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。     

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     

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。     

添加葡萄糖对不同肥力红壤性水稻土氮素转化的影响

【目的】研究不同肥力水平红壤性水稻土氮素转化特征以及添加葡萄糖的影响,可为正确认识碳源影响氮素转化的作用机制、并根据不同土壤条件制定合理的氮素养分管理措施提供科学参考。【方法】选择不同肥力水平的红壤性水稻土,通过室内培育试验研究土壤氮素的矿化作用、硝化作用、反硝化作用特征以及添加葡萄糖对氮素转化作用的影响在不同肥力土壤间的差异。【结果】红壤性水稻土氮素矿化作用及反硝化作用强度均表现为高肥力中肥力低肥力。培养的第一周,高肥力红壤性水稻土氮素矿化量和反硝化速率分别是相应中、低肥力土壤的1.9、5.3倍和1.1、2.9倍。添加葡萄糖后土壤氮素矿化量显著降低,但不同肥力土壤降幅不同,高、中、低肥力土壤分别降低了78.8%、109.2%、177.4%,彼此间差异显著。添加葡萄糖对不同肥力土壤反硝化作用的影响亦不同,低肥力土壤反硝化速率提高了166.2%,中肥力土壤提高了14.4%,而高肥力土壤则没有明显变化。供试红壤性水稻培育试验一周后,土壤硝态氮含量最高仅有0.62mg·kg-1,硝化率最高仅为0.33%,添加葡萄糖处理土壤中硝态氮含量及硝化率没有明显变化。【结论】不同肥力水平红壤性水稻土氮素矿化作用及反硝化作用强度有显著差异,均随土壤有机质含量升高而增强。添加葡萄糖抑制了土壤氮素矿化作用,促进了反硝化作用,但作用效果在不同肥力土壤间有显著差异,在较低肥力土壤上的作用效果大于较高肥力土壤。添加葡萄糖和土壤有机质含量对红壤性水稻土硝化作用的影响均不明显。     

添加葡萄糖对不同肥力红壤性水稻土氮素转化的影响#br#

 【目的】研究不同肥力水平红壤性水稻土氮素转化特征以及添加葡萄糖的影响,可为正确认识碳源影响氮素转化的作用机制、并根据不同土壤条件制定合理的氮素养分管理措施提供科学参考。【方法】选择不同肥力水平的红壤性水稻土,通过室内培育试验研究土壤氮素的矿化作用、硝化作用、反硝化作用特征以及添加葡萄糖对氮素转化作用的影响在不同肥力土壤间的差异。【结果】红壤性水稻土氮素矿化作用及反硝化作用强度均表现为高肥力＞中肥力＞低肥力。培养的第一周,高肥力红壤性水稻土氮素矿化量和反硝化速率分别是相应中、低肥力土壤的1.9、5.3倍和1.1、2.9倍。添加葡萄糖后土壤氮素矿化量显著降低,但不同肥力土壤降幅不同,高、中、低肥力土壤分别降低了78.8%、109.2%、177.4%,彼此间差异显著。添加葡萄糖对不同肥力土壤反硝化作用的影响亦不同,低肥力土壤反硝化速率提高了166.2%,中肥力土壤提高了14.4%,而高肥力土壤则没有明显变化。供试红壤性水稻培育试验一周后,土壤硝态氮含量最高仅有0.62 mg•kg-1,硝化率最高仅为0.33%,添加葡萄糖处理土壤中硝态氮含量及硝化率没有明显变化。【结论】不同肥力水平红壤性水稻土氮素矿化作用及反硝化作用强度有显著差异,均随土壤有机质含量升高而增强。添加葡萄糖抑制了土壤氮素矿化作用,促进了反硝化作用,但作用效果在不同肥力土壤间有显著差异,在较低肥力土壤上的作用效果大于较高肥力土壤。添加葡萄糖和土壤有机质含量对红壤性水稻土硝化作用的影响均不明显。     

论土壤氮素循环研究现状及发展前沿

氮素循环是陆地生态系统物质循环的重要组成部分,氮素在土壤中的迁移转化状况既影响着土壤的供氮能力,又与大气、水体的氮素污染紧密相关,因此相关内容一直为国际国内研究的热点.本文在简述土壤氮形态和氮循环各环节概念的基础上,就目前研究的热点和前沿进行了综述,以期能为以后的研究提供一定的思路.     

