黑土生态系统氮循环研究进展

黑土是我国重要的土地资源,近年来黑土肥力日益退化,而黑土肥力的退化必然影响土壤氮循环。文章根据黑土区生态系统氮素输入、转化与输出及其影响因素,分析氮循环模式通过降水、人工施用含氮化肥、作物根及秸杆还田输入黑土生态系统氮素,土壤中氨化作用、硝化作用对黑土生态系统氮素转化,以及反硝化作用、淋失、作物产出等氮素输出阐述黑土区生态系统氮循环特点。     

石灰性土壤供氮能力几种生物测定方法的评价研究

 【目的】目前测定土壤供氮能力的生物方法较多，但基于土壤氮素形态的复杂性、土壤和微生物的高度变异以及生态条件的差异，不同土壤及不同测定方法结果之间仍然存在一定差异，对石灰性土壤采用哪些生物培养方法较好，目前仍无明确结论。【方法】以采自于黄土高原差异较大的25个农田耕层石灰性土壤为供试土样，以淋洗和未淋洗土壤起始NO3--N小麦和玉米两季盆栽试验作物吸氮量为参比，对可反映土壤供氮能力的淹水培养法、通气培养2周法、通气培养4周法、干湿交替通气培养2周法、间歇淋洗长期通气培养法、短期淋洗通气培养法、微生物量碳和微生物量氮等8种生物方法进行了比较研究，其中干湿交替通气培养法和通气培养4周法，是我们对通气培养2周的修订方法。【结果】在不包含起始矿质氮条件下，以上8种生物培养方法与淋洗土壤起始NO3--N盆栽试验作物吸氮量的相关系数依次为0.530，0.700，0.777，0.768，0.764，0.650，0.555和0.465（r0.05=0.369，r0.01=0.505），其中间歇淋洗长期通气培养法确定的氮素矿化势与作物吸氮量的相关系数为0.790；在包括起始矿质氮后（起始矿质氮+矿化氮），以上8种生物方法与未淋洗土壤起始NO3--N盆栽试验作物吸氮量相关系数依次为0.351，0.963，0.962，0.959，0.825， 0.963，0.289和0.095（r0.05=0.369，r0.01=0.505），其中氮素矿化势与作物吸氮量的相关系数为0.812。【结论】在排除起始矿质氮，特别是硝态氮的影响后，在反映旱地石灰性土壤可矿化氮量上，以氮素矿化势最佳；其次为通气培养4周、干湿交替通气培养2周和间歇淋洗长期通气培养法。包括起始矿质氮后，即在反映土壤供氮能力方面，各种通气培养法与未淋洗土壤起始NO3--N作物吸氮量相关性均大幅度提高，其中通气培养2周、通气培养4周、干湿交替通气培养2周和短期淋洗通气培养法相关系数均在0.950以上。而淹水培养法和微生物量碳、氮在表征石灰性土壤供氮能力上均比其它通气培养法逊色。综合考虑各方法在反映土壤可矿化氮和土壤供氮能力上的优劣，以及考虑到间歇淋洗长期通气培养法和以此获得氮素矿化势需培养时间较长，不适于作为实验室常规分析和快速测定土壤供氮能力的方法。根据本研究结果，可将干湿交替通气培养2周作为旱地石灰性土壤供氮指标，该方法不仅更加符合旱地土壤实际水分变化特征，而且既可反映土壤可矿化氮，也可用于评价土壤供氮能力。     

