含水量对黑土氮素转化及土壤酶活性影响的模拟研究

通过室内模拟试验(2013年7月23日~8月15日),研究不同含水量(20%,35%,60%)条件对东北黑土区土壤氮素转化及土壤酶活性的影响,初步探讨了其作用机制。结果表明:随着培养时间的增加,不同含水量的铵态氮含量呈波动性变化,最后呈下降趋势;硝态氮含量随着时间的增加一直呈下降趋势,35%及60%含水量的黑土铵态氮和硝态氮含量在相同培养时间高于20%含水量的黑土。各含水量处理组氨化速率、矿化速率、硝化速率随着培养时间的增加均逐渐下降,说明土壤中可被转化的有机氮含量逐渐降低,60%含水量的黑土净矿化速率和净硝化速率变化幅度最大,分别从1.518 g kg-1d-1、1.376 g kg-1d-1下降到0.009 g kg-1d-1,0.007 g kg-1d-1;除了35%含水量处理组在24 h内的氨化速率高于其他两组含水量氨化速率外,整个培养期间的氮素转化速率均表现为60%含水量35%含水量20%含水量。对土壤酶活性的研究表明:在培养初期(前2 d),20%含水量土壤脲酶活性逐渐增加,35%和60%含水量土壤脲酶活性先增加后下降,随后脲酶活性趋于稳定,直到第13 d开始略有下降,总体来看,2 d后不同含水量对脲酶活性的影响变化不显著;而转化酶活性呈波动性变化,整个培养周期,35%含水量的转化酶活性始终高于60%含水量处理组,而20%含水量的转化酶活性在其他两组含水量的转化酶活性上下波动。研究表明含水量对黑土氮素转化影响显著,硝化、矿化、反硝化作用及土壤中微生物活性的变化是氮素转化及酶活性变化的主要原因。     

冻融交替对砒砂岩与沙复配土壤氮素的影响

[目的]探讨冻融作用对毛乌素沙地陕北榆林地区砒砂岩与沙复配土壤氮素的影响,对于提升毛乌素沙地土壤肥力具有重要作用。[方法]通过室内培养试验,探讨不同比例砒砂岩与沙复配土壤氮矿化过程对冻融的响应特征。[结果]冻融交替作用对土壤氮的矿化有显著影响,在冻融1周期时,3种比例复配土壤中硝态氮、铵态氮含量增加较快。在冻融2周期后,复配土壤中硝态氮、铵态氮含量均出现下降趋势。冻融5周期,复配土壤中硝态氮、铵态氮含量均开始呈现稳定增加趋势。冻融10周期后,1∶1,1∶2及1∶5复配土壤铵态氮含量分别增加了10%,49%与11%,硝态氮含量分别增加了14%,39%与34%,其中1∶2复配土硝态氮、铵态氮含量较1∶1,1∶5增加显著,对氮素的保持性能较好。[结论]冻融循环促进了土壤有机氮的矿化,有利于土壤中硝态氮、铵态氮的累积,为早春农作物的生长提供足够的氮素。     

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。     

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。     

不同氮素添加对不同土地利用方式黑土氮素转化特征的影响

以吉林省典型黑土区的玉米、果树、森林、水稻和菜地土壤为研究对象,采用室内培养法研究氮素在不同土地利用方式黑土中的形态转化特征。结果表明:施加氮肥使不同土地利用方式黑土的铵态氮和硝态氮含量均有不同程度的提高,其中铵态氮含量差异不显著,硝态氮含量差异显著。对于施加尿素的处理而言,S2(129.82 mg/kg)和C2(138.01 mg/kg)硝态氮含量显著高于G2(111.89 mg/kg)和D2(105.35 mg/kg),且Y2(126.92 mg/kg)显著高于D2。对于施加磷酸二铵的处理而言,各土壤硝态氮含量由大到小的顺序为C3(160.23 mg/kg)>Y3(150.00 mg/kg)>S3(140.12 mg/kg)>G3(133.45 mg/kg)>D3(126.70 mg/kg),且C3和Y3显著高于G3和D3。土壤净矿化速率和净硝化速率分别与土壤C/N,土壤微生物量碳、土壤微生物量氮呈显著负相关。整个培养期间,Y、G、C和D土壤平均NMR由大到小的顺序均为处理2>处理3>CK处理,S土壤平均NMR由大到小的顺序为处理3>处理2>CK处理。Y、G和D土壤平均NR由大到小的顺序均为处理2>处理3>CK处理,S和C土壤平均NR由大到小的顺序为处理3>处理2>CK处理。土壤理化性质对黑土氮素转化特征有重要影响。     

