+nirK)与nosZ的比值。因此,苯甲酸具有作为石灰性土壤反硝化抑制剂的潜力,但需要更多的田间试验加以验证。
关键词: 反硝化 ；苯甲酸 ；氧化亚氮 ；石灰性土壤 ；功能基因 ；宏基因组
被引量
1
摘要： 吉林西部地处我国内陆干旱和湿润的东亚季风区,受地质构造及气候变化的影响,经历了盐碱荒漠化的正逆演变过程,是我国苏打盐渍土面积最大的地区。该区实施水利工程进行灌溉排水减盐后开发建设水田,改善了原有的盐渍化问题并提高了粮食产量,但该区盐渍化的包气带土壤通透性较差,不合理的灌溉施肥导致过量的氮肥滞留在包气带,一旦灌溉水量较大,将伴随入渗水流向下淋失,对地下水造成不同程度的污染。本文依托国家自然科学基金项目“苏打盐渍土区区域水田开发的盐分迁移响应研究”和吉林省自然科学基金项目“苏打盐渍土区水田生态系统水盐氮互馈过程及模拟研究”,以吉林西部大安市的盐渍土区作为研究区,通过资料收集、野外原位试验及室内模拟试验,采用统计分析、随机模拟及Hydrus模型等技术方法,开展了吉林西部盐渍土区包气带水氮运移转化规律及模拟研究。论文的主要研究内容和结论如下:1、包气带水氮参数特征及空间变异规律在野外调查采样的基础上,测定不同深度土壤的含水量、含盐量、pH值、硝态氮和铵态氮,综合分析了参数的统计特征及空间变异性,对氮素与土壤水盐参数进行了空间相关性分析。结果表明土壤含盐量的变异系数显著大于含水量和pH值的变异系数,土壤含盐量受随机因素的影响,在垂向和横向空间变化显著,表层土壤呈现积盐现象。土壤pH值在垂向和横向空间分布较为一致,主要受结构性因素的影响变化较小。硝态氮和铵态氮的空间分布规律性较为明显,由东到西,硝态氮和铵态氮含量逐渐减少,由北向南,土壤铵态氮逐渐增加,硝态氮逐渐减少,土壤氮素空间分布规律在小尺度内受结构性因素影响。在此基础上,分析了硝态氮和铵态氮与土壤水盐参数进行了空间相关性,当土壤含盐量在由0.2%增加至0.6%,土壤氮素含量增加。当pH值降至8.5-9范围内,土壤硝态氮与铵态氮的含量较大,随着pH值的升高或降低,土壤氮素均降低。土壤含水量较小时对土壤氮素影响较弱,当土壤含水量增加至20%,土壤硝态氮减少,铵态氮增加,说明水分的增加促进硝态氮的淋失。2、盐渍土区包气带氮素运移和转化规律研究（1）根据盐渍土的分布特征,选择典型盐渍土地区开展田间试验,通过吸附动力学及等温吸附实验,分析氮素在盐渍土包气带介质的吸附特征。试验结果显示,与非盐渍土作对照,盐渍土吸附氮素速率较慢,最大吸附量比非盐渍土少18.75%,且不同土壤深度其吸附性能存在差异,深层土壤吸附性较强。当溶质初始浓度较大时,温度变化对盐渍土吸附铵态氮才有显著的影响。（2）研究区地处东北季冻区,具有明显的季节性冻融现象,设计完成了室内多次冻融循环模拟试验,开展了冻融交替作用对盐渍土区包气带氮素转化的影响研究。室内冻融试验数据表明,随着冻融循环次数的增加,土壤NH4+-N含量均呈显著性增加趋势,土壤NO3--N呈显著性下降趋势。这是由于农作物收获后,土壤中尚存的残余氮,发生了矿化作用,而随着冻融循环次数增加,氮素的硝化作用受到抑制,使得土壤NO3--N含量下降。短期内冻融循环可促进氮的矿化作用,但多次长期的冻融循环作用抑制氮素的矿化反应。通过实验还可以发现,当土壤含水量较高,施肥量较大的情况下,多次冻融作用后,土壤硝态氮较易于流失。（3）结合野外原位试验,研究作物在不同生长阶段包气带氮素运移规律。不同施肥量下土壤氮素、盐分及pH值的变化规律显示,垂直方向上,土壤铵态氮变化规律不一致,水稻在黄熟期和收获期铵态氮差距较大,土壤铵态氮随施肥量增加而增加。土壤硝态氮在不同生长时期垂向变化规律一致,表层土壤硝态氮含量最大,随土壤深度的增加而减少。施肥量的增加对土壤表层的硝态氮和铵态氮影响较为明显,对深层的含量影响较小。作物生长时期土壤盐分垂向分布特征不明显,在土壤100cm深时盐分相对较小。收获期后,土壤盐分随着土壤深度的增加差异明显,且土壤表层盐分达到最大,说明在水稻收获后表层土壤出现积盐现象,且施肥量较大时土壤盐分增高,土壤盐分大小与施肥量密切相关。3、包气带水氮运移模型的建立及其不确定性分析（1）结合田间试验数据,基于Hydrus建立包气带水氮运移模型,根据模型评价标准,该模型具有较好的模拟效果,能够用来模拟包气带水氮运移规律。通过水氮平衡分析可知,水量的流失途径为蒸散发,且高施肥水平下的水分利用要略高于低施氮水平。施氮量从180 kg/ha增加到220kg/ha,氮的矿化固持量增加21.6%,作物吸氮量增加12kg/ha,1m深处氮素的累积淋失量增加8.59 kg/ha,施肥量的增加提高了土壤氮的矿化能力,但也会增加氮素的淋失量,因此,该地区还需要结合灌溉施肥方式提高氮的有效利用率。（2）利用普似然不确定性估计与拉丁超立方随机模拟方法,识别参数的不确定性及其对硝态氮累积淋失量的影响。土壤饱和含水率、弥散度和吸附系数具有较好的识别性,反硝化速率和饱和导水率对模型结果的不确定性影响较大。研究考虑和不考虑参数不确定性的两种方案,对水稻生长条件下100cm深的土壤硝态氮淋失的影响。不同方案下的0-100cm的土壤硝态氮累积淋失量的预测范围分别为10.34-13.63kg/ha,9.47-12.71 kg/ha,考虑参数不确定性缩小的预测区间范围降低不确定性,提高了包气带水氮运移规律的模拟精度,在定量评估累积硝态氮淋失风险时,提高结果的准确性。4、水位变化下包气带氮素变化的预测应用最小二乘支持向量机方法建立地下水埋深模拟预测模型,分析研究区地下水埋深动态变化趋势,引入95%置信区间,预测得到地下水埋深变化上限和下限的范围分别为（5.98-6.85）m,（5.15-6.07）m。将地下水埋深作为包气带水氮运移的模型的下边界,模拟研究地下水位的变化对包气带氮素运移规律的影响。地下水埋深在5.15-6.85m内变化对土壤含水量、土壤硝态氮和铵态氮的影响较小。当地下水埋深降至1.49-1.71m时,土壤硝态氮的淋失风险指标由I级升到II级,增加了地下水生态环境的污染风险。因此,在研究区水田范围内,应该控制月平均地下水埋深大于1.7m的范围,可有效降低氮素的淋失风险。综上所述,本文开展的研究为盐渍土包气带水氮运移转化机理研究以及包气带-饱和带联合模拟提供理论基础,也为预防吉林西部地下水的氮素污染及水环境的保护提供依据,具有理论和实际意义。
关键词: 盐渍土 ；包气带 ；水氮运移 ；Hydrus模型 ；氮素淋失 ；地下水埋深变化
被引量
10
摘要： 东北地区是我国的粮食主产区,但目前氮肥利用效率并不高。虽拥有丰富的农作物秸秆资源,但对秸秆的利用并不充分,焚烧秸秆等资源浪费的现象依然存在,是我国秸秆综合利用的重点和难点区域。且目前秸秆利用方式较为单一,缺少对于秸秆不同处理方式对土壤氮素形态影响机制的比较。因此,为实现秸秆综合利用、提高作物质量和产量,同时避免过量施用氮肥造成的农作物生产成本的增加及氮素流失加剧等问题,本研究以东北地区棕壤为研究对象,在田间总施氮量固定的条件下,明确不同秸秆处理方式下土壤氮素形态的分布规律及影响机制。试验共设4个处理:秸秆粉碎后直接还田(ST)、秸秆炭化后还田(BT)、秸秆过腹后还田(RT)及无物料还田对照。通过Illumina高通量测序和q PCR技术,借助多种分析方式揭示了秸秆不同处理方式对土壤氮素形态的影响机制。主要研究结果如下:
(1)秸秆不同处理方式均能显著提高土壤氮素各形态含量及土壤脲酶、硝酸还原酶活性,且减少了土壤氨挥发损失,从而促进了氮素向土壤中的固定。与对照处理相比,秸秆直接还田使土壤全氮提升了174.26%、铵态氮55.45%、硝态氮26.19%、微生物量氮233.61%和硝酸还原酶活性23.30%,促进了氮素转化进程,同时显著减少了21.29%土壤氨挥发损失。秸秆炭化还田和过腹还田主要则显著提升了233.61%和65.49%土壤微生物量氮含量,提升了土壤微生物量氮含量在全氮含量中的占比,从而促进土壤微生物活动。
(2)秸秆不同处理方式通过影响土壤温度、含水量及土壤p H、容重和有机质含量等影响土壤整体环境,进而对土壤氮素转化及氨挥发损失造成影响。秸秆直接还田在提高土壤p H方面效果最佳,为土壤微生物提供适宜的生长代谢环境;秸秆炭化还田处理土壤容重显著降低了8.45%、土壤有机质显著提升了31.9%,提高土壤宜耕性、透气性和肥力水平,从而促进植物根系生长及土壤中氮素转化,提升土壤可利用氮素含量。
