农田黑土氮素转化特征对冻融作用的响应

为了深入了解非生长季农田黑土氮素转化过程,采用室内冻融模拟培养试验研究了不同冻融因子[冻融温度(冻结温度:-3、-6、-9、-12、-15℃;融化温度:2、5℃)、冻融循环次数(1、3、6、10、15;其中在-3℃冻结6 d、2℃融化1 d为1个冻融循环次数)、水分含量(10%、20%、30%)]对农田黑土无机氮组分含量及氮素转化速率的影响。结果表明,较大的冻融温差(-15℃/2～5℃)、适宜的冻融循环次数(1～3)和水分含量(20%～30%)是影响农田黑土氮素转化的主要驱动因子。冻融土壤铵态氮含量、硝态氮含量、净氮矿化速率和硝化速率均随着冻结温度降低显著增加,均随着融化温度升高无显著性变化。随着冻融循环次数增加,冻融土壤铵态氮含量、硝态氮含量、净氮矿化速率和硝化速率均显著降低。随着水分含量增加,冻融土壤铵态氮含量显著增加,这与硝态氮的变化趋势相反,而净氮矿化速率和硝化速率均无显著性变化。可见,冻融作用显著促进非生长季农田黑土氮素转化,有利于土壤有效氮的累积。     

水氮调控对设施土壤有机氮组分、全氮和矿质氮的影响

为探讨水氮调控对设施土壤有机氮组分、全氮和矿质氮的影响,通过膜下滴灌设施番茄田间定位试验,采用灌水下限(W_1、W_2、W_3)和施氮量(N_1、N_2、N_3)的两因素三水平随机区组设计,研究水氮调控对休耕期0—30cm土层土壤有机氮组分、全氮和矿质氮的影响。结果表明,不同水氮调控下,设施土壤有机氮主要是以酸解态氮为主,总体表现酸解态氮大于非酸解态氮含量。土壤有机氮组分在酸解态氮和非酸解态氮中分配比例差异明显。土壤有机氮各组分含量及占全氮比例的大小顺序为氨基酸氮/氨态氮未知氮氨基糖氮。除氨基糖氮,其余酸解态氮各组分和酸解总氮含量及其占全氮比例均随着土层深度的增加而降低,不同土层含量差异显著(P0.05)。土壤全氮、矿质氮和总有机氮含量随土层深度的增加也呈降低趋势,且含量差异达到极显著水平(P0.01)。除氨基糖氮,全氮与其他有机氮各组分、酸解总氮间均达到极显著正相关(P0.01);矿质氮仅与酸解氨态氮及酸解总氮的影响达到极显著(P0.01)和显著正相关(P0.05)。灌水下限、施氮量及水氮交互对设施土壤全氮、矿质氮和总有机氮及有机氮组分影响均达到极显著水平(P0.01)。因此,设施土壤氮素含量的变化与水氮管理模式紧密相关。氨态氮和氨基酸氮是设施土壤中最主要的有机氮形态,是土壤活性氮中的主要组分,亦是土壤供氮潜力的表征。考虑土壤供氮潜力,灌水下限35kPa、施氮量300kg/hm~2为该设施生产下最优的水氮管理措施。     

长期有机肥与氮肥配施对潮土有机碳和有机氮组分的影响

以进行7年的小麦-玉米轮作农田有机肥与氮肥配施田间定位试验为基础,采用Bremner法测定有机氮组分,研究长期有机肥与氮肥配施对潮土0~30 cm土壤有机碳、全氮和有机氮组分的影响。结果表明:相比不施用有机肥,施有机肥22.5 t hm-2和30 t hm-2显著的提高了土壤有机碳、全氮,但有机肥7.5 t hm-2和15 t hm-2对土壤有机碳、有机氮的提高不显著。施用有机肥对有机氮各组分均有极显著影响,而施氮量180 kg hm-2,225 kg hm-2和270 kg hm-2对土壤全氮以及有机氮各组分的影响不显著,有机肥与氮肥配施仅对酸解氨态氮、氨基酸氮有显著影响。从潮土中有机氮组分上来看,酸解未知氮氨基酸氮酸解氨态氮氨基糖氮。有机碳与全氮、酸解氨态氮、氨基糖氮、非酸解氮有极显著相关性,全氮与酸解氮、酸解氨态氮、非酸解氮有极显著相关性,与氨基糖氮有显著相关性。     