冻融交替对不同施肥水平的黑土中氮磷元素含量的影响

为探究冻融交替对不同施肥水平的黑土中氮磷元素含量变化的影响,对东北地区的黑土进行了模拟冻融处理,并分析其氮磷指标（总氮磷、有效氮磷）的变化。结果表明,冻融交替处理后黑土中全氮的含量会降低,而有效氮和有效磷的含量会提高。单独施加无机肥会加剧冻融交替造成的土壤全氮流失（P<0.05）,5次冻融交替后有效氮含量的增长率降低,有效磷含量的增长率升高。5次冻融交替后,施加有机肥的土壤全氮和全磷含量无显著变化,有效氮和有效磷含量增长率均显著提高（P<0.05）。在寒冷地区冻融条件下的农业生产实践过程中,应适当提高有机肥的施用量,以抑制黑土中氮元素的流失,增强氮磷元素的可用性,保持土壤肥力并降低水体富营养化的风险。     

有机物料对黑土氮素转化的影响

通过室内好气培养试验,研究了短期内添加不同有机物料对黑土氮素转化的影响。结果表明,与对照处理相比,添加2%和4%猪粪显著提高了土壤的铵态氮和硝态氮含量,猪粪添加量越高,土壤无机氮含量越高,且随着培养的进行逐渐上升。而添加2%和4%秸秆显著降低了土壤的铵态氮和硝态氮含量,秸秆添加量越高,土壤无机氮含量越低,且随着培养的进行逐渐下降。添加猪粪显著增加了土壤的净氮矿化量,而添加秸秆显著降低了土壤净氮矿化量,使无机氮发生了固定。有机物料氮矿化残留率随添加量的增加而增大,培养7天后猪粪有机氮的分解残留率要远小于秸秆。由此可见,有机物料对黑土氮素转化的影响因其种类和施用量的不同而异,实际农业生产中应合理施用。     

冻融作用对黑土重金属Zn形态转化的影响

通过对重金属Zn污染的黑土进行冻融频次和不同含水量的实验研究得到,随着冻融次数的增加,重金属Zn交换态含量,铁锰氧化物结合态含量和有机结合态含量均呈不同程度的降低趋势,残渣态含量明显增加,表明冻融作用可使土壤重金属Zn生物有效态含量降低。重金属Zn各赋存形态含量与土壤所经历的冻融次数之间呈二次多项式的函数关系,相关系数在0.948和0.988之间。随着土壤含水量的增加,冻融作用对重金属Zn交换态含量影响不大,铁锰氧化物结合态含量降低,有机结合态含量增加,而残渣态含量明显增加。     

有机质对冻融黑土重金属Zn赋存形态的影响

冻融作用对不同有机质含量的土壤重金属Zn赋存形态转化产生显著影响,以24h为1个冻融周期,对150mg(Zn)·kg-1的黑土冻融8次,结果表明,随着有机质含量的增加,未经冻融土壤的交换态和铁锰氧化物结合态Zn含量逐渐降低,有机结合态Zn含量逐渐增加,残渣态Zn含量变化不显著。冻融作用可促进交换态和铁锰氧化物结合态Zn含量降低,促进有机结合态和残渣态Zn含量增加。随着土壤有机质含量的增加,冻融作用使重金属Zn生物有效态含量降低。通过有机质含量与各形态Zn含量拟合,在未冻融和冻融条件下,各形态Zn含量与有机质含量之间呈二次多项式的函数关系,相关系数r2在0.664和0.995之间。     

冻融交替对土壤氮素转化及相关微生物学特性的影响

土壤冻融是发生在中、高纬度及高海拔地区的一种常见的自然现象。冻融作用通过影响土壤物理性质及生物学性状进而对土壤氮素转化过程产生重要影响,但目前关于冻融作用对土壤氮素转化过程影响的研究结果还不尽一致,对于冻融作用下土壤微生物学特性的研究相对较少。本文着重论述了冻融作用对土壤氮素转化过程(有效氮素含量变化、氮素净矿化速率、氮素损失途径等)的影响,并对冻融作用下土壤微生物生理和代谢特性进行了归纳和总结,简要指出目前研究过程中存在的问题,并对未来研究方向提出展望。     