(3)秸秆不同处理方式还田有效增加土壤中硝化微生物的绝对丰度和物种群落丰富度,同时影响土壤硝化潜势,驱动加速土壤硝化进程。秸秆不同处理方式下土壤硝化潜势均有一定程度提升,其中秸秆炭化还田处理效果最佳,提升了25.22%,驱动促进了土壤硝化进程。各处理均能提升amo A-AOA和amo A-AOB基因拷贝数,其中秸秆炭化还田处理土壤amo A-AOA绝对丰度增长11.51%,秸秆过腹还田处理土壤amo A-AOB绝对丰度增长超20%。经高通量测序发现增长的特定菌属为g＿Candidatus Nitrosocosmicus菌属、亚硝化侏儒菌属(g＿Nitrosopumilus)、亚硝化螺菌属(g＿Nitrosospira)和其他未知菌属。秸秆直接还田、炭化还田和过腹还田增加土壤中硝化微生物的绝对丰度和物种群落丰富度,驱动加速土壤中铵态氮的固定与转化。
综上,秸秆不同处理方式还田均能在不同方面提高土壤氮素形态含量,减少氮素损失,驱动微生物活动进程,对改良土壤、因地制宜的实现氮肥高效利用及提高我国东北地区农产品质量及产量具有深远意义。
关键词: 秸秆直接还田 ；炭化还田 ；过腹还田 ；氮素形态 ；微生物群落
被引量
3
摘要： 由于农业生产中氮肥不合理施用导致的活性氮排放对气候及环境造成了巨大影响,且蔬菜生产中粗放的管理方式使集约化蔬菜生产系统在氮肥不合理施用方面的问题更为突出。在准确估算不同农作管理措施下的活性氮排放及筛选合理的活性氮多目标阻控措施方面,有限的田间试验及处理个数无法全面考虑各种因素,需要结合模型的强大功能来进行优化管理措施的模拟和筛选。本研究在总结中国气候变化减缓与适应政策及行动的基础上进行菜地水氮管理措施案例研究,采用能够模拟土壤中碳氮水循环及植物生长的WHCNS模型作为研究工具,通过采用实证试验数据对模型进行校准和验证、并对模型的输入参数进行敏感性分析,用校准了的模型通过设置不同的水氮管理情景,评估未来不同气候情景下各种管理措施的氮损失阻控效果,筛选出活性氮排放总量综合最低的管理措施,评估华北地区典型露地菜地在未来气候变化情景下（2021-2040年）的最佳水氮管理策略。本研究结果可为该地区露地蔬菜绿色生产的水氮管理提供科学管理策略,为集约化农业种植系统活性氮排放控制及适应未来气候和减缓其气候及环境方面的风险提供数据支撑。本文的主要结论如下: （1）模型校验:WHCNS模型对河北保定连续3年春黄瓜-秋白菜生长过程及水氮去向的模拟结果与实测数据一致性较好,经校验后的各指标模拟值与实测值误差在可接受范围内,可以应用校准了的模型定量分析该地区蔬菜生长及其水分运移和氮素转化。 （2）敏感性分析:土壤水力学参数（饱和含水量）对土壤含水量、硝态氮淋洗量、氨挥发量和N2O排放量的影响较大,而其在适宜的较小范围内变化对蔬菜产量和吸氮量的影响较小。作物参数对吸氮量和硝态氮淋洗量影响较大,对土壤含水量的影响较小。氮素转化参数中NO3-N吸附系数、氨挥发一阶动力学系数、N2O占反硝化速率比例分别对硝态氮淋洗量、氨挥发量、N2O排放量有显著影响,而对土壤含水量、产量和吸氮量的影响较小。 （3）在综合考虑节约水肥资源及保证产量的前提下,选择在N2基础上配合其它管理措施,模拟露地菜地蔬菜生长和主要氮损失途径,筛选活性氮综合损失最小的管理措施。 （4）未来RCP4.5情景下,在常规漫灌条件下,硝态氮淋洗量随着施氮量的减少而减少,与农民习惯施肥（N3）相比,减氮20%（N2）和减氮50%（N1）多年平均在黄瓜季淋洗出80cm土壤剖面的硝态氮分别减少12%和30%,白菜季的硝态氮淋洗则分别减少14%和36%。有机无机肥配施比纯施化肥（N2F）的硝态氮淋洗量多年平均减少了10.5%（黄瓜季）和7.6%（白菜季）。与N2处理比,在N2施氮量的水平上配合脲酶抑制剂和硝化抑制剂（N2I）,减少硝态氮淋洗的效果在白菜季比较显著,降低了37%,而在黄瓜季的效果不明显（约3.9%）。相比N2,阻控措施N2I、N2LW（减氮20%+灌溉量减少20%）、N2DI（减氮20%+滴灌）的硝态氮淋洗量在黄瓜季分别减少3.9%、29%和8.9%,在白菜季分别减少37%、26%和24%。RCP8.5情景下N2DI阻控氮淋洗的效果优于RCP4.5情景下,其它处理不同气候情景下阻控氮淋洗的效果接近。 （5）未来RCP8.5情景下,相比农民常规水氮处理（N3）,N2和N1处理的多年平均硝态氮淋洗量在黄瓜季分别减少12%和26%,在白菜季分别减少10%和27%。有机无机配施比纯化肥（N2F）的硝态氮淋洗量减少了12%（黄瓜季）和6%（白菜季）。相比于N2,在N2施氮量的水平上添加抑制剂的阻控效果在白菜季（36%）要好于黄瓜季（8%）;阻控措施N2I、N2LW、N2DI淋洗量分别比N2减少8.2%、30%、16%（黄瓜季）和36%、32%、28%（白菜季）。RCP8.5情景下,N2LW（减氮20%+灌溉量降低20%）和N2DI（减氮20%+滴灌）对硝态氮淋洗的阻控效果优于在RCP4.5情景下的阻控,是未来阻控硝态氮淋洗的优选措施。 （6）未来RCP4.5情景下,黄瓜季和白菜季均是农民常规水肥处理（N3）下的氨挥发量最高,减少氮肥施用量可以显著降低氨挥发量,N2、N1的氨挥发量多年平均与N3相比,在黄瓜季分别减少18%和36%,在白菜季分别减少49%和66%。与N2处理相比,在N2施氮量的水平上,添加双抑制剂、减少灌溉量以及滴灌在黄瓜季的阻控效果（21%、61%、11%）好于在白菜季（效果弱）的阻控效果。 （7）未来RCP8.5情景下,黄瓜季和白菜季依然是N3的氨挥发量较高,氨挥发量随着氮肥施用量的减少而降低,大部分措施阻控氨挥发的效果相较RCP4.5情景有较大幅度提高。N2、N1的氨挥发量多年平均与N3相比,在黄瓜季分别减少27%和50%,在白菜季分别减少37%和69%。在黄瓜季,相比N2处理,在N2施氮量的水平上,添加双抑制剂、减少灌溉量以及滴灌等阻控措施分别能减少氨挥发46%、57%和13%,阻控效果较好,在白菜季的效果不显著。 （8）未来RCP4.5情景下,黄瓜季和白菜季N3的N2O累计排放量最高;施氮量减少,N2O排放也会相应降低,与N3相比,多年平均N2和N1在黄瓜季分别降低31%和64%,在白菜季分别降低24%和40%。在N2基础上结合双抑制剂（N2I）,N2O的排放量相比N2在黄瓜季减少55%,在白菜季减少43%。与N2相比,在N2施氮量水平上减少灌溉量（N2LW）和滴灌（N2DI）的N2O的排放在黄瓜季分别减少53%和8%,在白菜季效果不显著。 （9）未来RCP8.5情景下,黄瓜季和白菜季的N3的N2O累计排放量也表现为较高,N2O的排放随着施氮量的减少而降低,各措施的减排效果较RCP4.5略有增加。与N3相比,多年平均N2和N1在黄瓜季分别降低31%和65%,在白菜季分别降低17%和40%。与N2相比,在N2施氮量的水平上,添加双抑制剂（N2I）和减少灌溉量（N2LW）会使N2O排放量在黄瓜季分别降低56%和55%,在白菜季分别降低48%和5%。 总体来讲,控制灌溉量对硝态氮淋洗的阻控效果较好,减少施氮量在阻控氨挥发方面的效果较为显著,添加双抑制剂和减少灌溉量对N2O的排放的阻控效果较佳。综上,在保证产量的前提下,合理调整施氮量配合双抑制剂、同时控制灌溉量是阻控活性氮损失、降低环境负荷的经济有效措施,所以推荐在农民施氮量基础上添加双抑制剂并配合灌溉量降低20%为该地区的推荐水氮管理方案。
关键词: 露地菜地 ；WHCNS模型 ；硝态氮淋洗 ；氨挥发 ；N2O排放
