来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2024/1/18 13:58:49
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FASE | 亮文解读 | 典型集约化农业区域农田土壤氮矿化评价

论文标题:REGIONAL ASSESSMENT OF SOIL NITROGEN MINERALIZATION IN DIVERSE CROPLAND OF A REPRESENTATIVE INTENSIVE AGRICULTURAL AREA(典型集约化农业区域农田土壤氮矿化评价)

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Peng XU, Minghua ZHOU, Bo ZHU, Klaus BUTTERBACH-BAHL

发表时间:15 Dec 2023

DOI:10.15302/J-FASE-2023515

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农业面源污染与绿色发展

Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development

专 辑 文 章 介 绍

· 第三篇 ·

▎论文ID

Regional assessment of soil nitrogen mineralization in diverse cropland of a representative intensive agricultural area

典型集约化农业区域农田土壤氮矿化评价

发表年份:2023年

第一作者:徐鹏

通讯作者:周明华

 mhuazhou@imde.ac.cn

作者单位:中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所

Cite this article :

Peng XU, Minghua ZHOU, Bo ZHU, Klaus BUTT ERBACH-BAHL. REGIONAL ASSESSMENT OF SOIL NITROGEN MINERALIZATION IN DIVERSE CROPLAND OF A REPRESENTATIVE INTENSIVE AGRICULTURAL AREA. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 530–540 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023515

· 文 章 摘 要 ·

土壤氮矿化 (Nmin) 是有机氮向矿质氮转化的关键过程,控制着土壤氮素的有效性。然而,目前缺乏对农田土壤Nmin及其影响因素的区域评估,特别是与海拔变化的关系。本研究通过4周的培养试验,测定了云南省大理市典型集约化农业区域5种农田土壤 (3种为玉米地,以A–C表示;1种为烤烟地,以D表示;1种为菜地,以E表示) 的Nmin速率、硝化作用 (Nit) 速率及相应的非生物特性。结果表明:土壤Nmin速率在0.10–0.17 mg·kg–1·d–1之间,以菜地E最高,烤烟田D次之、玉米地C、B和A最低,表明不同农田土壤Nmin和Nit速率随海拔降低而升高。土壤Nit在434.2–827.1 µg·kg–1·h–1之间变化,以烤烟田D最高,其次为菜地E、玉米地C、B和A最低。土壤Nmin与土壤全氮、溶解有机碳和无机氮等关键土壤参数呈正相关,表明土壤变量对农田土壤Nmin与Nit具有调控作用,土壤Nmin与Nit也呈显著正相关。以上发现有助于进一步了解土壤Nmin在不同农田间的空间变化响应,本文建议在评价区域尺度上的氮转化时,应考虑农田土壤Nmin

· 文 章 亮 点 ·

1. 不同农田土壤氮矿化速率存在空间差异。

2. 农田土壤氮矿化速率随着海拔降低而增大。

3. 农田土壤氮矿化速率受土壤有机碳、总氮和可利用性碳氮调控。

4. 研究水体面源污染需考虑农田土壤氮矿化对其贡献。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

氮是作物必需的营养物质,但土壤中唯一能被作物吸收和利用的矿质氮仅占土壤总氮的1%左右。氮肥通常是向作物提供氮的必要方法,此外,土壤氮矿化 (Nmin) 是微生物活动中将有机氮转化为无机氮的关键过程,通常是保证氮营养的必要条件。然而,较强的Nmin也可能导致过量的硝酸盐 (NO3-N) 和铵态氮 (NH4+-N),这些NO3-N和NH4+-N可以通过地表径流丢失或浸出到地下水中,从而导致水污染。尽管已有大量报告记录了不同土地利用方式下的土壤Nmin速率,如林地、草地和耕地,但缺乏对土壤Nmin及其对环境的潜在影响的区域评估,特别是对于集约化经营的农业区。硝化作用 (Nit) 是与土壤Nmin相关的另一种重要的土壤N转化,对土壤中氮形态的调节有重要作用。通常土壤氮转化与Nmin是耦合的过程,因土壤Nmin和Nit受多种因素影响,土壤Nmin和Nit存在较大的空间差异。土壤Nmin受农业管理方式、温度、湿度、pH、通风、土壤有机质组成、土壤结构、土壤肥力和土壤微生物等影响。然而,这些因子对不同农田土壤Nmin的影响存在差异,特别是在空间变异较大情况下。本研究旨在获得典型集约化的农业区土壤Nmin的评价,并确定对农田土壤Nmin调控的关键土壤因子。分析Nmin与土壤变量之间的关系,并进一步讨论了土壤Nmin对水土环境的潜在影响。