不同种植年限水田与旱地土壤有机氮组分变化

在浙江慈溪地区,由于不同时期围海造田形成了具有长时间尺度序列的典型水稻土和旱地土壤,为研究长期的土壤氮素生物地球化学循环过程提供了很好的对象。本研究运用封管水解Bremner法测定了不同种植年限下土壤氨基酸氮、氨基糖氮、氨态氮、未知氮等酸解性有机氮组分,以探究不同种植年限和种植方式对土壤有机氮组分的影响。结果显示,旱地土壤的不同氮组分含量仅为水稻土相对应氮组分含量的50%~60%,水稻种植较旱地更利于土壤氮素的保存和利用。从长时间尺度来看,除氨基酸氮和水稻土氨基糖氮外,有机氮各组分含量随时间呈指数变化趋势,水稻土主要呈增加趋势,而旱地土壤则表现为降低趋势。该地区土壤氨基酸氮占全氮比例为23.5%~29.3%,氨基糖氮比例为6.0%~7.6%,氨态氮为21.0%~28.8%,未知氮为13.0%~21.1%,不同种植方式和种植年限对土壤主要有机氮组分所占全氮比例影响不大。     

黑土有机氮组分在甜菜生长季矿化特征的研究

采用田间、盆栽试验、室内好气培养和Bremner酸解法测定有机氮组分相结合的研究方法,探讨了甜菜生长季黑土有机氮组分变化及其矿化特征。结果表明,酸解总氮是黑土有机氮的主要组成部分,占土壤总氮的66%~97%,而非酸解态氮仅占较小的比例。施肥处理(N120/P120/K120)增加了从叶丛生长期(6月)到收获期(9月)土壤有机氮组分中酸解总氮和氨基酸态氮含量。在甜菜幼苗期(5月),黑土酸解有机氮各组分比例由大到小的次序为:氨态氮未知态氮氨基酸态氮氨基糖态氮。随着甜菜的生长,氨基酸态氮含量增幅最为明显,在叶丛生长期(6月)和糖分积累期(7月)达到高峰,施肥处理增幅均高于其他处理(N0/P120/K120,CK1,CK2),氨态氮无明显变化,未知态氮随着甜菜的生长,所占比例明显下降,因此到叶丛快速生长期后,各个处理酸解总氮的4种组分占全氮比例依次为:氨基酸态氮氨态氮未知态氮氨基糖态氮。经好气培养91d后,施肥处理明显增加土壤的累积矿化量,供氮潜力(N0)和供氮强度(k),土壤矿化势与氨基酸态氮呈显著正相关,相关系数为0.951(p0.05),与非酸解态氮和氨基糖态氮呈负相关,表明氨基酸态氮是土壤可矿化态氮的主要贡献者。     

干湿交替下氮肥施用对土壤有机氮库转化的影响

水旱轮作条件下频繁的干湿交替显著影响了土壤氮素转化。为了明确干湿交替下氮肥施用对土壤有机氮库转化的影响,采用室内培养的方法,研究模拟淹水、干旱、水改旱、旱改水条件下,氮肥施用对土壤有机氮库动态变化的影响,以期为水旱轮作体系氮肥合理施用提供理论支撑。结果表明,氮肥施用能够显著提高土壤酸解态总氮含量,不同水分条件下土壤酸解态总氮含量无明显差异,但对酸解态总氮各组分含量产生显著影响。模拟淹水条件下酸解态氮主要以酸解铵态氮和未知态氮形式存在,分配比例分别为40.2%和33.7%,而模拟旱地条件下主要以氨基酸态氮和未知态氮形式存在,分配比例占到了40.7%和31.5%。经水分条件转换后,各种水分条件下土壤酸解铵态氮和氨基酸态氮含量均出现降低,水改旱条件下土壤氨基糖态氮含量显著提高,而旱改水条件下未知态氮含量显著提高。在整个培养阶段,土壤铵态氮与酸解铵态氮存在极显著的正相关,具有相似的变化规律。综上所述,氮肥施用到水田初期有利于提高土壤铵态氮和酸解铵态氮含量,随后这两种氮组分逐渐分解转化,而氨基糖态氮含量逐渐提升,氨基糖态氮是水旱轮作体系中肥料氮素的重要“中     