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N2O、CO2和CH4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CO2和CH4排放,缓解温室气体的增温潜势,但对N2O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N2O、CO2和CH4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N2O排放量,累积排放量以及N2O排放系数,其中FS处理的效果最为明显,试验期内N2O平均排放通量高达65.45 kg·hm-2。0.7FS处理降低了土壤CO2和CH4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CH4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N2O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N2O排放,试验期内平均排放通量为48.99kg·hm-2。对土壤CO2而言,有机物料配施化肥处理促进了CO2排放(76488-89787 kg·hm-2),但BF处理推迟了CO2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CH4吸收,减少CH4排放,CF处理则显著增加了CH4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N2O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（NH4+、NO3-和NO2-）含量,而NO3-的峰值较NH4+略有推迟。同时土壤NH4+和NO3-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NO3-为主。F处理的土壤NH4+、NO3-和NO2-含量并不低甚至高于其他物料处理,增加了N2O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NH4+和NO3-主要分布在<0.053 mm粒径中,其中F处理有利于>2 mm粒径中NH4+(23.86mg·kg-1)和NO3-(24.73 mg·kg-1)富集。对不同团聚体粒级NH4+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NH4+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NH4+贡献率最大,为93.81%。对不同团聚体粒级NO3-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NO3-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NO3-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NH4+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NH4+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CO2和CH4排放量,减少了温室气体的增温潜势,但对N2O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。
关键词: 有机替代 ；化肥减量 ；土壤氮 ；温室气体 ；氨氧化微生物 ；反硝化微生物
被引量
36
摘要： 长期不合理利用导致的草原退化是近几十年以来内蒙古典型草原突出的生态学问题,采取不同适应性利用方式科学合理地利用草地资源既是草牧业发展的需求,也是草地生态学研究的重要热点。因此,研究草地地上净初级生产力及土壤氮矿化对不同适应性利用方式的响应对内蒙古典型草原植物群落多样性的保护及草地资源的合理利用和可持续发展具有重要意义。本研究依托典型草原教育部野外观测研究站,以内蒙古典型草原区羊草(Leymus chinensis)草原群落为研究对象,自2012年开始,设计围封(对照),适应性刈割(每年8月刈割一次,留茬高度6 cm),适应性放牧(5～9月每月一次放牧,牧后留茬高度6 cm)二种不同处理,每个处理重复3次。通过9年的长期草地适应性利用实验,观测在不同适应性利用方式下,草地植物群落地上净初级生产力、植物群落密度及组成结构、物种多样性、土壤理化性质、土壤氮矿化速率、土壤微生物及氮素转化功能基因丰度等指标变化,探讨不同适应性利用方式对植物群落生产力及土壤氮矿化速率的影响,进而揭示典型草原生态系统中植物多样性、微生物多样性及土壤理化因子在适应性利用方式对群落地上净初级生产力影响过程的调控作用。主要研究结论如下:(1)放牧显著增加了植物群落密度,刈割与对照之间差异不显著。功能群水平:刈割和放牧均显著降低了植物群落中根茎型禾草密度,显著增加了群落中丛生型禾草和一、二年生植物密度,放牧的影响高于刈割。优势种水平:刈割和放牧均显著降低了羊草种群密度,放牧显著低于刈割。刈割和放牧均显著增加了群落中克氏针茅(Stipa krylovii)种群密度,且刈割显著高于放牧。适应性放牧显著增加了糙隐子草(Cleistogewes squarrosa)种群密度,刈割下略有增加但与对照差异不显著。(2)刈割和放牧对群落物种丰富度没有显著影响,但明显改变了植物群落物种均匀度,导致群落物种多样性在刈割和放牧下均呈显著增加,刈割的增加效应较放牧具有一定滞后性,但刈割略高于放牧,两种方式之间没有显著差异。(3)适应性利用方式促进了植物的补偿性生长,刈割和放牧均增加了植物群落地上净初级生产力,且放牧的增加效果较刈割更加明显。利用初期(2012～2014年),植物群落经济产量在刈割方式下高于放牧,随着利用时间的增加,植物群落经济产量在放牧方式下显著高于刈割。植物群落地上净初级生产力与群落多样性具有极显著的负二次函数相关关系,呈单峰格局模型(R2=0.1832,y=-2E-05x2+0.0072x+0.8427),植物群落物种多样性和丰富度在中等生产力水平最高。(4)放牧显著增加了浅层0～10cm的土壤温度,降低了土壤的含水量,土壤出现暖干化现象。刈割也增加了土壤的干燥程度,但幅度小于放牧。土壤速效养分含量年际间波动较大,适应性刈割和放牧均显著降低了土壤速效氮的含量,且放牧引起的降低幅度高于刈割。(5)土壤氮矿化速率由硝化速率主导。降水量对土壤氮矿化速率具有重要影响。在降水平稳时期内,放牧显著增加了土壤硝化速率,从而增加了土壤氮矿化速率,刈割对土壤氮矿化速率的影响不显著。在降水异常时期内(降水量多),适应性放牧和刈割均显著降低了土壤氮矿化速率,且刈割的下降幅度高于放牧。土壤容重和土壤温度与土壤氮矿化速率具有显著正相关关系,而土壤含水量、土壤硝态氮及速效氮含量与土壤氮矿化速率具有显著负相关关系。氮素转化过程的功能基因总丰度在刈割和放牧方式下均呈增加趋势,增加幅度分别为18.7%和30.2%。刈割显著增加了ureC、gdh、narG、nasA功能基因丰度,放牧显著增加了 amoB、nirK、nrfA功能基因丰度。功能基因丰度变化较土壤理化因子对不同利用方式下氮素矿化响应的解释率更高。(6)适应性刈割和放牧均增加了土壤微生物群落丰富度,刈割相对放牧对土壤微生物群落结构组成的影响较小。适应性放牧促进了土壤中嗜热性微生物的生长繁殖,抑制了土壤中嗜酸性微生物的繁殖。土壤温度和土壤硝态氮含量是影响研究区域内土壤微生物群落组成的主要因子。(7)植物多样性与微生物多样性之间具有显著正相关关系,二者之间互作效应是土壤微生物多样性及植物群落多样性变化重要的驱动因素。土壤微生物丰富度与植物群落地上净初级生产力具有极显著正相关关系。群落地上净初级生产力与土壤氮矿化速率存在极显著正向线性相关关系(R2=0.64,y=0.0616x-5.9912)。适应性刈割和放牧对植物群落地上净初级生产力具有显著正效应,且放牧的正效应高于刈割,植物多样性和土壤理化因子是调控不同利用方式影响群落地上净初级生产力过程的关键因素,土壤理化因子较植物多样性对群落地上生产力的解释度更高,并且土壤温度和土壤硝态氮含量是土壤理化因子中主导群落地上净初级生产力变化过程的主要因子。本研究发现,适应性刈割和放牧有利于典型草原植物群落地上净初级生产力和群落物种多样性的提高,土壤理化因子与群落地上净初级生产力和群落多样性具有密切的关系,并且在群落地上净初级生产力对不同利用方式的响应机制中,起到关键的调控作用。适应性放牧较刈割可以起到增加植物及微生物多样性,促进土壤内物质循环过程,提高土壤氮矿化速率及增加草地净初级生产力的作用,可作为草地保护及持续利用的重要管理措施。
关键词: 典型草原 ；适应性利用 ；群落地上净初级生产力 ；土壤氮矿化 ；微生物多样性 ；功能基因
被引量
10