影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素 及其对供氮量的响应

砂姜黑土是我国典型的中低产田土壤类型,研究其在土壤微生物驱动下的氮素转化过程及其机制,可为定向调控土壤氮素转化过程,提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据。试验设置0 kg·hm~(-2)、120 kg·hm~(-2)、225 kg·hm~(-2)和330 kg·hm~(-2) 4个供氮量,分别于冬小麦越冬期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期测定小麦根际土壤氮转化相关微生物作用(氨化作用、硝化作用和反硝化作用)强度和土壤氮素转化相关酶(脲酶、蛋白酶)活性,土壤净氮素矿化速率、土壤硝态氮和铵态氮含量的变化,研究影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素及其对不同供氮量的响应。结果表明,土壤氮素转化微生物及酶活跃时期为拔节到灌浆期,灌浆期之后土壤氨化作用强度、硝化作用强度、脲酶及蛋白酶活性降低;土壤净氮素矿化速率与土壤氮素转化微生物作用强度及酶活性的活跃期较为一致,在开花前后达到最高。除脲酶活性随供氮量增加持续上升外,土壤氮素转化微生物作用强度及蛋白酶活性均随供氮量的增加,在225 kg·hm~(-2)处理下达到最高,进一步增加供氮量至330 kg·hm~(-2),微生物作用强度及酶活性均表现出不同程度的下降。可见,砂姜黑土土壤氮素转化的活跃期与小麦需氮高峰期基本一致,有利于冬小麦的生长。但由于砂姜黑土中土壤硝化作用强度较低,土壤硝化能力有限,从而降低了氮素可利用性,且增加了土壤氨挥发损失的潜在风险。在一定范围内增加供氮量,有利于土壤氮素的转化,但供氮过多(330 kg·hm~(-2))则不利于砂姜黑土供氮能力的提高。     

外源氮在中、低肥力红壤中的转化与去向研究

采用盆栽15N示踪技术,研究了外源化肥氮和有机氮在中、低肥力红壤中的转化过程及其在土壤团聚体中的分配特征。结果表明:无论是低肥力还是中等肥力红壤上,化肥与有机肥配施都能显著增加土壤硝态氮、微生物生物量碳、氮及酶活性,且显著提高氮肥在土壤中的残留率,减少氮肥损失。相同施氮条件下,小麦生育期内中等肥力红壤上微生物生物量碳、氮及硝态氮含量分别相当于低肥力土壤的1.8、1.3和2.0倍。中等肥力红壤上尿素的施入对小麦生育期土壤硝态氮无影响,而低肥力红壤上施用尿素使土壤硝态氮含量提高了5.7倍。施肥可以显著提高低肥力红壤上小麦的地上部吸氮量,相当于不施肥的2.1~3.3倍,但对于中等肥力红壤,不同施氮条件对小麦的地上部吸氮量无明显影响。施入有机肥可以显著增加土壤各粒级团聚体中外源氮的残留量,是单施化肥的2.1~5.0倍。与单施化肥氮相比,有机氮或与有机肥配施的化肥氮优先进入到大团聚体中,而外源氮在微团聚体和粉粘粒中的残留与分配并无明显差异。本研究说明有机肥或化肥与有机肥配施能有效降低氮肥的损失,提高氮肥在土壤中的保存,特别是对于中等肥力的土壤,有机肥的配合施用对于后季作物的生长具有重要意义。     

Effects of successive soil freeze-thaw cycles on nitrification potential of soils

Abstract

In our previous report (Yanai et al. 2004: Soil Sci. Plant Nutr., 50, 821–829), we demonstrated that soil freeze-thaw cycles caused a partial sterilization of the soil microbial communities and exerted limited effects on the potential of organic matter decomposition of soils. In the present study, the effects of soil freeze-thaw cycles on the nitrification potential of soils were examined and the impacts of the freeze-thaw cycles on the nitrifying communities were analyzed. Samples of surface soils (0 to 10 cm depth) were collected, from tropical arable land sites, temperate forest, and arable land sites~ Nitrification potential was assayed by the incubation of soils with or without the addition of 200 fig N of ammonium sulfate per g soil to reach a moisture content adjusted to 60% of maximum water-holding capacity at 27~wC following four successive soil freeze-thaw cycles (-13 and 4°C at 12 h-intervals). Nitrification potential of the soils, in which the decrease in the microbial biomass following the freeze-thaw cycles was less appreciable, was not inhibited by the soil freeze-thaw cycles. On the other hand, the nitrification potential of the soils, in which the decrease in the microbial biomass following the soil freeze-thaw cycles was relatively more appreciable, was clearly inhibited by the freeze-thaw cycles or was undetectable even in the unfrozen control. Surprisingly, nitrate production in the samples of an arable soil collected from Vietnam was inhibited by the addition of ammonium sulfate, and thus the effects of counter-anions of ammonium salts on the nitrification potential of the soils were examined. Since a much larger amount of nitrate was produced in the Vietnam soil with the addition of ammonium acetate and ammonium hydrogen carbonate than that in the soil with the addition of ammonium sulfate, it was considered that ammonium sulfate inhibited nitrification in the soil. These results indicated that ammonium sulfate may not always be a suitable substrate for estimating the nitrification potential of soils. Relationship between soil physicochemical properties and the effect of the soil freeze-thaw cycles on the nitrification potential was evaluated and it was considered that the soil pH(KCI) was likely to be responsible for the difference in the responses among soils, assuming that the pH values changed in unfrozen water under the frozen conditions of soils.     

