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。     

农田土壤氮素损失与环境污染

氮素是化肥中施用量最大的营养元素,其循环途径对环境有着重大而深刻的影响.因此,氮素损失对环境的影响成为各国科学家研究的重点方向之一.根据近年来国内外在该领域的研究成果,对氮损失的研究进展、损失途径以及氮损失对环境的影响进行综述.     

固定化细菌技术及其在物理生态工程中的应用——固定化氮循环细菌对水生生态系统的修复

研究了固定化氮循环细菌技术 (INCB)在物理生态工程 (PEEN)试验区的释放效果 ,INCB释放氮循环细菌对水生高等植物根部菌数的作用 ,PEEN试验区分布对INCB释放细菌效果的影响 ,PEEN INCB技术试验区布设对INCB释放氮循环细菌效果的影响。结果表明 ,采用INCB技术 ,使INCB在PEEN试验区内表现出明显的释放效果 ,进水处氮循环细菌最大可能数 (MPN)值与试验区各处氮循环细菌MPN值相比均有极显著差异 (P <0 0 0 5 ) ;应用PEEN INCB技术后 ,INCB生态浮岛水生植物根区与无INCB生态浮岛水生植物根区的氮循环细菌数MPN值相比均有极显著差异 (P <0 0 1)。物理 生态工程试验区的布设格局对氮循环细菌的释放有明显的影响     

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。     

固定化氮循环细胞的抗逆境运行

研究了固定化氮循环细菌抗高氮污染、有机质污染 ,抗逆境运行以及抗逆境运行后的恢复能力。结果表明 ,INCB SBR方法在总氮 (TN)为 112mg/L、铵氮 (NH 4 N)为 60 5mg/L、CODCr为 473 8mg/L时 ,TN、NH 4 N和CODCr的去除率稳定在 75 %、92 %和 76 %。INCB在 80℃高温下表现出明显的抗逆境运行能力 ,经过 192hINCB对TN的去除率恢复到原去除率的 95 %。     

不同施肥结构对稻田氮素循环和能量流动影响的分析

应用^15N示踪方法，研究了不同施肥结构对稻田N素的储存、流向及其利用效率，结果证明绿肥和沼肥与化学N肥配合施用能促进水稻对N素的吸收，并利于N向稻谷转移，从而提高了水稻的经济产量，且肥料N在土壤中的残留量相当于单施化学N肥的2—2．5倍，而气态损失，后者为前者的2．6—8．2倍，因而有利于土壤肥力的提高。同时根据各施肥处理实际投入和输出的成分和数量，换算求得人工辅助能投结构，能量的产出量和能量效率以及光能利用率，实验证明，绿肥、沼肥与化学N肥配合施用，能提高水稻的光能利用率和能量的产出量，其有机能投占总能投80％以上，既节约化肥投资，减少工业能的消耗，又改善了土壤理化生物性质。     

不同原料来源生物质炭对蔬菜种植土壤氮磷流失的影响

选择由竹子、水稻秸秆和烟草杆制成的生物质炭,研究不同原料来源生物质炭在不同添加量条件下对蔬菜生长和土壤氮磷流失的影响。结果表明,生物质炭种类和添加量对蔬菜生长和下渗水量产生了影响,且各处理均降低了氮磷流失,但各处理间规律不明显。对总氮和总磷流失,竹炭分别降低2.6%~19.4%和9.1%~30.3%,秸秆炭分别降低5.5%~20.4%和13.9%~19.0%,烟草杆炭分别降低4.1%~17.9%和17.6%~28.7%,生物质炭添加对降低总磷流失效果优于总氮。当竹炭和烟草杆炭添加量为5%时,对总氮总磷流失降低效果较佳,可作为实际应用参考添加量。     

黑麦草鲜草翻压还田对双季稻田肥料氮循环的影响

【目的】研究黑麦草鲜草与尿素混施对双季稻田肥料氮利用率及氮循环特征的影响。【方法】利用盆栽15N示踪试验比较总施氮量一致的条件下单施尿素（CF）、半量尿素与半量黑麦草鲜草混施（RGCF）以及不施氮肥（CK）对双季稻产量、氮吸收利用效率、肥料氮素在土壤中残余以及N2O排放的影响。【结果】与CK相比,RGCF和CF显著增加了双季稻生物量和稻谷产量。RGCF与CF相比,水稻生物量和稻谷产量分别增加5.9%和7.3%。 与CK相比,RGCF和CF显著增加了双季稻氮素吸收量。RGCF与CF氮素吸收量无显著差异。与CF相比,RGCF增加了氮素干物质生产效率、氮素稻谷生产效率和氮素农学效率,降低了15N回收率和15N收获指数。RGCF比CF提高了氮素在土壤中的残留率,降低了N2O排放量。【结论】在双季稻体系中,尿素与黑麦草混施能够提高氮素利用效率,改善稻田氮素循环。     

氮肥对菜用大豆产量和品质的影响

研究了新农菜豆1号在5种不同的施氮水平下,农艺性状、干物质积累、叶面积指数、产量及品质等的变化规律。研究结果表明：随着施氮量的增加,茎粗、节数减少,节间长度、株高、单株荚数、单株粒数、单株粒重增加,百粒鲜重与氮肥关系不显著,分枝数先增大后减小,蛋白质含量先增大后减小,淀粉含量与蛋白质含量呈显著负相关关系,可溶性糖含量先增大后减小。以施氮量90 kg/hm^2时产量和品质最高,鲜荚产量为13 652.55 kg/hm^2,可溶性糖含量为68.85 mg/g,蛋白质含量为39.11%。     

不同氮肥用量对菜用大豆品质的影响

通过对菜用大豆施以不同氮肥处理,研究不同氮肥用量对菜用大豆外观、食用、营养品质的影响,进而使菜用大豆荚长缩短、荚宽增加、豆荚变大,子粒的蛋白质和蔗糖含量随氮肥用量的增加而相应增加,并使其品质变优,产量增加,为菜用大豆的生产提供依据.