▎研究方法

本研究使用60个培养瓶 (250 mL),每个瓶中装有20 g风干土样。在田间持水量40%条件下对土壤进行预培养 (15 °C, 5天)。预培养温度与土壤采样区年平均温度基本一致。预培养结束后,调整田间持水量至60%,在15 ℃条件下再培养30 天。每2天通过称重法及时补充蒸馏水来保持土壤的水分含量。在第1、8、15、22和30天取土样,测定土壤NH4+、NO3、溶解有机碳 (DOC) 含量和土壤pH。土壤无机氮含量 (DIN) 由NH4+-N与NO3-N含量之和表示。土壤净有机Nmin是由培养前后DIN含量的差异确定。土壤Nmin速率 = Nmin/t,其中t为实际培养时间 (天)。此外,土壤Nit采用气压分离系统测定。

▎结果

不同农田土壤Nmin量和速率存在差异 (表1),土壤Nmin量和速率分别为2.98–5.52 mg· kg–1和0.10–0.17 mg·kg–1·d–1。土壤年矿化量在74.5–127.1 kg·ha–1之间(表1),其中,菜地E最高,烤烟地D、玉米地C、玉米地B次之,玉米地A最低(表1)。不同农田土壤硝化速率变化范围为434.5–827.1 µg·kg–1·h–1 ,烤烟地D最高,菜地E、玉米地C和B次之,玉米地A最低 (表2)。土壤Nmin速率随土壤NH4+-N和DOC含量的增加而线性增加 (图1)。特别地,土壤Nmin速率与Nit有很好的线性关系 (图2)。

表1 不同农田表层土壤氮矿化量和矿化速率

表2 不同农田表层土壤硝化速率

图1 土壤氮矿化与可溶性有机碳和铵态氮的关系。

图2 土壤氮矿化与硝化速率的关系。

▎讨论

(1)农田土壤Nmin的空间差异

有研究表明,不同农业生态系统的土壤Nmin潜力随着纬度和海拔的增加而显著降低。在本研究中,土壤Nmin速率在不同农田土壤表现差异较大,遵循随海拔降低而增高趋势,表现为菜地最高,烤烟田次之,玉米地最低。在野外试验中观察到,随着海拔的升高,土壤的活性有机碳逐渐减少,而在高海拔地区,土壤的Nmin由于底物有效性的降低而减少。结果表明,土壤C/N随海拔的降低而降低,可能是促进土壤的Nmin增强的原因。

(2)影响土壤Nmin的关键因素

有研究发现不同生态系统土壤Nmin和Nit存在显著差异,其影响因素包括pH、土壤湿度、土壤质地、有机质质量、土壤TN、TC、土壤C/N等。Springob等研究表明土壤C/N越高,氮素释放速率越低。Colman和Schimel研究证明Nmin的变化很大程度上是基于土壤有机质 (SOM) 的质量。本文研究结果表明,土壤Nmin与土壤TN、DOC和NH4+-N相关。同样,Nit率的增加与土壤TN、DOC、NH4+-N和NO3-N含量的增加相关。本研究结果着重阐明,在空间 (海拔) 变化条件下,土壤参数对土壤Nmin的重要影响。

(3)土壤Nmin对水质的潜在影响

本研究提出了农区土壤Nmin的区域评价方法,并基于不同农田土壤Nmin的年含量,探讨了土壤Nmin对水环境质量的潜在影响。本研究表明,土壤Nmin与Nit之间存在良好的正相关关系,这表明有机Nmin产生的土壤NH4+-N可以通过微生物Nit过程被氧化成NO3-N。因此,较强的NO3-N可能会促进大量NH4+-N转化为NO3-N,这些NO3-N可以通过地表径流携带或淋滤到地下水中,从而威胁水质。综上所述,本研究结果表明,在空间和时间变化显著的种植背景下,应更多地关注土壤Nmin

· 结 论 与 展 望 ·

本研究对典型集约化农业区农田土壤Nmin进行了评价,探讨了在海拔变化的空间尺度下,影响农田土壤Nmin的关键土壤因子。本研究发现,土壤Nmin和Nit速率在不同的采样区存在空间差异。总体而言,土壤Nmin速率和Nit随海拔升高而降低,并与土壤全氮、有效碳氮等关键土壤参数相关。研究结果表明,在典型集约化农业区域尺度上评价面源污染时应考虑农田土壤Nmin的贡献。

编辑 | 唐静月 李云舟

审稿 | 许建香

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