生物炭对植烟土壤氮循环微生物及其功能基因的影响

【目的】探讨土壤氮循环微生物及其功能基因对生物炭改良的响应,阐明土壤理化因子与氮循环微生物之间的互馈机制,为生物炭改良土壤、提高作物氮素利用率及调控土壤氮循环过程提供理论依据。【方法】以烤烟品种云烟87为试验材料,通过全层生物炭改良(T1,30 t/ha)与不施生物炭(T0,对照)的对比,采用宏基因组学与qRT-PCR相结合的方法分析生物炭对烟株氮素积累量及烤烟根际土壤理化性质、氮循环相关微生物相对丰度和功能基因表达量的影响。【结果】与对照T0处理相比,2021和2022年T1处理烤烟氮素积累量显著提高45.75%和29.91%(P<0.05,下同)。土壤碱解氮与硝态氮含量也较T0处理显著提高,而铵态氮含量则显著降低。宏基因组学分析结果表明,在微生物门水平上,T1处理较T0处理显著提高了根际土壤中奇古菌门(Thaumarchaeota)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、绿弯菌门(Chloroflexi)及硝化螺旋菌门(Nitrospirae)相对丰度,其中奇古菌门相对丰度较T0处理提高23.76%;属水平上,与T0处理相比,T1处理亚硝化杆菌属(Candidatus_Nitrosotalea)相对丰度提高20.83%;在氮循环功能亚类上,T1处理较T0处理显著提高土壤氮循环过程中硝化作用nxrA、氨氧化作用amoA及固氮作用nifA的基因相对表达量,分别提高20.08%、250.37%和82.45%,同时反硝化作用的norB基因相对表达量降低39.76%。qRT-PCR验证分析表明施用生物炭对土壤氮循环过程的调控具有一定的持续性。冗余分析结果发现,土壤pH、无机氮含量与容重、孔隙度等理化性质是影响土壤氮循环的重要环境因子。相关分析结果表明,土壤pH、硝态氮含量及容重等理化性质与硝化、氨氧化微生物丰度及基因表达量均呈极显著正相关(P<0.01)。【结论】在烟—稻轮作区采用30 t/ha生物炭进行植烟土壤改良有利于改善土壤理化特性,进而驱动土壤氮循环向氮高效利用途径转化,从而促进烟株氮素吸收。     

不同生态系统土壤可溶性有机氮（SON）的研究

土壤可溶性有机氮在氮的生物地球化学循环和陆地生态系统氮循环中起着重要作用。对近年来国内外有关不同生态系统土壤可溶性有机氮的来源组成、含量、化学本质以及在氮循环、转化中的作用进行综述,并对今后的研究工作进行了展望,为进一步开展不同生态系统土壤可溶性有机氮研究提供依据。     

土壤氮素转化研究进展

土壤氮素转化是生物-土壤生态系统中氮素循环的重要一环。论述了近年来有关氮素矿化作用、硝化作用-反硝化作用、微生物体氮方面的研究,并对未来的研究方向作了展望。     

生物质炭对土壤硝态氮淋洗的影响

在过去10年中,施用生物质炭降低氮素淋洗正逐渐成为研究热点。为全面总结分析生物质炭在降低农田土壤硝态氮淋洗方面的影响,本文收集了2010-2016年在中国知网和Web of science上发表的相关中英文文献41篇,采用加权平均法对数据进行处理。结果表明：在农业生产过程中,86%的研究数据表明施入生物质炭可降低土壤硝态氮淋洗,且降低比例随生物质炭施入量的增加而升高。同时,98.2%的研究数据显示生物质炭的施入可以减少土壤水分淋溶体积,平均降幅达10.0%。生物质炭的施用效果以在中性土壤（pH=6.48）为最佳,硝态氮的淋失减少量达30.7%。研究表明,生物质炭可以降低土壤硝态氮的淋洗,平均降幅达24.6%,其淋洗效果主要与生物质炭施用量及原材料有关,此外土壤类型、土壤酸碱度等也是相关影响因素。但是目前关于生物质炭对硝态氮淋洗的研究主要集中在室内土柱模拟,未来仍需长期的田间定位试验来进一步验证其作用效果。     