摘要： 农业生产中施用的传统氮肥由于氮素易挥发、淋失或通过其他途径造成损失,从而大大降低了氮肥的养分利用率。研究证实,氮肥配施生化抑制剂以及挤压造粒制备大颗粒肥料均可有效抑制氮的快速转化,减少氮素损失,提高氮素利用率,增加农作物产量。另外大量研究还表明,腐植酸不仅对植物具有促生作用,还可以有效提高肥料养分利用率。但将生化抑制剂、腐植酸与常规肥料混合后通过挤压造粒工艺制备大颗粒肥料的研究很少,其对氮素的形态转化的影响效果也不清楚。因此,针对上述问题,本文在氮、磷、钾肥料中添加不同用量的双氰胺（DCD,纯氮量的0、0.5%、1.0%、1.5%）、N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT,纯氮量的0、0.15%、0.30%、0.45%）和腐植酸（HA,纯氮量的0、10%、15%、20%）,在经过挤压造粒工艺,制备出养分配比为22-11-11的大颗粒肥料。通过室内恒温恒湿培养试验探究了其N的形态转化特征,初步筛选出效果较好的生化抑制剂和腐植酸的添加量组合;然后,通过土壤培养试验和土柱淋溶试验,探究了其在不同施用状态、不同温度（15℃、25℃、35℃）和不同含水量（60%田间持水量、70%田间持水量、80%田间持水量）条件对氮素转化的影响,并通过N的转化和淋溶特征进一步筛选出最优肥料配比;最后,通过白菜盆栽试验,验证肥料组合的实际应用效果。主要研究结果如下:（1）添加纯氮量0.5%的DCD、0.45%的NBPT以及15%腐植酸的大颗粒肥料（LTT-8处理）能够有效抑制土壤脲酶活性,与LTT-1相比酰胺态氮水解速度延缓5天以上,同时抑制了铵态氮的硝化作用,铵态氮含量较高,为1124.32mg?kg-1,硝态氮含量低,仅为367.55mg?kg-1,氨挥发速率平缓。（2）将普通颗粒肥料（CF）、掺混抑制剂和腐植酸的粉末肥料（PT）、初期筛选的最佳配比的大颗粒肥料（LTT-8）以及抑制剂外涂的大颗粒肥料（LPT）进行室内培养试验和土柱淋溶试验。结果表明,所有肥料处理在不同温度和含水量条件下的养分形态转化趋势相近,其中以抑制剂外涂的大颗粒肥料处理铵态氮含量较高,硝态氮含量较低,可有效抑制硝化作用,有效抑制了脲酶活性。延缓酰胺态氮浓度最大值出现时间,与CF处理相比,延缓5天以上。土柱淋溶试验结果表明,抑制剂外涂的大颗粒肥料处理淋洗液中铵态氮以及硝态氮浓度最低,可有效减少N的淋溶损失。（3）以CF作为对照,采用添加抑制剂和腐植酸的粉末肥料、添加抑制剂和腐植酸造粒的大颗粒肥料和抑制剂外涂的大颗粒肥料为试验组,研究了不同肥料处理对白菜产量和养分含量的影响。结果表明,与CF相比,添加抑制剂和腐植酸造粒的大颗粒肥料处理的大白菜的地上部鲜重提高了约43.59%,白菜叶片数增加14.00%,叶长增加48.28%,叶宽增加139.58%,根长稍有降低,同时可以促进白菜的生长。
关键词: 脲酶抑制剂 ；硝化抑制剂 ；腐植酸 ；土壤氮素转化
被引量
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摘要： 施用硝化抑制剂可以有效延缓土壤中的硝化反应,通过调控氮素转化减少氮素流失。2-氯-6-三氯甲基吡啶,简称为氯甲基吡啶(CP),是目前最常见的硝化抑制剂之一。以前的CP原料纯度较低,含有很多杂质使其硝化抑制效率不高,浙江奥复托化工有限公司改良生产工艺使CP原料纯度高达98%,CP的硝化抑制效率得到提高,在生产实践中具有良好的效果。黄泥田是我国南方广泛分布的低产水稻土类型之一,CP配施氮肥能够有效增加水稻产量,提高氮肥利用率。本文以高纯度CP为研究对象,分别在室内进行培养模拟试验,研究CP的乳油剂和水乳剂在不同质地土壤上的剂量效应和硝化抑制效果;探究pH和含水量等环境条件对CP的施用效果影响;连续5年施用CP对黄泥田水稻土中氨氧化微生物基因丰度和群落结构的影响;双季稻试验中施用CP对不同生育期土壤养分和氨氧化微生物的动态变化影响。得出了以下主要结论:(1)CP的乳油剂和水乳剂都能显著抑制砂土和粘土中的硝化作用过程。在培养的第30d时,不同剂量的乳油剂在砂土上的硝化抑制率为55.6%-91.4%,在粘土上的硝化抑制率为18.5%-50.9%。不同剂量的水乳剂在砂土上的硝化抑制率为40.0%-79.0%,在粘土上的硝化抑制率为35.7%-52.5%。从总体上来说,两种剂型的硝化抑制效果均表现为砂土>粘土;乳油剂在砂土和粘土上的剂量效应都非常明显,剂量越大,硝化抑制率越高.水乳剂在砂土上的剂量效应比较明显,但是在粘土上的剂量高于0.2%后继续增加,其硝化抑制率没有显著提高。二者在砂土和粘土上的最佳用量均为纯氮用量的0.3%;在砂土上,培养30 d后0.3%乳油剂的硝化抑制率为88.1%,显著高于0.3%水乳剂的74.9%。在粘土上,0.3%水乳剂的硝化抑制率为53.3%,显著高于0.3%乳油剂的47.7%。因此,两种硝化抑制剂在砂土上的施用效果是乳油剂>水乳剂,而在粘土上的施用效果是水乳剂>乳油剂。(2)在pH4.66到pH7.70范围内,表观硝化率随着pH的上升而增加,CP的硝化抑制效果初始在高pH 土壤上更高,而后在低pH 土壤上效果更好并且持续时间更长。在不同含水量(WHC,田间最大持水量)上,表观硝化率表现为60%WHC>40%WHC>80%WHC,即硝化作用在高pH和60%WHC含水量的土壤上更加强烈,CP的硝化抑制效果表现为40%WHC>60%WHC>80%WHC,即当土壤含水量较低时CP的硝化抑制效果更好。因此,建议CP适合施用在酸性及旱地土壤上。(3)在连续五年施用尿素和CP的黄泥田水稻土中,氮肥的施用促进了硝化作用,显著地增加了氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)aamoA基因的丰度以及土壤硝化势,施用CP显著地降低了 AOAaamoA的基因丰度和土壤硝化势,对AOB无显著影响。土壤硝化势与AOA和AOB amoA的基因丰度呈显著正相关关系。黄泥田水稻土中AOA和AOB的优势种群分别归属于Nitrosotalea cluster和Nitrosospira cluster,占比达到90%以上,土壤中氨氧化微生物的物种多样性较低,形成了一个很稳定的氨氧化群落结构,由此尿素和CP对AOA和AOB的群落结构均没有显著影响。(4)CP配合尿素一次性基施较普通尿素分次施肥显著地增加了双季稻的产量和氮肥利用率。在整个生育期中,CP对土壤中的全氮,硝态氮和有效磷含量无显著影响,但显著增加了土壤中碱解氮的含量和水稻分蘖期铵态氮的含量。CP显著地抑制了水稻分蘖期和孕穗期AOA和AOB的amoA基因丰度并且对AOA的抑制作用更强。双季稻产量与土壤中碱解氮含量和分蘖期铵态氮含量呈显著地正相关关系。CP可能主要是通过抑制氨氧化菌的amoA基因丰度来延缓硝化反应,使得在水稻的分蘖期保证高浓度的有效态氮以促进植株吸收利用,从而提高水稻产量和氮肥利用率。
关键词: 氯甲基吡啶 ；硝化作用 ；表观硝化率 ；硝化抑制率 ；黄泥田 ；氨氧化微生物 ；氮肥利用率
被引量
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摘要： 探索作物高产、资源高效和环境友好相协调的农业绿色发展道路,是保障国家粮食安全和资源环境安全的迫切需求。氮肥作为重要生产资料,在增加玉米产量方面做出突出贡献。通过调控氮肥类型可能提高玉米对氮肥的利用效率,降低土壤-作物系统活性氮损失,实现高产、养分高效与环境安全的协同。土壤耕作模式对氮肥施用效果有重要影响。为进一步明确不同土壤耕作模式下新型氮肥对田间玉米产量及土壤-作物系统活性氮排放的调控作用机制,在吉林省梨树县两种土壤耕作模式下,通过3年（2018-2020年）定点试验研究了氮肥类型对玉米产量、土壤-作物系统活性氮排放特征的影响。结果表明:（1）耕作模式显著影响玉米关键生育期0-5 cm土层土壤温度及0-60 cm土层土壤含水量。与旋耕模式相比,条耕模式下苗期与拔节期0-5 cm土层土壤温度分别降低了1.8℃和1.4℃,吐丝期与灌浆期0-5 cm土层土壤温度分别提高了1.4℃和1.6℃;条耕模式提高了玉米拔节期、吐丝期、灌浆期及成熟期土壤含水量,分别提高了3.1%、2.4%、1.7%和、1.7%。（2）一次性施肥条件下,耕作模式与氮肥类型显著影响玉米籽粒产量和玉米氮素吸收利用。条耕模式下玉米籽粒产量、玉米成熟期植株吸氮量和氮素利用率分别为8881 kg hm-2、121.2 kg hm-2和35.5%,显著低于旋耕模式(9342 kg hm-2、130.6 kg hm-2和45.5%);与常规氮肥（U）相比,供试新型氮肥显著增加玉米籽粒产量且提高玉米氮素吸收利用,增产幅度为43.0%～46.5%,玉米成熟期植株吸氮量增加36.5%～40.2%,氮素利用率增加21.6%～23.6%。（3）耕作模式与新型氮肥显著影响土壤氨挥发状况及氧化亚氮排放。条耕模式下氨挥发累积量及氧化亚氮排放总量分别为19.1 kg hm-2和967.1 g N2O-N hm-2,显著高于旋耕模式(17.5 kg hm-2和886.6 g N2O-N hm-2);与常规氮肥（U）相比,供试新型氮肥显著降低氨挥发累积量及氧化亚氮排放总量,降低比例分别为34.6%～41.2%和19.2%～29.0%,其中树脂包衣尿素（RCU）有较好的氨减排效果,添加硝化抑制剂（DMPP）尿素有较好的氧化亚氮减排效果。综上所述,与旋耕模式相比,条耕模式在玉米苗期及拔节期降低了0-5 cm土层土壤温度,提高了0-60 cm土层土壤含水量;增加了玉米种植体系的氨排放及氧化亚氮排放,降低了植株对氮素吸收利用及玉米籽粒产量,但是不影响一次性施用条件下新型氮肥的增产及气态氮减排效果。