土壤氮素循环及其对土壤氮损失的影响

在土壤生态系统中，氮循环物质循环的基础并影响和控制其它物质或养分循环过程。循环过程中氮素的流失，不仅会使参与再循环的氮素数量逐渐减少，而且还会对环境产生潜在的影响，氮素流失已成为农田非点源污染的重要途径。文章拟通过分析土壤氮素转化、植物吸氮能力对土壤氮损失的重要作用，以期为西藏农牧业生产过程中合理利用氮肥，进一步降低土壤氮损失、减轻环境污染提供理论依据。     

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。     

氮流失形成的面源污染及防控措施研究

氮素是化肥中使用量最大的营养元素,其循环过程产生的氮损失是形成面源污染的主要原因。论述了农业生态系统氮循环过程中氮的输入与输出,氮流失造成面源污染的原因及途径,提出具体的防控措施,以期减少农业生态系统中的氮流失。     

半干旱地区不同土壤团聚体中微生物量氮的分布特征

 从内蒙古半干旱地区的林地、草地和耕地采集7个土地利用方式不同的土壤样品，利用干筛法得到>5 mm、5～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm和<0.25 mm的土壤团聚体，并测定各级团聚体中的全氮、微生物量氮、K2SO4浸提氮含量。结果表明，不同的土地利用方式，由于其输入的有机物质数量和种类以及肥料管理不同，直接影响到土壤全氮、K2SO4浸提氮、微生物量氮的含量及其在团聚体中的分布。土壤全氮、微生物量氮和K2SO4浸提氮分别为0.67～2.06 g·kg-1、11.40～71.03 mg·kg-1和1.28～4.60 mg·kg-1。有灌溉条件的耕地土壤氮的含量最高，退化草地最低。不施肥的土壤，其小团聚体中全氮和微生物量氮含量明显低于大团聚体；而进行灌溉的耕地土壤，由于无机氮肥和有机物质输入量都比较高，不仅其全氮含量比较高，而且小团聚体中全氮和微生物量氮含量也比较高，说明在低肥力条件下土壤氮素首先在大团聚体中循环，这表明在自然土壤生态系统中，大团聚体中氮素的循环转化比小团聚体中的更加重要。     

不同培肥作用下黑土碳氮功能耦合效应的研究

研究在不同培肥作用下黑土土壤有机质,全氮,微生物量碳、氮,可溶性碳、氮含量的变化,初步对黑土土壤生态系统碳氮功能耦合进行研究.结果表明,与对照相比,农肥处理对土壤有机质和全氮含量有显著的促进作用,而化肥处理对土壤全氮含量提高不明显;土壤耕作层的有机质和全氮,土壤微生物量碳氮及土壤可溶性碳氮均表现出显著的正相关;农肥处理...     

相同气候背景下南北方稻田土壤上水稻生长及氮响应差异研究

【目的】土壤是影响作物产量和氮肥吸收利用的因素之一,深入研究南北方稻田土壤对水稻生长及氮效率的影响,以期为调控区域水稻高产优质提供参考。【方法】2018—2019年,以黑龙江省黑土型水稻土,江苏省乌栅土型水稻土为试验材料,在黑龙江省哈尔滨市进行水稻盆栽试验。每种土壤设置3个施氮水平,即N0：不施氮肥;N1：0.87 g N/pot（相当于150 kg N·hm^-2）;N2：1.74 g N/pot（相当于300 kg N·hm^-2）。测定水稻分蘖、SPAD值、分蘖成穗率、土壤矿化氮量、水稻产量和氮效率。【结果】黑土型水稻土的早期分蘖对施氮有响应,分蘖数随施氮量增加而增加,而乌栅土型水稻土的分蘖在拔节期后才对施氮有响应。土壤对水稻分蘖的影响存在年际间差异,2018年土壤类型对分蘖数有显著影响,不施氮时乌栅土型水稻土的分蘖数比黑土型水稻土高4.41%—43.04%,而施氮后乌栅土型水稻土比黑土型水稻土的分蘖数低8.25%—12.98%;2019年黑土型水稻土的分蘖数多数高于乌栅土型水稻土4.41%—46.53%。两种水稻土的分蘖成穗率与叶片SPAD值在2018年有显著差异,乌栅土型水稻土的叶片SPAD值比黑土型水稻土高19.28%—21.19%,乌栅土型水稻土的分蘖成穗率比黑土型水稻土高23.89%—40.53%,2019年土壤类型对水稻分蘖成穗率与叶片SPAD值均无显著影响。28 d淹水培养试验表明,两种土壤的无机氮总量基本相同,乌栅土型水稻土的初始矿化速率比黑土型水稻土高,但后期矿化速率比黑土型水稻土低,黑土型水稻土的矿化势更高,有更大的矿化潜力。黑土型水稻土的AE_N（氮肥农学效率）比乌栅土型水稻土高,而乌栅土型水稻土的PFP_N（氮肥偏生产力）比黑土型水稻土高,乌栅土型水稻土的Y₀/Nr（Y₀为无肥区产量,Nr为施氮量）更高,供氮与施氮更加协调。2018年黑土型水稻土的RE_N（氮肥吸收利用率）和PE_N（氮肥生理利用率）均显著高于乌栅土型水稻土,2019年土壤类型对RE_N和PE_N无显著影响。【结论】土壤差异不是南北方稻田氮效率差异的决定性因素,氮效率差异是土壤、气候和品种等因素共同作用的结果。相对于黑土型水稻土而言,前期养分供应能力强的乌栅土型水稻土应减施基、蘖肥,适当增施穗肥,以保证后期供氮促进水稻高产。     