氮、磷、钾在设施蔬菜土壤剖面中的分布及移动研究

在山东省寿光市采集6个设施蔬菜和2个露地作物8 m深的土壤剖面样品,研究高施肥量条件下设施蔬菜土壤氮、磷、钾在剖面中的分布及运移。结果表明,设施蔬菜土壤硝态氮的含量远高于露地土壤,设施蔬菜表层土壤中硝态氮的平均含量是露地土壤的6.5倍,土壤中硝态氮的积累与设施种植年限和施肥量有关,设施蔬菜种植年限越长,土壤中硝态氮的含量越高,硝态氮在土壤剖面中淋洗下移明显,下移前锋已到达5￣6 m深处,对地下水构成了威胁。设施蔬菜土壤表层速效磷的含量比露地土壤高出几倍至几十倍,磷在剖面有向下层移动的现象,对地下水和地表水都构成了威胁。土壤速效钾含量与土壤质地有密切关系,土壤速效钾也有淋洗向下移动的现象。设施蔬菜土壤不仅氮淋洗严重,对地下水产生严重威胁,磷也具有淋洗下移的现象。     

土壤氮循环微生物过程的分子生态学研究进展

固氮作用、硝化作用和反硝化作用是土壤微生物参与氮素循环的三个重要方面。自分子生态学方法应用于土壤学后,土壤微生物作用于氮素循环过程的机理研究取得了若干重要进展。包括:1)利用固氮菌的nifH基因作为分子标记研究有机质、氮素与固氮微生物之间的关系,发现固氮微生物的丰度和群落结构与土壤有机质含量呈正相关。然而,固氮微生物的丰度和群落结构与土壤速效N含量呈负相关,施用氮肥会抑制固氮微生物的生长,施氮土壤固氮微生物数量减少,多样性降低。2)以氨氧化微生物功能基因为探针,揭示了土壤pH与氨氧化微生物分布关系密切,碱性土壤中氨氧化细菌是硝化作用主要参与者,而酸性土壤中氨氧化古菌是硝化作用的主导者。土壤中N素的含量也影响氨氧化微生物的数量和群落结构,施入氮肥后氨氧化微生物的数量和活性增加。3)利用反硝化功能基因为分子标记研究土壤因子对反硝化细菌群落的影响,阐明了土壤可溶性有机碳、pH和土壤水分是影响反硝化细菌数量和群落结构的重要因子,并且发现土壤反硝化细菌与土壤反硝化能力和氧化亚氮释放之间存在着一定的联系,但这种联系在不同研究对象中存在差异,需要进一步确认。目前,利用分子生物学技术解析土壤氮素循环微生物生态功能取得了重要的进展,但还需进一步深入。今后,将采用包括同位素在内的示踪技术与分子生物学方法相结合共同分析氮循环不同代谢过程微生物种群间的相互关系以及氧化亚氮产生与硝化和反硝化微生物之间的关系。     

氮、磷、钾在设施蔬菜土壤剖面中的分布及移动研究

在山东省寿光市采集6个设施蔬菜和2个露地作物8 m深的土壤剖面样品,研究高施肥量条件下设施蔬菜土壤氮、磷、钾在剖面中的分布及运移。结果表明,设施蔬菜土壤硝态氮的含量远高于露地土壤,设施蔬菜表层土壤中硝态氮的平均含量是露地土壤的6.5倍,土壤中硝态氮的积累与设施种植年限和施肥量有关,设施蔬菜种植年限越长,土壤中硝态氮的含量越高,硝态氮在土壤剖面中淋洗下移明显,下移前锋已到达5￣6 m深处,对地下水构成了威胁。设施蔬菜土壤表层速效磷的含量比露地土壤高出几倍至几十倍,磷在剖面有向下层移动的现象,对地下水和地表水都构成了威胁。土壤速效钾含量与土壤质地有密切关系,土壤速效钾也有淋洗向下移动的现象。设施蔬菜土壤不仅氮淋洗严重,对地下水产生严重威胁,磷也具有淋洗下移的现象。     

浅析水氮耦合对土壤硝态氮积累与淋失的影响

有很多因素会影响农田土壤硝态氮积累淋失量，其中较为重要的有施肥和灌水。水氮耦合作用对土 壤中的硝态氮的累积和淋洗存在显著影响。过量施氮造成硝态氮在土壤中大量积累；降水和灌溉带入农田中的 水分是累积在土壤中的硝态氮向下迁移引起淋失的必要条件， 鉴于此，从水肥耦合的含义及其对农田土壤硝 酸盐积累与淋失的影响等方面进行综述。     