关键词: 耕作模式 ；新型氮肥 ；玉米籽粒产量 ；氨挥发 ；氧化亚氮排放
被引量
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摘要： 于2012～2013和2013～2014年度,在山东省兖州市进行大田试验,供试小麦品种为济麦22。2012～2013年度,试验设置拔节水、播种水+拔节水、冬前水+拔节水、拔节水+开花水、播种水+拔节水+开花水、冬前水+拔节水+开花水6个补灌时期组合,0～140 cm土层为拟湿润层,以全生育期不灌水和播种期、拔节期、开花期定额补灌60mm处理为对照,共8个处理。2013～2014年度,试验设置补灌时期组合与2012～2013年度一致,设置0～20 cm和0～140 cm两个土层为拟湿润层,以全生育期不灌水处理和播种期、拔节期、开花期定额补灌60mm处理为对照,共14个处理。同时,2012～2013年设置不同仪器法测定土壤含水量差异性和相关性试验,试验分别采用频域反射（FDR）、时域反射（TDR）、驻波率（SWR）土壤水分测试仪及传统烘干法于小麦冬前期、拔节期和开花期进行土壤含水量测定,设置0～20、0～40和0～60 cm三个拟湿润层深度。各处理补灌的目标相对含水量在冬前期、拔节期和开花期分别为80%、70%和70%,共12个处理。研究不同补灌时期和不同拟湿润层深度对小麦耗水特性、碳氮代谢和籽粒产量的影响主要结果如下:1补灌时期和拟湿润层深度对小麦产量和水分利用效率的影响1.1补灌时期和拟湿润层深度对小麦根系分布和耗水特性的影响播种期补灌,小麦0～20 cm土层根系在冬前期的生长受到抑制,但返青后根长密度、根表面积密度和根干重密度迅速提高,冬前期补灌亦有利于返青后小麦根系的生长;小麦开花期0～100 cm土层根系的根长密度、根表面积密度和根干重密度随土层深度的增加而降低。开花期前不灌水或者仅在在拔节期灌1水,可以促进根系下扎,提高60～100 cm土层土壤中根系的根长密度、表面积密度和干重密度。播种期和拔节期补灌或冬前期和拔节期补灌,促进了20～40 cm和40～60 cm土层中根系的生长。播种期灌水量及之后的灌水频率和时期一致的条件下,拟湿润层深度为0～20 cm的处理与拟湿润层深度为0～140 cm的处理相比,总灌水量减少12.2～43.1mm,总耗水量减少1.9～35.1mm.。小麦全生育期各处理对80～140 cm土层土壤贮水的消耗量最大。全生育期不灌水或只在拔节期补灌1水,促进了小麦对80～200 cm土层土壤水的利用;开花期补灌,显著降低小麦对80～200 cm土层土壤水的消耗。在补灌时期和次数相同条件下,拟湿润层为0～20cm,目标相对含水量为100%的处理比拟湿润层0～140cm,目标相对含水量为70%的处理和定额60mm补灌的处理,总灌水量和总耗水量显著降低,土壤贮水消耗量显著增加。1.2不同处理对小麦土壤温度的影响在拟湿润层深度均为0～20cm土层条件下,播种期补灌后5～30cm土层土壤温度日较差降低,且播种期至冬前期期间5～30cm土层积温比播种期不补灌处理低0.4～16.8℃,在此土层范围内,随土层深度增加,两处理之间的积温差增大。冬前期补灌可提高冬前期至返青期间的土壤温度;播种期+拔节期补灌处理与冬前期+拔节期补灌处理相比,拔节后的土壤温度升高;播种期+拔节期+开花期补灌处理与冬前期+拔节期+开花期补灌处理相比,全生育期5～30cm各土层积温提高了60.3～136.7℃。小麦各土层每日各时段的温度呈周期性变化,以“s”曲线由表层向深层渐次递减或递增,以5cm土层土壤温度变化幅度最大,日最高和最低温度均出现在该土层;在5～30cm土层范围内随土层加深,土壤温度日变化幅度逐渐减缓。不同补灌处理对土壤温度有显著影响,播种期补灌降低了土壤温度日变化幅度;冬前期补灌后2d内,其土壤温度明显高于播种期补灌水的处理。1.3不同处理对小麦内源激素的影响小麦拔节期和开花期,处理间aba含量表现为随补灌次数增加而降低的趋势,ga含量表现为随灌水次数增加而提高的趋势;播种期+拔节期+开花期补灌处理的小麦旗叶aba含量在拔节期和开花期低于其余处理,而旗叶ga含量则高于其余处理。播种期+拔节期+开花期补灌处理拔节期和开花期的旗叶aba含量最低,ga含量最高。1.4不同处理对旗叶衰老的影响小麦开花后,各处理旗叶过氧化氢酶（cat）活性随灌水次数增加呈降低趋势,可溶性蛋白含量随灌水次数增加呈升高趋势。小麦生育期补灌3水处理旗叶丙二醛（mda）含量在开花后0d至28d期间一直低于其余处理,而可溶性蛋白含量则一直高于其余处理。说明冬前期+拔节期+开花期补灌有利于降低小麦旗叶细胞膜结构受损程度,延缓旗叶衰老,维持较高的细胞代谢水平。1.5不同处理对小麦碳代谢的影响补灌播种水、冬前水、拔节水和开花水,对提高小麦旗叶最大光化学效率（fv/fm）、旗叶实际光化学效率（ΦpsⅡ）和旗叶电子传递效率（etr）以及光合速率（pn）均有显著调节作用,补灌播种水+拔节水+开花水或冬前水+拔节水+开花水的处理,花后旗叶最大光化学效率（fv/fm）、旗叶实际光化学效率（ΦpsⅡ）、旗叶电子传递效率（etr）、旗叶光合速率（pn）和旗叶水分利用效率（wueleaf）均高于其余处理。在本试验小麦生长季补灌水0～3次条件下,补灌次数越少,开花后旗叶可溶性糖积累越快,但积累总量越低,释放越快;全生育期补灌次数越多,开花后旗叶可溶性糖积累相对越慢,但后期积累量越大,释放平稳,有利于可溶性糖向籽粒淀粉转化。适当增加补灌次数,小麦灌浆中后期源叶有更强的供应能力。补灌时期和次数相同的情况下,拟湿润层深度为0～20cm、目标相对含水量为100%的处理与拟湿润层深度为0～140cm、目标相对含水量为70%的处理以及定额补灌60mm处理对小麦开花后旗叶可溶性糖含量的影响无显著差异。小麦开花后14d和28d旗叶同化的13c同位素在成熟期籽粒中分配的比例高于开花后0d旗叶13c同位素标记的处理,说明小麦灌浆中后期旗叶光合碳同化物对籽粒灌浆的贡献较大;小麦全生育期补灌冬前水+拔节水+开花水处理的13c同化积累量显著高于其余处理,说明其花后旗叶光合碳同化能力较强。小麦生长季补灌播种水、冬前水、拔节水、开花水,均可以提高小麦干物质积累量,其中全生育期补灌3水的处理成熟期干物质积累量高于补灌2水、1水和0水的处理。补灌开花水显著提高了开花后同化的干物质量对籽粒的贡献率。在拔节期和开花期补灌的条件下,增灌播种水或冬前水均能提高小麦开花前营养器官贮存干物质向籽粒的转运量和开花后干物质积累量。补灌时期和次数相同的条件下,拟湿润层深度为0～20cm、目标相对含水量为100%的处理与拟湿润层深度为0～140cm、目标相对含水量为70%的处理以及定额补灌60mm处理对小麦开花后干物质积累和转运的影响无显著差异。1.6不同处理对小麦氮代谢的影响小麦全生育期补灌3水比补灌2水更有利于提高小麦开花前营养器官氮素积累量及其向籽粒的转运量,增加籽粒氮素积累量,但对氮素利用效率无显著影响;在拔节期和开花期补灌的条件下,增灌播种水对小麦植株氮素积累量、籽粒氮素积累和氮素吸收利用效率的调节作用与增灌冬前水无显著性差异;补灌时期和次数相同的条件下,拟湿润层深度为0～20cm、目标相对含水量为100%的处理与拟湿润层深度为0～140cm、目标相对含水量为70%处理以及60mm定额灌溉处理对小麦氮素积累、转运和吸收利用的调节作用无显著差异。