黑土区水稻土有机氮组分及其对可矿化氮的贡献

采用Bremner法和长期淹水密闭培养法,研究了黑土区不同有机碳水平水稻土有机氮组分及其与可矿化氮的关系。结果表明,土壤酸解氮含量大于非酸解氮。土壤酸解各组分氮含量及其占全氮比例大小的顺序相同,即均为未知态氮氨基酸态氮氨态氮氨基糖态氮。土壤氮素矿化潜力(N0)为38~175.3 mg kg-1,矿化速率常数(k0)为0.022~0.041 d-1。土壤有机碳、全氮含量与氮矿化潜力(N0)之间均呈显著正相关(p0.01或p0.05);土壤C/N、p H与氮素矿化潜力(N0)之间均呈显著正相关(p0.01),而与矿化速率常数(k0)之间则均呈显著负相关(p0.05或p0.01),因此,土壤有机碳(氮)、C/N和p H是影响土壤有机氮素矿化的重要因素。相关分析表明,在各组分有机氮中,酸解氨态氮、酸解氨基酸态氮和非酸解氮均与氮矿化势(N0)关系密切(p0.01),但进一步通过多元回归分析和通径分析表明,酸解氨态氮是对可矿化氮具有直接重要贡献的组分,是土壤可矿化氮的主要来源。     

洞庭湖水稻土有机氮组分及其与可矿化氮的关系特征

为深入理解土壤有机氮有效性,利用Bremner酸解法测定了洞庭湖区典型水稻土有机氮组分,采用淹水生物培养法测定了土壤可矿化氮,并分析了二者间的内在关系。结果表明,酸解氮是土壤有机氮素的主要存在形式,其占土壤全氮的比例为58.6%～83.8%,不同类型水稻土酸解氮含量总体上依潴育性水稻土、潜育性水稻土、淹育性水稻土的次序逐渐降低;酸解氮中,氨基酸氮、氨基糖氮、氨态氮与未知氮占土壤全氮的比例分别为25.6%～43.1%、2.6%～9.0%、11.9%～22.3%和8.0%～25.3%。土壤可矿化氮数量变化主要受有机碳、全氮及粘粒含量的影响。酸解氮各组分均与土壤可矿化氮显著正相关(R=0.427～0.858,P0.05),但多元逐步回归和通径分析表明,氨基酸氮是对可矿化氮有直接重要贡献的组分,是可矿化氮的主要来源。氨基酸氮、氨基糖氮、氨态氮、未知氮与氮矿化势的通径分析决策系数分别为0.685、0.251、0.028、-0.050,表明提升有机氮中除未知氮外的其它酸解组分特别是氨基酸氮的分配比例有利于增加土壤可矿化氮供应容量。     

不同栽培模式和施氮量对小麦-玉米轮作体系土壤供氮特性的影响

以6年的小麦-玉米轮作定位试验不同处理为对象,研究了不同栽培模式及施氮对土壤供氮特性的影响。结果表明,与常规对照模式相比,覆草模式显著增加了土壤酸解总氮及有机氮各组分的含量,以及土壤微生物量氮含量及氮素矿化势N0;垄沟模式(垄上覆膜、沟内覆草)土壤酸解总氮及氮素矿化势有所增加,幅度小于覆草模式,但降低了土壤微生物量氮含量。随着施氮量的增加,土壤酸解总氮含量增加,其中以氨基酸氮、氨基糖氮及氨态氮含量的增加尤为明显;施氮还提高了土壤氮素矿化势,但降低了土壤微生物量氮含量,以施N 240 kg/hm2处理最为明显。栽培模式和施氮量对土壤酸解总氮影响的交互效应达显著水平(P0.05)。土壤氮素矿化势、微生物量氮与氨基酸氮和酸解未知态氮间呈显著相关性(P0.05),说明土壤微生物量氮及氨基酸氮和酸解未知态氮组分可能是土壤可矿化态氮的主要贡献者。     