生物固体用于固定轮胎灰中重金属元素移动的研究

本文通过室内模拟淋溶实验，研究了用生物固体固定重金属的可行性。淋洗柱中填充的基质为土壤、轮胎灰、土壤与轮胎灰混合后加入不同量的生物固体及是否加入石灰及木屑等处理，连续淋洗７周，结果表明：当基质ｐＨ＜７时，生物固体对重金属无有效的固定作用；生物固体加入量越多，重金属的浓度增高，必须用石灰调节；淋洗时间越长，淋洗液中重金属浓度逐渐下降；随着生物固体用量的增多，渗漏液中ＮＯ３－Ｎ及电导随之增加，有石灰时增加量较少。     

作物-土壤氮循环对大气CO2浓度和温度升高响应的研究进展

在地球化学元素循环中,氮素是最重要、最活跃的营养元素之一。农田生态系统中的氮素很大程度上决定农作物的产量和品质。然而,在全球气候变化背景下,随着大气CO₂浓度和温度升高,作物-土壤氮循环的变化可能显著影响农田生态系统中的作物生产。因此,研究作物-土壤氮循环对大气CO₂浓度和温度升高的响应,能够为科学合理地预测未来气候条件下,农田生态系统中作物的氮素需求,以及保障农作物产量的稳定供应提供理论依据,对于全面认识全球气候变化背景下的农田生态系统氮素循环过程及土壤可持续利用具有重要意义。本文综述了大气CO₂和温度升高对作物氮素吸收和分配,以及与氮有效性密切相关的土壤氮转化的影响,并系统总结了二者对作物-土壤氮循环过程产生的交互作用。总结以往研究发现,在大气CO₂浓度升高条件下,作物的蒸腾作用减弱,但光合作用增强,生物量加大,根系分支和根表面积增加,豆科作物的根瘤固氮能力提高,因此整体上促进作物对氮的吸收,并且增加作物向籽粒中分配氮的比例,但作物的平均氮浓度降低。此外,高CO₂浓度提高了土壤酶活性,增强了土壤有机氮矿化作用、硝化及反硝化作用,加速了土壤氮转化。升温和CO₂浓度升高对作物-土壤氮循环产生正向或负向的交互作用,主要表现在：高温和高CO₂浓度对作物的生物量、光合作用、地下部氮分配、根系分支以及根表面积具有协同促进作用,升高温度减轻了高CO₂浓度对作物蒸腾作用和作物氮浓度的抑制作用。然而,升温抑制了高CO₂浓度对作物向籽粒中氮分配、氮吸收以及产量的促进作用;升温虽然能进一步增强高CO₂浓度对土壤酶活性和有机氮矿化的促进作用,但是对于土壤硝化和反硝化作用,二者的交互作用以及相关的分子机制尚不明确。大气CO₂升高和温度升高对土壤微生物,以及微生物与作物之间的耦合关系的研究比较薄弱,特别是由微生物主导的氮循环过程及其对全球气候变化的反馈机制是未来研究的重点。本文提出利用16S rRNA、DGGE、T-RFLP、qPCR、RT-PCR技术、蛋白组学以及稳定性同位素探针原位研究技术,可以将复杂环境中微生物物种组成及其生理功能进行耦合分析,揭示大气CO₂浓度与温度对作物-土壤氮循环过程的交互作用机理,增强对气候变化下农田生态系统氮素循环响应的预测能力,为农田生态系统有效地适应气候变化提供科学的理论依据。     

5种旱地土壤的供氮特点及其与土壤性质的关系

用盆载黑麦草和土壤间隔淋洗好气培养的方法，研究了湖北省５种主要旱地土壤的供氮特点。结果表明，供试土壤基础供氮量以江陵潮土和武汉黄棕壤最大，新洲潮土（酸性）和枣阳黄褐土次之，咸宁棕红壤最小。潮土和黄褐土前期供氮多而后期供氮少；棕红壤供氮最平稳，前后期都保证了一定的供氮量，但其供氮强度最弱、供氮数量最少；酸性潮土和黄棕壤处于上述２类土壤之间。土壤氮素矿化一级动力学模型可以较好地描述供土壤的供氮特征。土壤供氮快慢与土壤粘粒含量、有机碳／有机氮比率及有机质氧化稳定系数有关。     