农肥和化肥对黑土土壤氮素转化功能菌的动态影响

通过3年定位试验对不同培肥方式下黑土土壤中与氮素转化有关的功能菌动态变化进行了研究。结果表明,农肥处理和农肥化肥等量配比处理提高了土壤中好气性自生固氮菌数量,单施化肥的处理抑制了好气性自生固氮菌生长;农肥高量处理土壤中氨化细菌数量最高,是对照的108.87%,化肥低量处理氨化细菌数量最低,平均比对照高43.79%;农肥处理土壤亚硝酸盐细菌数量显著高于化肥处理,纯化肥处理土壤中反硝化细菌数量高于农肥处理,因此长期合理地施用农肥对降低土壤的反硝化作用,从而减少黑土氮素的损失有良好的作用。     

甜菜生育期间黑土无机氮变化动态的研究

本文研究了甜菜生育期间种植地、休闲地黑土无机氮的变化动态。结果表明,种植地无机氮的变化受作物生长的影响。可分为3个阶段:氮素供求平衡期、氮素供求尖锐期和氮素供求缓和期。休闲地无机氮的变化动态可分为4个阶段:积累平缓期、下渗积累期、积累旺盛期和积累终止期。其中5月中旬、8月中旬、9月上旬和10月上旬4个测定日期的无机氮值(0～90cm 土层),年际间差异不显著。用该4个数值可绘出土壤无机氮动态曲线,科学地反映出土壤供氮水平,可作为甜菜定量施氮的重要参数之一。     

西南喀斯特生态系统氮素循环特征及其固碳效应

评估生态系统氮状况对预测全球变化背景下生态系统的固碳潜力及生态演替的方向与进程均具有重要的意义。近年我们开展了比较系统的研究以回答二个关键科学问题,即氮是否限制喀斯特区植被恢复,以及喀斯特森林氮状况与邻近的非喀斯特森林相比有何差异?基于多尺度演替序列研究,发现退耕后喀斯特土壤总氮快速累积。氮的累积相应促进土壤有机碳快速累积,且有机碳累积的相对速率高于总氮累积的相对速率。恢复初期(草丛阶段)植被受氮限制,而在次生林阶段则表现出明显的氮饱和特征。基于土壤初级氮转化速率和胞外酶活性化学计量特征的证据表明氮饱和是喀斯特森林的独有特征,而邻近的非喀斯特森林普遍受氮限制。我们的研究意味着:1)西南喀斯特山区退耕后的生态恢复仅在早期受氮限制,而中后期则不受氮限制;2)充足的氮供应可保障生态恢复工程的固碳效应;3)喀斯特森林氮循环具有其独特性,在全球变化背景下,其响应与适应性也可能异于其他区域/类型森林。     

沼泽湿地土壤氮矿化对温度变化及冻融的响应

通过室内控制培养试验方法,研究了不同温度和冻融循环过程对沼泽湿地土壤有机氮矿化影响.结果表明,湿地土壤中无机氮以铵态氮为主,温度和培养时间显著影响土壤有机氮的矿化,在温度-25～30℃之间,N的矿化速率、硝化速率随温度增加而增加,30℃时矿化速率(1.17mg·k-1·d-1)和硝化速率(0.79mg·k-1·d-1)最大.沼泽湿地土壤有机氮矿化培养时间以4～5周较为适宜.冻结温度和冻融次数显著影响土壤有机氮矿化过程,且-25～5℃冻融循环比-5～5℃冻融循环矿化累积量高.冻融循环促进了土壤有机氮的矿化,有利于土壤中有效氮的累积,为春季植物生长提供足够的氮素,对维持生态系统稳定有重要意义.     