1.7不同处理对籽粒产量和水分利用效率的影响两年度试验各处理籽粒产量均呈现随补灌次数增加而增加的趋势,但全生育期补灌播种水+拔节水+开花水的处理与补灌冬前水+拔节水+开花水处理之间无显著差异。补灌时期和次数相同条件下,2012～2013年度,以0～140 cm土层为拟湿润层补灌的处理与每次60 mm定额灌溉处理相比,产量无显著差异,但灌水量减少25.4 mm57.2 mm,水分利用效率明显提高;2013～2014年度,拟湿润层深度为0～20 cm、目标相对含水量为100%的处理与拟湿润层深度为0～140 cm、目标相对含水量为70%的处理和定额60mm补灌处理相比,籽粒产量无显著差异,但灌水量减少了9.8 mm42.5 mm,水分利用效率提高0.3～1.3 kg·hm-1·mm-1。上述结果表明在相同的灌水频率和时期条件下,以0～20 cm土层相对含水量达到100%为目标补灌或以0～140 cm土层达到70%80%为目标补灌可挖掘出小麦高产水平下节水的更大潜力。2不同仪器法测定土壤含水量的相关性和差异性FDR和SWR仪器测得的FCv换算为以水土质量百分比表示的田间持水量FCv-m,与传统方法测得的田间持水量FCm之间的相对误差为0.4%2.6%;TDR仪器测定计算得出的WCv-m值与烘干法测得的WCm值的相对误差与相应土层土壤温度呈极显著正相关,在冬小麦播种期、开花期和成熟期较高,在冬前期和拔节期较低;SWR仪器测定计算得出的WCv-m值与WCm值的相对误差与相应土层土壤含水量呈极显著负相关,在土壤含水量较高的条件下测量的准确度较高。FDR仪器在冬小麦生育期内测量的准确性受土壤温度和水分的影响较小,准确度和稳定性均较高,直接利用其测定的FCv和WCv值计算灌水定额补灌,获得了与传统烘干法测定土壤含水量后按需补灌一致的效果。
关键词: 小麦 ；补灌时期 ；拟湿润层深度 ；水分利用效率 ；产量
被引量
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摘要： 目前我国的化肥使用仍处于高投入量、低利用率的初级阶段。在我国每年化学肥料投资约占全部农业生产性支出的50%,然而化肥氮素的利用率却只有20%-40%,自20世纪80年代以来,缓/控释肥为解决这个问题开辟了新的思路和有效的途径。缓控释肥能有效控制养分释放速度,延长肥效期,满足作物整个生育期对养分的需要,最大限度地提高肥料利用率,增加施肥的经济效益。缓控释肥广泛的可分为温度依赖型和水分依赖型两种,我国现阶段所研制成功的缓控释肥品种主要以温度依赖型为主,水分依赖型的尚属少数,而对于我国广阔的北方半干旱气候农业区,其农业主要以雨养为主,所以急需一种能够适用于于半干旱地区的肥料品种,鉴于此,本试验便模拟干旱区缺水条件下,以北京市农林科学院研制的一种低成本、低残留、易降解的微水溶性胶结包膜肥料为材料,与现代农业生产中最常用的一些肥料品种进行肥效及生物效果对比,研究该肥料的氮素溶出转化机制及对植株和土壤养分吸收的影响,从而为今后适用于干旱半干旱地区适用的微水溶性缓释肥方面的开发提供科学依据,结果表明：
(1)本研究采用“室内土肥混合培养试验”通过恒温及控制不同的土壤含水量,探索温度及土壤水分对微水溶性胶结包膜肥料氮素释放的影响。结果表明,普通尿素的峰期基本处于第7天左右,微水溶性胶结包膜肥料的峰期基本处于第42天左右,比尿素峰期要晚35天左右,由此可见与尿素相比,微水溶性胶结包膜肥料已具有一定的缓释效果。无论土壤含水量多少,尿素处理都是在达到峰值后急剧下降,在峰值之后特别是55d之后所能提供的养分含量已经很低,不能够持续为作物提供养分,此时便需要采用追肥措施再次施入尿素,但微水溶性胶结包膜肥料的氮素溶出在峰值出现先下降率较低,由于土壤含水量的不同,可保持在1000-4000mg/kg的水平,也就是说仍可持续为作物提供生长所需养分,不需再次追肥,省时省力；其次,对于肥料氮素溶出总量来说,除在6%含水量条件下微水溶性胶结包膜肥料的累计总量稍低于尿素处理外,在14%与22%含水量条件下均明显高于尿素处理,其数值范围为；6961～12473mg/kg之间,说明在肥料利用率方面,与尿素相比微水溶性胶结包膜肥料也有了一定的改进,能够提高肥料利用率,从而降低肥料养分流失与对土壤环境的污染。由于于在第70d取样后,测的肥料的氮素溶出率已达到肥料氮素含量的80%,所以,可以认定该肥料的释放期为70天,可以为营养生长期在70天左右的作物稳定提供所需养分。微水溶性胶结包膜肥料的峰值基本出现在第42天,并且无论含水量高低,该肥料已具有明显的缓释效果；在低温条件下,土壤含水量对肥料的养分释放起主导作用,土壤含水量越高,肥料氮素溶出率也就越高,肥效越优越,在常温与高温时,温度与水分共同影响肥料的养分释放速率,但较高的土壤含水量仍有助于肥料养分的释放。在相同水分处理条件下,温度对肥料的氮素释放存在较大影响,当含水量条件较低时,肥料养分释放基本与温度成正相关关系,当土壤含水量条件适中时此时肥料养分释放受到温度与水分的综合影响,在前期与土壤环境温度成正相关关系,在25d之后高温会抑制养分释放,在较高土壤含水量条件下,土壤温度在25℃左右时肥料养分释放可以达到最优效果,但峰期会提前,由此可见,微水溶性胶结包膜肥料的最优养分释放环境为：25℃土壤环境温度+14%左右的土壤含水量。
(2)本研究采用“土柱淋洗试验”通过模拟自然降水条件,探索了微水溶性胶结包膜肥料在半干旱气候条件下在不同质地的土壤中的氮素释放随降雨而释放的影响机制。试验结果表明,与普通尿素相比,在砂壤土中,微水溶性胶结包膜肥料氮累积溶出率高出0.5-1个百分点,在中壤土中微水溶性胶结包膜肥料氮累积溶出率低出16.5个百分点左右,溶出起始时间比普通尿素延迟了2-5天,峰值的出现时间推迟了15-20天,在峰值出现后微水溶性缓释肥仍有氮素缓慢持续溶出,比尿素可高出1-6个百分点,说明了微水溶性胶结包膜肥料氮素释放已经具有一定的缓释性。中壤十与砂壤土处理相比,每次中壤土中氮素溶出率均明显低于砂壤土,且两处理氮素溶出峰值出现时间均是砂壤土早.于中壤十,该现象的出现可能是由于土壤质地和土壤粘粒含量的不同导致土壤的保水持肥性差异所致。
(3)氨挥发是肥料氮素损失的主要途径之一。本研究采用“密闭环境硼酸吸收法”,探索了微水溶性胶结包膜肥料在不同的土壤含水量条件下的氨挥发情况。试验结果表明,相同土壤含水量下,微水溶性胶结包膜肥料与尿素处理氨挥发量均呈现先增加后降低的趋势。两肥料处理相比,微水溶性胶结包膜肥料比尿素出现氨挥发现象的时间要滞后1-3天,挥发量达到峰值的时间要滞后4-8天。微水溶性胶结包膜肥料氨挥发累积总量也显著低于尿素氨挥发累积量31-70mg.瓶-1,即微水溶性胶结包膜肥料的氨挥发累积量要低2.4-5.7个百分点。由此可见与尿素处理相比,微水溶性胶结包膜肥料处理在很大程度上降低了肥料氮素损失。3个不同含水量.下,微水溶性缓释肥氨挥发累积总量与土壤含水量表现出反相关关系,含水量越高氨挥发累积总量越低。
(4)水蒸气进入包膜内后会导致肥料内部压力上升与包膜膨胀,使氮素释放,本研究采用“控制水蒸气压”法,对微水溶性胶结包膜肥料暴露于不同的水蒸气压下的氮素释放情况进行研究。结果表明,在25℃条件下,不同时间内微水溶性胶结包膜肥料的氮素释放率均表现出NaCl饱和溶液氮素释放与水蒸气压成正相关关系。
(5)本研究采用“盆栽与大田作物种植相结合试验”方法,对微水溶性胶结包膜肥料在不同的灌水量条件的氮素释放、生物效果进行研究。结果表明,微水溶性缓释肥与尿素在土壤中的氮素释放量都出现了先增加后减少的趋势,与尿素相比,微水溶性缓释肥释放周期要更长,释放峰期也迟于尿素处理20天左右。在作物生物量方面,株高径粗叶绿素等指标微水溶性缓释肥均高于尿素。在氮素利用率方面,微水溶性缓释肥比尿素高出10-24个百分点。在作物产量及其构成方面,微水溶性缓释肥在提高作物籽粒中的N、L、K含量的同时,产量也比尿素高出1500-3634kg/hm2,由此可以得出,微水溶性缓释肥在提高氮素利用率,降低氮素流失方面有显著效果,对作物的产量有明显提高。
关键词: 半干旱气候 ；微水溶性胶结包膜肥料 ；氮素淋溶 ；氨挥发 ；减量灌溉 ；常规灌溉