地下水硝酸盐氮污染防治研究

采用室内土柱实验法,研究了向土壤中掺入活性炭纤维对地下水硝酸盐氮污染的防治效果。结果表明,将活性炭纤维掺入土壤中,可以强化土壤反硝化作用,防止硝酸盐氮对地下水的污染。这种防治技术简单、有效,并且能增加土壤的肥力和保墒能力。环境效益和经济效益皆佳。     

模拟根系分泌物输入对森林土壤氮转化的影响研究综述

在全球气候变化加速植物生长和生物量积累的背景下,氮素是森林生态系统初级生产力的主要限制因子之一。根系分泌物所介导的根际微生物过程在驱动森林生态系统土壤养分循环和增加氮素有效性方面具有重要意义。基于此,本研究综述了模拟根系分泌物输入对森林土壤氮素矿化、硝化与反硝化过程的影响及其机制。发现根系分泌物中的有机酸、糖类和氨基酸等物质均能促进有机质的分解和氮素矿化,在一定程度上能缓解植物对氮的需求。不同碳含量和碳氮比的根系分泌物输入驱动根际微生物行使不同养分利用策略,通过生物和非生物作用,根系分泌物矿化有机质中的氮素供给植物吸收利用;根系分泌物中的生物硝化抑制剂能抑制土壤硝化作用,减少氮素的淋溶;根系分泌物还通过控制根际与氮转化相关的反硝化细菌群落来促进土壤反硝化作用。综上,植物通过增加根系分泌物的输入能提高地下碳分配,影响根际土壤氮素转化,在维持森林土壤氮素循环和缓解养分限制等方面具有重要作用。表2参70     

氮循环与中国农业氮管理

作为全球活性氮制造量和氮肥消费量均最大的国家,中国农业生态系统的氮平衡问题受到了国内外广泛的关注。普遍认为中国农田施氮过量问题突出,并产生了严重的环境污染。为全面了解中国农业生态系统的来源和去向,找出引起氮肥消费量高的原因,本研究运用氮循环基本原理,以2010年为例,根据近年来发表的文献和国家统计资料,详细讨论了不同空间尺度上中国农业生态系统的氮输出和输入,重点分析了作物-土壤系统氮循环与氮平衡的特征。2010年中国农业生态系统氮投入总体上过量,其数量基本上相当于经生物地球化学循环返回作物–土壤系统的氮量,大致在5 Tg N左右。在全国水平上,2010年化肥和有机肥带入农田的氮量,相等于作物吸氮量和农田氮损失量之和;由于化学氮肥流向的多样化,如林、牧、渔业和城市绿化等的氮肥消耗,以及部分经济作物包括果树和蔬菜,特别是设施蔬菜的高量施氮,总体上粮食作物过量施氮的问题并不十分突出。在耕地资源有限（占全球8%的耕地面积,养活20%的世界人口）、有机废弃物中氮养分循环利用率低于30%、豆科作物播种面积较少且生物固氮占农田总氮投入不足15%的情况下,中国的农业生产只有依靠氮肥。然而,中国氮肥消费存在着很大的地区差异,在土地生产力水平较高的黄淮海、长江中下游和珠江三角洲地区,单位农作物播种面积的施氮量显著高于全国平均水平。这些地区氮肥消费量较大与粮食单产高、复种指数高和豆科作物种植比例低有密切关系。因此,为保证人们不断增长的食物需求和膳食结构的改善,加之土壤基础肥力相对较低,农田化学氮肥投入较高具有一定的合理性。然而,农业生产过程中发生的氮损失,既浪费了资源,也污染了环境。损失进入大气和水中活性氮以及环境中新产生的活性氮,经生物地球化学循环过程以大气沉降和灌溉水返回农田,已经成为作物-土壤系统氮的重要投入项。由于农业生态系统中氮素转化过程的多样性和生物地球化学循环的复杂性,循环过程中的氮损失不可避免。只有通过在不同空间尺度上对氮素进行优化管理,才能将氮损失降低到最低。在保证粮食安全的基础上,尽可能地降低农田施氮的环境风险,需要多学科、多部门的协作与共同努力,在不同空间尺度上实现氮优化管理、达到降低农业生态系统氮肥投入的目的。     