冻融作用对农田土壤可溶性氮组分的影响

为了解非生长季农田土壤氮素转化过程,采用室内冻融模拟培养试验研究了不同冻融温度和冻融循环次数对东北4种典型农田土壤(棕壤、褐土、草甸土、黑土)可溶性氮组分含量的影响。结果表明:随着冻结温度降低,4种农田土壤可溶性无机氮(DIN,NO_3~–-N+NH_4~+-N)、可溶性有机氮(DON)和可溶性全氮(DTN)含量均显著增加。随着融化温度升高,除NH_4~+-N含量显著升高外,4种农田土壤NO_3~–-N、DON和DTN含量的变化行为受冻结温度和土壤类型的协同影响。随着冻融循环次数增加,棕壤和褐土NO_3~–-N、NH_4~+-N、DON和DTN含量均显著增加;草甸土NO_3~–-N、DON和DTN含量均显著增加,而NH_4~+-N含量显著降低;黑土NO_3~–-N和NH_4~+-N含量均显著降低,而DON和DTN含量则先升高后降低。不同类型土壤受冻融作用影响的响应能力不同,其大小顺序为褐土棕壤、草甸土黑土。可见,冻融作用促进了土壤氮素转化,有利于土壤有效氮的累积,为春季作物生长提供足够的氮素,但同时也增加了土壤氮素流失风险。     

冻融交替对农田棕壤氮素转化过程的调控效应

通过室内培养模拟试验,研究了农田棕壤可溶性氮(可溶性无机氮,DIN;可溶性有机氮,DON;可溶性全氮,DTN)含量、微生物生物量氮(MBN)含量和净氮矿化速率(NNMR)对不同冻融温度和冻融频数的响应。结果表明:冻结温度和冻融频数是影响农田棕壤氮素转化过程的主要因子。随着冻结温度降低,土壤NO3–-N、NH4+-N、DIN、DON、DTN和NNMR均显著增加,而MBN先降低后增加。随着冻融频数增加,土壤NO3–-N、NH4+-N、DIN和DTN均显著增加,这与NNMR的变化趋势正好相反;MBN则呈现降低–增加–降低的变化趋势,这与DON的变化正好相反。可见,冻融交替显著促进非生长季农田棕壤的氮素转化,增加土壤无机氮含量,提高土壤供氮能力。     

东北地区滨海盐渍土型稻田土壤有机氮组分的研究

用Bremner法测定东北地区滨海盐渍土型开垦5年、30年稻田土壤和邻近未开垦稻田的旱地土壤的有机氮各组分含量。结果表明:(1)在0~60 cm土层,3种土壤非酸解性全氮含量及其占全氮比率明显大于酸解性全氮,但总体上以表层土壤(0~20 cm)为最高。(2)与未开垦旱地土壤相比,种稻5年和30年均使表层土壤酸解全氮含量明显下降,但种稻5年使土壤酸解氨基酸态氮和氨基糖态氮的含量及其占全氮比率明显增加,使氨态氮和未知态氮的含量及其占全氮比率明显下降;而种稻30年则均使土壤酸解各组分氮含量及其占全氮比率明显下降。(3)与未开垦旱地土壤相比,种稻5年和30年稻田土壤酸解全氮含量及其占全氮比率均随土层深度的增加而逐渐降低,但2种稻田土壤酸解各组分氮含量及其占全氮比率的剖面分布则无明显的变化规律。     