生物炭对植烟土壤氮素形态迁移及微生物量氮的影响

为了在植烟土壤中施加生物炭,以及在不同氮素水平下验证生物炭对土壤氮素的淋洗及迁移的影响.采用大田试验,设计5个处理,在磷肥和钾肥施用量相同的基础上,除对照(CK)处理不施生物炭与氮肥外,其余4个处理都添加1 600 kg/hm2的生物炭,施氮量分别为(N0)0、(N1)37.5、(N2)52.5和(N3) 67.5 kg/hm2,对植烟土壤氮素在0～20、20 ～ 40和40 ～ 60 cm土层施加生物炭,研究全氮、碱解氮、硝态氮和铵态氮质量分数的影响及其迁移规律,以及0～20cm土层微生物量氮的变化特征.结果表明:植烟土壤施用生物炭降低了0～ 20 cm以下土壤氮素质量分数,提高了植烟土壤对氮素的固定能力.与CK相比,增施生物炭的N0在0～20 cm以下土层,土壤全氮、碱解氮、硝态氮和铵态氮质量分数降低率最高达到11.21％、49.07％、42.29％和31.35％.而施氮量对植烟土壤全氮、碱解氮和铵态氮的影响,主要集中在0 ～ 20 em土层,且土壤氮素质量分数随施氮量的增加而增加,以N3处理各氮素指标质量分数相对最高,其全氮、碱解氮和铵态氮质量分数最高分别为2.10 g/kg、261.86 mg/kg和49.80 mg/kg.土壤硝态氮质量分数随土层加深而下降,在0 ～ 20 cm土层,以N3处理最高,达264.90 mg/kg;但不同氮水平下,硝态氮质量分数在20 ～ 40 cm土层差异较其他土层更显著.施用氮肥对植烟土壤氮素的影响主要表现在烟草移栽后前30 d.增施生物炭可以提高烟草移栽后60 d时土壤微生物量氮;而施氮量对微生物量氮熵的影响主要表现在烟草移栽30 d之后.施氮量对植烟土壤氮素的影响主要表现在0～20 cm土层,且在烟草生育前期效果显著.生物炭可以明显抑制植烟土壤本身及低量氮肥施用下氮素淋失迁移,但在高量氮肥施用下的抑制作用不明显.在豫中烟区,以生物炭配施氮肥67.5 kg/hm2施肥措施,最利于植烟土壤氮素提高.     

冻融循环作用对黑土有效磷含量变化的影响

[目的]分析冻融循环作用和土壤含水率对土壤磷素的有效性产生的影响,为控制农业非点源污染、明确冻土区土壤的磷素循环过程和准确评估区域的磷素收支提供依据。[方法]以东北黑土为研究对象,研究冻融次数、土壤含水率和土壤有效磷背景值对黑土有效磷含量的影响。采用室内模拟冻融循环的方法,冻融循环次数为30次,冻融温差为-10~7℃,监测冻融条件下黑土有效磷含量的变化。[结果]随着冻融循环次数的增加,它对有效磷含量的影响逐渐下降,至20~30次循环中不具有显著性影响,有效磷背景值的影响在5~20和20~30次循环中占主导地位;在0~30次冻融循环中,有效磷含量的变化表现出双峰型曲线特征,相邻冻融循环次数有效磷含量的变化大多具有显著性差异,变化由剧烈到平缓;土壤含水率越高,有效磷含量变化越剧烈;土壤有效磷背景值越高,有效磷含量越稳定。[结论]冻融循环次数、土壤含水率、土壤有效磷背景值3个控制因子对有效磷含量的影响程度随冻融循环次数的增加而变化。     