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摘要： 湿地水陆交错带由于其显著的边缘效应，在水-陆生态系统之间的能量流动和物质循环中发挥着特殊的作用。湿地交错带植物作为水陆交错带中的重要组成部分，尤其是其发达的根系及其所形成的特殊根际环境，在湿地生态系统中的物质传输过程中具有至关重要的且不为人见的作用。因此，本研究以白洋淀湿地水陆交错带为研究对象，研究其根际环境对氮素转化的影响。首先，选择了2个典型水陆交错带样点，采用密闭式静态箱气体采集法，土壤剖面采样技术等，于2015年3月至2015年11月开展长期定位监测，研究不同季节（春季、夏季、秋季、冬季）芦苇根际土壤N2O气体排放、土壤剖面全氮、有机氮、土壤NH4+-N、NO3--N含量变化特征，明确氮素季节变化规律;然后，采用原状根箱模拟试验法，结合15N稳定同位素示踪技术，追踪外源氮素在芦苇根际土壤剖面的转化特征及向植物体内的迁移通量，进一步阐明水陆交错带芦苇根际环境对外源氮转化关键过程（硝化/反硝化）的影响;最后，综合分析根箱试验结果，结合土壤酶和微生物学分析技术，初步探明其微生物学机理，为全面认识湿地水陆交错带在湿地氮素转化中的作用，以及今后湿地生态系统保护和管理提供科学的理论依据。主要研究结果如下: (1)水陆交错带芦苇根际环境氮素转化季节变化规律 白洋淀芦苇型水陆交错带土壤氮素形态在不同土层中含量有所不同，土壤中氮素主要以有机氮形式存在，各土层中有机氮含量占全氮含量的97％以上，且主要集中在土壤表层，随土层深度的增加而降低。在土壤剖面中NH4+-N含量差异较小，除80-100cm土层NH4+-N含量略高外，0-80cm土层NH4+-N含量在8.34～9.74mg/kg之间。土壤各层NO3--N含量均呈现随土层深度增加先降低后又上升趋势。 水陆交错带土壤氮素主要储存在60cm以上土层，贡献率达到了70％以上。在1m土体范围内，受生活污染较严重的S1土壤氮储量(1.39kg/m2)低于受渔业生产污染相对较重的S2(1.43kg/m2)，湿地水陆交错带对氮素的截留效果明显。 白洋淀芦苇型水陆交错带土壤N2O排放通量变化呈现出明显的季节变化规律。秋季（8月）排放通量达到最大值，平均为174.71μg·(m2·h)-1，冬季（11月）最少，平均为5.01μg·(m2·h)-1;同时，N2O排放通量与表层土壤含水量、采样箱内温度、5cm和10cm土壤温度均呈现显著正相关关系，与表层有机碳不存在显著相关关系。 (2)水陆交错带芦苇根际环境对外源氮转化关键过程（硝化/反硝化）的影响规律 芦苇植株地上部和地下部对外源氮素均具有很强的吸收能力，且主要集中在地上部，地下部的氮素截留作用也非常明显。芦苇植株总吸氮量为7.03kgN/hm2，与小麦相比增加4.45倍，且主要集中在地上部。芦苇地下部吸氮量占总吸氮量的29.73％，小麦仅占9.31％。 外源氮素添加后，苇地土壤氮素残留有向下运移出植物根区的趋势，且芦苇20-60cm根际区域对于氮素的截留能力较强，损失率较低，只有28.79％。苇地表层0-20cm氮素残留总量较多，土壤15N残留量随土层深度的增加大体呈降低趋势。与小麦相比，除0-20cm表层外，芦苇其余各层土壤15N残留量均明显增加。 水陆交错带湿地芦苇土壤N2O排放引起的氮素损失较小。苇地土壤N2O排放在外源氮索添加后的第1-3d内急剧降低，后处于一个基本稳定值，第18-19d和第26d均出现了排放小高峰。N2O平均排放速率为67.54μg/(m2·h)，排放总量为453.85g/hm2，与麦田相比，均降低71.69％。 苇地土壤铵态氮、硝态氮和可溶性总氮的淋失主要发生在外源氮素添加后的第1d，且均随淋洗时间的增加呈降低趋势，硝态氮是氮素淋溶流失的主要形态。芦苇根际对于外源氮素具有较强的吸持能力，氮素利用率高，氮素淋溶损失少。 (3)生态交错带芦苇根际环境氮素转化的微生物学特征 土壤微生物的变化对于氮素的转化起到了关键的作用。表层0-20cm土壤氨氧化细菌、硝化细菌、反硝化细菌数量明显增加，高出同时期麦田10.69％、59.10％和40.06％，土壤脲酶和蛋白酶活性则增加不显著。
关键词: 湿地水陆交错带 ；氮素转化 ；根际环境 ；微生物学 ；季节变化
摘要： 氮肥在增加农作物产量、提高作物品质等方面发挥着很大的功效。自我国耕地应用氮肥以来,确实取得了增产增收的效果,因而我国土壤对氮肥的依赖性也越来越大,在某些土壤上,氮肥的施用与农作物产量的变化几乎成正比。但是近些年来,随着投入到土壤中的氮素越来越多,过量的氮素还未来得及被农作物吸收利用,就因发生转化、转移等过程而损失掉,最为明显的是过量的硝态氮肥残留在土壤中,会通过淋溶、径流、反硝化等途径进入大气和水体,严重污染了土壤、大气、水体等环境。因此除了要合理施用氮肥外,控制尿素等铵态氮肥向硝态氮的转化,减少硝态氮在土壤中的残留成为减少氮肥损失和环境污染的主要途径之一。本试验以此目的为主要出发点,研究土壤脲酶抑制剂和硝化抑制剂与尿素共同施用后,在不同的温度和湿度条件下对铵态氮肥和硝态氮肥的影响,进而分析出土壤抑制剂在降低氮素损失和环境污染方面的作用。具体研究结果如下:
1不同土壤温度和湿度条件下,脲酶抑制剂氢醌对施入到土壤中的尿素影响显著。与对照(只施加尿素)相比,土壤中铵态氮的含量下降明显,硝态氮含量也低于对照处理。在同一土壤湿度水平下,氢醌在土壤温度25度时的脲酶抑制效果要优于土壤温度15度和35度条件下的处理;在同一土壤温度水平下,氢醌在土壤湿度为田间持水量的60%时的脲酶抑制效果要优于40%和80%的田间持水量这两个土壤湿度处理。通过土壤脲酶抑制率也表明,氢醌在土壤温度25度,土壤湿度为田间持水量的60%这个条件下对脲酶的抑制效果比较理想。
2不同土壤温度和湿度条件下,硝化抑制剂双氰胺能够很好的抑制土壤硝化作用。与对照相比,双氰胺处理的土壤中硝态氮含量明显降低,铵态氮含量有所升高。在同一土壤湿度水平下,双氰胺在土壤温度15度时的硝化抑制效果要优于土壤温度25度和35度条件下的处理;在同一土壤温度水平下,双氰胺在土壤湿度为田间持水量的40%时硝化抑制效果较好,优于40%和80%的田间持水量这两个土壤湿度处理。通过土壤硝化抑制率也可看出,硝化抑制剂双氰胺随着土壤温度和湿度的升高,硝化抑制效果减弱。
3新型硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)是一种既实用又环保的硝化抑制剂。在不同土壤温度和湿度条件下对DMPP的研究结果表明:较低浓度的DMPP处理的土壤中硝态氮的含量就低于对照处理。在同一土壤湿度水平,不同土壤温度条件下DMPP的硝化抑制效果强弱为C15℃>C25℃>C35℃;在同一土壤温度水平,不同土壤湿度条件下硝态氮浓度由高到低的顺序为C40%土壤硝化作用影响的研究表明,施用浓度的大小对土壤硝态氮含量没有明显的影响,但是随着土壤培养时间的延长,不同温度和湿度处理下,土壤中硝态氮的含量都有所上升。腐植酸钾在不同的环境条件下对双氰胺和DMPP有不同的增效作用。
5几种土壤抑制剂都有各自的优缺点,综合比较之后发现,在不同的土壤温度和湿度的处理下,对土壤脲酶水解和硝化作用的抑制方面产生了不同的结果,可见,土壤抑制剂的施用要以一定的土壤条件为基础。
关键词: 氢醌 ；双氰胺 ；3,4-二甲基吡唑磷酸盐 ；腐植酸钾 ；硝化作用
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摘要： 尿素是我国农业生产中广泛应用的氮(N)肥种类,如何减少稻田尿素N损失对提高水稻氮肥利用率、减少环境污染至关重要。从土壤中N素生物化学转化的过程入手,采用脲酶/硝化抑制剂进行双重调控,是从源头上控制农田N素污染、实现高效利用尿素N的有效措施。本文采用室内培养试验研究脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)和硝化抑制剂2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(CP)及其两者组合对尿素态N在黄泥田土壤中的转化作用效果及氨(NH3)挥发累积特性的影响,以及土壤温度和含水量互作对生化抑制剂组合抑制N素转化效果的影响;对比土壤或纯脲酶中N-丙基硫代磷酰三胺(NPPT)与NBPT抑制尿素水解效果,评价抑制脲酶性能,并通过分子对接和分子动力学模拟研究其与洋刀豆脲酶的相互作用机制。采用土柱淋溶试验,研究N肥配施生化抑制剂组合对N、钾(K)在黄泥田土体中淋溶损失,及土壤CO2、CH4和N2O累积排放和全球增温潜势(GWP)的影响。采用田间试验研究生化抑制剂组合与施肥模式互作对黄泥田水稻产量、群体质量和养分利用率、稻季田面水和渗漏液N素浓度动态变化、NH3挥发及稻季温室气体(CH4和N2O)排放通量的影响。