Simulation of soil freezing-thawing cycles under typical winter conditions: implications for nitrogen mineralization

Purpose

Seasonal freezing-thawing cycles (FTCs) are common phenomena in middle- and high-latitude regions that may have a strong effect on soil nitrogen (N) mineralization. As yet, little information is available about N mineralization of cultivated soils affected by FTCs, especially during non-growing seasons. It is proposed that N transformation of boreal farmland soil should be well responsive to FTCs because their microbial community and physiochemical characteristics are easily influenced by human agricultural activities. To examine this hypothesis, laboratory simulation experiments were carried out to investigate the effects of different amplitudes, frequencies, and moisture regimes of FCTs on soil N mineralization dynamics, to provide a better understanding of the mechanisms influencing the effect of FTCs on soil N availability during the non-growing season.

Materials and methods

In a laboratory simulation study, cultivated black soil (BL) and brown soil (BR) (Haplic Phaeozems and Haplic Luvisols, respectively; World Reference Base for Soil Resources 1988) were collected from two provincial experimental stations to assess the dynamics of N mineralization under four FTC factors (five levels for freezing temperature, two levels for thawing temperature, five levels for freezing-thawing frequency, and three levels for soil moisture regime).

Results and discussion

There were marked variations in inorganic N pools, microbial biomass N (MBN), and net N mineralization rate (NNMR) for both soils during the FTCs. In both soils, ammonium N (NH₄-N) and nitrate N (NO₃-N) concentrations, as well as NNMR, significantly increased with the decrease in freezing temperature, but the opposite was observed for MBN. However, fluctuating thawing temperature had no significant influence on the available N forms measured. As FTCs’ frequency increased, the NH₄-N, NO₃-N concentrations, and NNMR substantially decreased in both soils, while the MBN concentration initially increased and then declined, reaching the peak at the sixth FTC. The available N fractions in both soils had different response patterns as soil water content rose, showing a considerable increase of NH₄-N, a distinct decrease of NO₃-N, a steady increase for NNMR, and an initial increase followed by a decreasing trend for MBN.

Conclusions

This study has demonstrated that FTCs during the non-growing season in temperate regions can accelerate N mineralization via increases in freezing-thawing amplitude and freezing-thawing duration. Therefore, there is a potential risk of N losses over the early spring thawing period.

     

有机肥和化肥配施对黑土有机氮形态组成及分布的影响

研究了长期定位施用有机肥和化肥对黑土中有机氮各组分含量及其在土壤各层次中分布的影响。结果表明,在耕层土壤中,常量氮磷钾和倍量有机肥配施,有机氮中铵态氮、氨基酸态氮和氨基糖态氮含量最高,各组分含量在不同肥料处理中的顺序是酸不溶氮>氨基酸态氮>铵态氮>酸解未知氮>氨基糖态氮。不同施肥处理有机氮各组分含量随着土层的加深而下降,与有机质的变化规律一致;不同土层的C/N比值在9.03～12.49之间变动。     

下辽河平原两种类型水稻土有机氮组分的研究

结合野外调查取样,采用Bremner 法测定下辽河平原两种类型（草甸土型和滨海盐渍土型）水稻土有机氮组分含量。结果表明：（1）两种类型水稻土均以酸解氮为主体。草甸土型水稻土酸解氮含量显著高于滨海盐渍土型水稻土（P<0.01）,其分配比例则显著低于滨海盐渍土型水稻土（P<0.01）。（2）两种类型水稻土酸解各组分氮含量及其分配比例的分布规律不同,其差异因酸解氮组分的不同而异。草甸土型水稻土表现为未知态氮 > 氨态氮 > 氨基酸态氮 > 氨基糖态氮,滨海盐渍土型水稻土则表现为氨基酸态氮 > 未知态氮 > 氨态氮 > 氨基糖态氮;草甸土型水稻土酸解氨态氮与氨基酸态氮总量及其分配比例显著低于滨海盐渍土型水稻土（P<0.01）,酸解未知态氮含量及其分配比例则显著高于滨海盐渍土型水稻土（P<0.01）。（3）两种类型水稻土酸解氮含量均与其土壤有机碳、全氮含量呈显著正相关（P<0.01）。因此,该地区两种类型水稻土有机氮组分含量及其分配比例的显著差异是影响土壤氮素有效性的重要因素。     