浅层淹水条件下不同施肥处理对黑土氮素净转化的影响

以东北旱作黑土为对象,在25℃和浅层淹水条件下开展了为期35 d的室内培养试验,研究不同施肥处理对黑土矿化作用和硝化作用的影响。结果表明,浅层淹水条件下土壤矿化作用和硝化作用仍能进行。与不施肥对照处理相比,施用氮肥抑制了培养初期的有机氮矿化,但对后期氮矿化没有影响。氮肥施用初期对硝化作用没有影响,但2周后显著促进了硝化作用的进行。培养期间单施氮肥处理的平均净矿化速率为N 1.07 mg/(kg·d),与对照处理没有显著差异;平均净硝化速率为N 4.50 mg/(kg·d),是对照处理的2.43倍。浅层淹水条件下氮肥配施有机物料显著促进了土壤无机氮的生物固定,培养初期氮肥配施秸秆处理的无机氮固定量大于氮肥配施猪粪处理,后期则相对稍低,氮肥配施猪粪和配施秸秆处理的平均净氮矿化速率分别为N-5.61和-3.15 mg/(kg·d),两者间差异显著。与单施氮肥处理相比,浅层淹水条件下氮肥配施有机物料显著抑制了土壤硝化作用,培养期间氮肥配施猪粪和氮肥配施秸秆处理的平均净硝化速率分别为N 0.29和0.18 mg/(kg·d),分别比单施氮肥处理下降了93.5%和96.0%。     

土壤增氧方式对其氮素转化和水稻氮素利用及产量的影响

以3种不同生态型水稻品种中浙优1号(水稻)、IR45765-3B(深水稻)和中旱221(旱稻)为材料,比较研究了不同增氧方式(T1-增施过氧化钙、T2-微纳气泡水增氧灌溉、T3-表土湿润灌溉和CK-淹水对照)下稻田土壤氮素转化和水稻氮素吸收利用特性。结果表明:1)增氧处理明显改善土壤氧化还原状况,3种增氧方式下土壤氧化还原电位均高于CK。稻田增氧促进土壤氮素硝化,在分蘖期和齐穗期T1、T2和T3的土壤硝化强度和脲酶活性均显著高于CK,反硝化强度显著低于CK。2)不同增氧处理对水稻氮素吸收的影响不同,在拔节期、齐穗期和完熟期3品种的植株氮素积累量均表现为T1、T2显著高于CK,而T3显著低于CK;在完熟期,T1处理下中浙优1号、IR45765-3B和中旱221植株氮素积累量分别较CK增加了21.2%、13.2%和17.0%,而T2处理下3品种的植株氮素积累量分别较CK增加了14.3%、6.9%和9.1%。3)与CK相比,T1和T2显著提高水稻籽粒产量和收获指数,氮素籽粒生产效率与CK无显著差异,而T3显著增加水稻氮素干物质生产效率和氮素籽粒生产效率。可见,施用过氧化钙和微纳气泡水增氧灌溉能有效改善稻田土壤氧化还原状况,不仅显著提高水稻产量,而且显著增强稻田氮的硝化而减少氮素损失,从而提高水稻氮素积累量和氮素收获指数。     

冬季增温对东北农田黑土氮磷有效性的影响

为探究全球气候变暖对东北农田黑土氮、磷有效性的影响,该研究以东北农田黑土为研究对象,采用红外辐射增温技术模拟气候变暖（增温5 ℃）,将样地分为增温组（W）和对照组（C）来进行野外原位试验,通过测定土壤温度、土壤湿度、冻融循环次数、积雪厚度、冻结深度、铵态氮（ammonium N,${\\rm{NH}}_4^+-{\\rm{N}}$）、硝态氮（nitrate N,${\\rm{NO}}_{3}^{-}-{\\rm{N}}$）、全氮（total N,TN）、微生物量氮（microbial biomass N,MBN）、速效磷（available P,AP）、全磷（total P,TP）浓度,分析不同指标在冬季增温下的动态变化过程及其响应。结果表明：冬季增温显著提升土壤温度和含水率,进而增加土壤的冻融循环次数,并且减少了土壤积雪深度和冻结深度,使冻结时间点延后和融化时间点提前。增温组土壤相较于对照组,经过整个冬季后,土壤${\\rm{NH}}_4^+ -{\\rm{N}}$、${\\rm{NO}}_{3}^{-}-{\\rm{N}}$、TN、MBN和TP浓度分别降低126.38%、146.98%、51.23%、21.48%和12.61%, AP浓度提升了25.54%（P<0.05）。在冬季增温过程中,各时期土壤温度的提升会对土壤有效养分产生显著影响,导致在融化期氮素大量的流失。研究结果可为后续春季合理高效施肥,改善东北农田土壤质量提供理论基础。