新型硝化抑制剂NP对黑土无机氮转化的影响

研究新型硝化抑制剂2-氯-6(三氯甲基)吡啶微胶囊(NP)对黑土中无机氮(NH4+-N、NO3--N、NO2--N))转化的影响,从而筛选出适宜黑土的最佳施用量,可为进一步的生产实践提供理论支持。采用室内培养的试验方法,在土壤含水量为田间持水量的65%、温度25℃条件下,设不施肥、单施尿素、尿素+0.5%硝化抑制剂、尿素+1%硝化抑制剂、尿素+3%硝化抑制剂5个处理,其中,施肥处理的N使用量均为0.6 g/kg(土),硝化抑制剂的使用量为纯N用量的比例,测定了NP不同用量对土壤NH4+-N、NO3--N和NO2--N含量以及p H值的影响,并评价了NP的抑制效果。结果表明:施用NP处理的土壤NH4+-N含量均显著单施尿素处理,NO3--N和NO2--N含量均显著单施尿素处理;土壤NH4+-N含量与土壤p H值呈正相关;NP不同用量处理的土壤NH4+-N、NO3--N和NO2--N含量以及p H值差异均不显著;NP显著抑制了土壤NH4+-N向NO2--N的转化,进而降低了土壤NO3--N的含量。综合评价,推荐NP的使用量为纯N用量的0.5%。     

长期施肥旱地土壤易分解与耐分解氮的矿化特性

【目的】土壤易分解氮库和耐分解氮库是土壤有机质的重要组分,其矿化能力的大小可反映土壤有机氮的周转性能。论文旨在研究长期不同施肥制度下土壤易分解氮库与耐分解氮库的矿化特性,为了解不同培肥措施及其氮素供应提供依据。【方法】以中国长期不同施肥处理的2种旱地土壤（黑土和潮土）为例,选取不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、化肥配施秸秆(NPKS)和化肥配施有机肥(NPKM)4个处理,采用颗粒密度法,将土壤有机氮分为易分解氮和耐分解氮2个组分,室内培养分析不同组分氮的矿化特性。【结果】筛分及培养结果显示,黑土和潮土的平均质量回收率和氮回收率均超过97%,易分解和耐分解氮组分矿化量之和占原土矿化量的平均比例为99.91%（99.89%-99.93%）,是一种研究土壤易分解和耐分解氮组分矿化特性的可行方法。2种旱地土壤NPK、NPKS和NPKM处理易分解氮组分净氮矿化潜势（除黑土NPK处理差异不显著）较CK处理显著提高26.82%-137.10%;不同施肥处理对旱地黑土、潮土易分解氮组分净氮矿化潜势影响显著,其中,黑土NPKM处理易分解氮组分净氮矿化潜势为1.48 mg?kg^-1?d^-1,显著优于NPKS（1.02 mg?kg^-1?d^-1）与NPK（0.75 mg?kg^-1?d^-1）处理;潮土NPKM处理易分解氮组分净氮矿化潜势为1.17 mg?kg^-1?d^-1,显著优于NPKS（0.89 mg?kg^-1?d^-1）与NPK（0.76 mg?kg^-1?d^-1）处理;旱地土壤各处理耐分解氮组分净氮矿化潜势之间差异不显著,其中,黑土各处理耐分解氮组分平均净氮矿化潜势为0.58 mg?kg^-1?d^-1（0.52-0.63 mg?kg^-1?d^-1）,潮土为0.51 mg?kg^-1?d^-1（0.40-0.62 mg?kg^-1?d^-1）。不同施肥处理旱地黑土、潮土易分解氮组分净氮矿化潜势均显著大于同处理耐分解氮组分净氮矿化潜势,NPKM处理两者显现出最大差异,其中,黑土易分解氮组分净氮矿化潜势是同处理（按CK、NPK、NPKS、NPKM顺序）耐分解氮组分的1.41、1.39、1.75和2.35倍,潮土易分解氮组分净氮矿化潜势是同处理（按CK、NPK、NPKS、NPKM顺序）耐分解氮组分的1.22、1.33、1.56和1.87倍。土壤矿化过程中易分解组分对原土矿化贡献率受施肥措施显著影响,其大小按CK、NPK相似文献   

氮肥对农业的影响与科学施用策略

本文综述了氮在生物圈的循环转换过程以及氮对植物生长与土壤的作用；阐述了氮肥对农业生产、植物营养吸收以及对养活全球人口的重要作用；分析了氮肥对生态系统、氮平衡及土壤环境的不利影响；提出通过增施有机肥、土壤深施氮肥、缓释肥料的应用、与豆科作物轮作的科学施肥策略,充分发挥氮肥作用,降低其不利影响。