黑河中游农田荒漠过渡带土壤冻融过程中水热动态

以黑河中游典型农田荒漠过渡带为例,对过渡带3种景观单元冻融期土壤水热动态进行了野外定位监测。结果表明:(1)土壤温度随气温剧烈变化,变幅随土壤深度的增加而减小,3种景观单元土壤温度变幅由剧烈到平缓的顺序为:荒漠农田防护林,并依次形成60,100和80cm深的冻土层;(2)受土壤性质和地表覆盖的影响,冻融过程中,农田、防护林土壤含水量变化明显,且农田土壤水分含量4月初达到最大值,而荒漠土壤含水量则基本保持不变;(3)土壤水分变化滞后于土壤温度的变化,防护林土壤水和温度变化较农田缓慢;(4)浅层地下水位在冻结期下降,融化期回升,且回升速率大于下降速率。冻融过程可有效减小土壤水分的蒸发和渗漏,冻后聚墒明显,利于下层土壤水分的保持,对于来年植物生长具有一定的意义。     

灌溉方法对保护地土壤有机氮组分及剖面分布的影响

用Bremner有机氮分组法测定了连续7年采用不同灌溉方法灌溉的保护地土壤各剖面层次有机氮组分含量。结果表明,土壤全氮及有机氮各组分含量均随土层深度的增加而降低,但有机氮各组分占全氮的比例随土层深度增加的变化却无明显规律。用3种灌溉方法灌溉,不同土层间土壤有机氮各组分含量的差异主要存在于0~50 cm土层,50 cm以下差异很小;相同土层,土壤有机态氮含量均以酸解氮为主,且酸解氮中各组分绝对含量和相对含量的大小排列顺序均为,未知态氮>氨态氮>氨基酸态氮>氨基糖态氮。在0~80 cm土层,土壤酸解氮占全氮的比例大多在58%~60%之间,只有渗灌处理0~10 cm,10~20 cm及沟灌处理0~10 cm土层酸解氮占全氮的比例较低,分别为34.21%,50.75%和48.02%;而非酸解氮占全氮的比例大多在32%~36%之间。3种灌溉方法相比较,除个别层次外,酸解氮中氨基酸态氮、氨基糖态氮及氨态氮占全氮的比例在各土层中滴灌和渗灌处理均高于沟灌处理,而酸解未知态氮和非酸解氮占全氮的比例则为沟灌处理高于滴灌和渗灌处理。     

下辽河平原两种类型水稻土有机氮组分的研究

结合野外调查取样,采用Bremner法测定下辽河平原两种类型(草甸土型和滨海盐渍土型)水稻土有机氮组分含量。结果表明:1两种类型水稻土均以酸解氮为主体。草甸土型水稻土酸解氮含量显著高于滨海盐渍土型水稻土(P0.01),其分配比例则显著低于滨海盐渍土型水稻土(P0.01)。2两种类型水稻土酸解各组分氮含量及其分配比例的分布规律不同,其差异因酸解氮组分的不同而异。草甸土型水稻土表现为未知态氮氨态氮氨基酸态氮氨基糖态氮,滨海盐渍土型水稻土则表现为氨基酸态氮未知态氮氨态氮氨基糖态氮;草甸土型水稻土酸解氨态氮与氨基酸态氮总量及其分配比例显著低于滨海盐渍土型水稻土(P0.01),酸解未知态氮含量及其分配比例则显著高于滨海盐渍土型水稻土(P0.01)。3两种类型水稻土酸解氮含量均与其土壤有机碳、全氮含量呈显著正相关(P0.01)。因此,该地区两种类型水稻土有机氮组分含量及其分配比例的显著差异是影响土壤氮素有效性的重要因素。