海南槟榔种植地土壤全氮及有效态氮分布特征

为了解决槟榔早衰、产量下降等难题.采用常规分析方法,研究槟榔土壤全氮及水解氮、铵态氮和硝态氮的分布特征.结果表明:硝态氮变异性强,变异系数大,分布不均匀;水解氮、铵态氮和全氮的变异性都属于中等程度,水解氮和全氮的变异系数相对少些,分布尚算均匀;对照区土壤铨氮含量显著高于槟榔园,全氮及有效态氮地区间差异十分显著,不同种植年限的全氮及有效态氮差异也显著.全氮平均值0.10(±0.04)%达到中等指标水平,但总体上全氮贫缺比例高达42.05%.水解氮平均值107.85(±34.77) mg/kg达到中等指标水平.但总体上水解氮贫缺比例高达35.625%.硝态氮平均值4.44(±5.31)mg/kg太低,揭示了土壤的氨化作用、硝化作用和异养硝化作用都减弱,阻碍槟榔正常生长所需求的有效营养供应.导致槟榔产量下降和植株早衰.硝态氮含量低是槟榔十壤地力退化的表现特征之一.     

施用沼肥对油菜硝酸盐含量及土壤速效氮的影响

研究沼气发酵产生的厌氧发酵残余物（沼液、沼渣，以下简称沼肥） 在培肥土壤过程中土壤速效氮的变化及对油菜硝酸盐含量的影响，为沼气综合利用提供新的理论和技术依据。试验表明：与化肥相比，适量施用沼肥，可有效减少油菜硝酸盐的积累，沼肥中配施化肥（简称沼化肥），随化肥氮比例增加，油菜硝酸盐含量增加。栽培过程中，硝态氮是土壤中速效氮的主要形态。与化肥相比，沼肥的硝化作用缓慢，土壤中硝态氮的含量较低，从而使沼肥和沼化肥处理的油菜中硝酸盐积极量较少。利用沼肥可替代部分化肥，生产无公害农产品，使沼气工程的经济效益、社会效益和生态效益大大提高。     

基施尿素对土壤剖面中无机氮动态的影响

氮肥作基肥是我国农业生产中获得高产的一项重要措施，但作物对基肥氮的反应取决于土壤肥力条件及氮肥在土壤中的转化。本研究利用田间小区试验研究了尿素一次基施对高肥力草甸褐土中无机氮动态的影响。结果表明，冬小麦播前尿素作基肥施入土壤后首先影响表层土壤（0－20cm)无机氮的动态。施氮4d后土壤铵态氮达到高峰，随后的10d内迅速下降至对照水平；而土壤硝态氮一直平稳升高于施肥后14d左右达到最大值，以后直到冬灌前均无明显变化。说明本试验条件下土壤中尿素的水解和硝化作用在2周内基本完成。小麦生长期间土壤剖面中铵态氮的含量一直保持较低水平，几乎不受施氮水平的影响。而土壤0－100cm剖面中硝态氮的含量随施氮量的增加而增加，且硝态氮向下层土壤移动的趋势也十分明显。但从各处理100－200cm运动场支中硝态氮含量没有明显差异的结果判断，冬前基施的尿素在冬小麦季淋溶出1m土体的可能性不大。     

土壤生物体氮的含量,转化及供氮意义

综述了土壤生物体氮（土壤活性微生物所含氮素）的测定方法，土壤中生物体氮的含量及变化，土壤生物体氮与土壤可矿化氮之间的关系，以及土壤生物体氮的有效性及供氮意义。