取得的主要研究结果如下:1.生化抑制剂组合对黄泥田土壤尿素态氮转化及氨挥发累积特性的影响:不同剂量NBPT处理可以缓释尿素施入3～9 d,有效抑制土壤脲酶活性,减缓尿素分解,显著降低NH3挥发速率峰值34.98%。不同剂量CP处理可以有效抑制NH4+-N向NO3--N转化,其有效调控时间长达72 d以上,但加剧NH3的挥发损失,显著增加NH3挥发速率峰值10.89%。NBPT+CP组合既能缓释尿素3～9d,有效抑制脲酶活性,减缓尿素水解,又能保持土壤中较高NH4+-N含量的时间超过72 d,且降低施肥初期的NH3挥发速率,减少NH3挥发损失。在黄泥田土壤中施用生化抑制剂时,NBPT和CP选用范围分别为≤0.5%和≤0.3%。2. NPPT与NBPT的脲酶抑制效应比较:壤土和黏土中,尿素作用时间≤9d,NBPT/NPPT可以延长尿素水解时间超过3d。砂土中,尿素分解过程相对缓慢,NBPT/NPPT显著降低土壤脲酶活性,抑制NH4+-N生成。不同尿素用量条件下,脲酶抑制剂在不同质地土壤中脲酶抑制效果表现为高施N量优于低施N量,且砂土>黏土>壤土。不同剂量NPPT与土壤或洋刀豆脲酶反应显著抑制脲酶活性,延缓尿素水解,效果与NBPT类似。分子对接显示,NPPT/NBPT与洋刀豆脲酶之间的作用模式相似:两者均渗入脲酶活性催化位点,与洋刀豆脲酶催化部位的镍离子和不同氨基酸的残基密切结合。模拟计算得出,NPPT和NBPT与洋刀豆脲酶的结合能(AGdock)分别为-66.04 kcal·mol-1 和-66.36 kcal·mol-1。NPPT由于其产品热稳定性高、适于尿素融浆的加工过程,有利于尿基肥料应用在以后的生产中。3. 土壤温度和含水量互作对生化抑制剂组合抑制氮素转化效果的影响:土壤温度和土壤含水量对生化抑制剂组合在黄泥田土壤中抑制尿素水解效应显著,以土壤温度影响更大。随着土壤温度增加,尿素水解转化增强,有效作用时间降低,硝化作用增强,脲酶和硝化抑制效应减弱;随着土壤含水量降低,尿素水解转化缓慢,有效作用时间延长,硝化作用减弱,脲酶和硝化抑制效应增强。不同土壤温度和含水量条件下,NBPT/NPPT或配施CP处理有效抑制黄泥田土壤中脲酶活性,延缓尿素水解;CP或配施NBPT/NPPT处理有效抑制NH4+-N向NO3--N转化,保持土壤中较高NH4+-N含量长时间的存在。黄泥田土壤中生化抑制剂组合最佳应用的土壤温度和含水量分别为25℃和60%WHC。4.氮肥配施生化抑制剂组合对黄泥田土壤氮、钾淋溶损失及温室气体排放的影响:不同N肥种类NBPT处理可以有效抑制淋溶液中NH4+-N生成,延缓淋洗出峰时间,减少NH4+-N流失;CP处理可以有效抑制NH4+-N向NO3--N转化,减少NO3--N流失,有效调控时间超过72d; NBPT+CP组合既能保持土壤中较高NH4+-N含量,又能降低淋溶液中NO3--N浓度。与单施NBPT相比,配施CP可以减少黄泥田土壤中NO3-淋溶,增加土壤晶格对K+的吸附,减轻K+淋失风险,有效时间长达72 d。不同种类N肥添加CP延迟并显著降低N2O排放通量峰值。CP或配施NBPT分别减少土壤N2O排放量32.66%和24.72% (尿素)、29.85%和29.44% (尿素硝铵);尿素配施NBPT显著减少N2O排放量10.56%。添加抑制剂有效减少各种N肥的GWP,以NBPT+CP组合降幅最大(24.68%)。5.生化抑制剂组合与施肥模式对黄泥田水稻产量、群体质量、养分累积及利用率的影响:尿素分次施用处理水稻产量和经济效益较一次性施用处理分别显著提高14.2%和14.6%;水稻有效茎蘖数、有效叶面积指数(LAI)、抽穗至成熟期干物质累积和抽穗期SPAD值分别提高0.8%、24.0%、9.3%和1.5%;水稻成熟期N、P、K吸收量分别提高11.0%、0.9%、4.2%; N肥吸收利用率和N肥农学利用率分别显著提高27.5%和70.8%。不同施肥模式下,配施生化抑制剂组合(NBPT/NPPT+CP)显著提高水稻有效茎蘖数及茎蘖成穗率,增大有效LAI,增加抽穗期SPAD值,提高水稻粒叶比,改善源库关系;增加水稻N、P、K吸收量,促进抽穗后干物质生产和N素积累,提高籽粒中的养分分配及N素利用效率。6.生化抑制剂组合与施肥模式对黄泥田稻季田面水和渗漏液氮素动态变化、氨挥发及温室气体排放的影响:尿素分次施用处理稻季NH3挥发净损失率较一次性施用处理显著降低24.6%; CH4和N2O排放总量、GWP及GHGI分别显著降低13.5%、20.7%、14.4%和25.0%。不同施肥模式下,CP显著提高稻季田面水NH4+-N浓度和NH3挥发速率峰值,增加稻田NH3挥发损失量,而NBPT/NPPT或配施CP有效降低田面水NH4+-N和NH3挥发速率峰值,减少稻田NH3挥发损失量;CP显著降低稻季渗漏液N03--N浓度和N2O排放通量峰值,减少稻季CH4和N2O排放总量,而CP或配施NBPT/NPPT有效降低渗漏液NO3--N峰值,减少稻季CH4和N2O排放,降低GWP和GHGI。
关键词: 尿素 ；脲酶抑制剂 ；硝化抑制剂 ；铵态氮 ；硝态氮 ；氨挥发 ；温室气体 ；养分利用率 ；黄泥田
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摘要： 【目的】近年来,设施蔬菜的种植面积呈现持续增长的态势,由于其生态环境与大田粮食生产不同,尤其是氮肥过量投入,从而导致的一系列生态环境问题,比如氮素积累、氨挥发与N2O排放、氮素淋溶损失等问题。其中,以N2O排放和土壤氮素积累的问题最为突出,而目前国内对这两个问题在设施蔬菜地上的系统观测较少,N2O排放特征与土壤硝态氮积累规律尚不清晰。因此,本研究以北京郊区典型设施蔬菜—番茄-甘蓝种植模式为例,从2014年2月-12月进行高密度的原位连续观测,为设施蔬菜即能保证产量,又能够保护生态环境的优化管理技术的提出提供科学依据。【方法】通过静态箱—气相色谱法和田间监测,研究不同氮肥施用措施(农民常规施肥FP、减量施氮OPT、减量施氮+秸秆还田OPTS、减量施氮+硝化抑制剂OPTD、对照CK)对N2O排放与土壤氮素积累的影响。【结果】(1)明确了设施菜地土壤N2O生长季与轮作周期内排放规律。整个生长季,除基肥施用后排放峰持续7-10天外,施氮肥处理在施肥+灌水事件后土壤N2O排放呈现出一段短而急促的排放峰,排放峰持续3-6天。OPT,OPTS,OPTD化肥氮量相对于FP减少了60%,整个轮作周期内N2O排放总量分别减少了44.93%,49.38%和63.78%,说明这3种减氮措施均能降低N2O的排放,其减排效果分别为OPTD>OPTS>OPT。各处理N2O排放系数在0.29-0.74之间,均低于IPCC 1%的推荐值。(2)初步确定了N2O排放的影响因素。土壤无机氮含量与N2O排放变化趋势基本一致;番茄生长季N2O排放通量与土壤孔隙含水量(WFPS)显著相关,甘蓝生长季N2O排放通量与土壤温度显著相关,表明春夏季蔬菜N2O排放主要受土壤湿度影响,而秋冬季蔬菜N2O排放主要受土壤温度影响。(3)通过对番茄-甘蓝种植模式下土壤表层硝态氮积累的研究发现,减氮措施相对与农民常规施肥处理能够有效减少0-20cm土层硝态氮增加量,试验前后CK,FP,OPTS处理的表层积累量有所增加,分别增加了19.05 kg hm-2,191.05 kg hm-2,55.56 kg hm-2;OPT,OPTD处理的表层积累量有所减少,分别减少了45.47 kg hm-2,69.15 kg hm-2。焖棚事件使土壤表层硝态氮积累量迅速增加。各处理土壤NO3--N在表层含量最高,在0-100 cm剖面均呈逐渐减少的趋势,且在80-100cm土层中仍然保持较高水平;在0-100cm土层中,有超过50%的硝态氮积累总量在40cm土层以下,说明设施蔬菜地存在氮素淋洗量高的风险。【结论】减量施氮的3个处理与农民常规施肥处理相比,产量之间没有差异性。从产量、土壤N2O排放和氮素积累3个方面综合分析,相对于其他减氮处理而言,减量施氮+硝化抑制剂处理(OPTD)能够在保证产量的前提下,最有效的减少N2O排放和土壤0-100cm土层硝态氮积累量,是一种值得推广的措施。
关键词: 设施蔬菜地 ；土壤N2O排放 ；硝态氮积累
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