水稻土氮转化过程速率及其生产与环境效应

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高氮肥施用量和低氮肥利用率是我国稻-麦轮作生态系统可持续性发展面临的问题之一。并且,稻-麦轮作生态系统已被证实是大气氧化亚氮(N2O)的重要排放源之一。关于稻田N2O排放及其影响因素已有较多报道,但NO排放的研究相对较少。并且水稻土N2O和NO产生机理尚不完全清楚。稻田氮肥损失途径以及N2O和NO排放与氮素转化过程联系紧密。深入研究水稻土中氮素转化过程并进行定量描述,以及明确水稻土N2O和NO产生机制,将有助于提高人们对稻田氮素损失过程以及N2O和NO产生机理的认识水平。本研究以江苏淮安碱性水稻土(潮黄土)和江苏宜兴中性水稻土(黄泥土)为研究对象,采用15N稀释方法并结合15N示踪FLUAZ模型,开展室内培养试验,研究了好氧条件下环境因素(水分和温度)和硝化抑制剂(双氰胺,DCD)对上述两种水稻土氮初级转化速率及N2O和NO产生的影响;并且探讨了DCD抑制效果的时间效应。另外,开展15N示踪厌氧培养试验,研究了不同性质水稻土反硝化潜力及其产物组成。最后,从水稻土土壤性质角度出发,用室内试验结果解释了田间观测到的现象,初步获得以下几点探讨性结论:  (1)土壤含水量40%~90%WHC(最大持水量)范围内(温度25℃),黄泥土和潮黄土氮初级矿化速和硝化速率总体上随含水量的升高而增加;但是,无机氮初级同化速率对水分变化的响应相对不敏感。培养温度5℃~35℃(土壤含水量60%WHC)条件下,初级矿化速率、硝化速率及无机氮同化速率随温度的升高不同程度增加。低温条件下氮素矿化过程对温度变化的敏感度低于硝化和固定过程。碱性水稻土不同水热条件下初级矿化和硝化速率、初级矿化速率与无机氮初级同化速率的比值(MIT)、以及初级硝化与NH4+同化速率的比值(N/IA)均高于中性水稻土。  (2)潮黄土和黄泥土N2O产生过程对水分变化的响应不同。除潮黄土90%WHC处理中硝化和反硝化过程对N2O产生的贡献比率相当外,其余水分处理硝化过程对N2O产生的贡献比例(Cn)大于70%,是40%~90%WHC水分条件下N2O产生的主要过程。依据NO/N2O比值以及NO和N2O产生速率与初级硝化速率的相关关系推测,40%~90%WHC范围内NO也可能主要通过硝化过程产生。5℃~35℃范围内,温度升高总体上促进水稻土N2O和NO的排放。15℃和25℃温度条件下,硝化作用对黄泥土和潮黄土中N2O产生的贡献比例(Cn)分别大于80%和70%,但5℃和35℃温度条件下Cn显著低于15℃和25℃处理,此时反硝化对N2O产生的贡献比例(Cd)增加。这可能跟硝化和反硝化作用适宜温度的不同有关。不同水热条件下,潮黄土N2O和NO产生量均大于黄泥土。硝化过程N2O产生量占硝化产物的比重(Fn)因土壤性质、水分含量和温度而异。  (3)不同性质水稻土反硝化作用潜力(DP)差异显著,碱性水稻土DP大于中性和酸性水稻土;水稻土反硝化作用的终产物不完全是N2;并且,不同性质水稻土反硝化产物组成不同。N2O/(NO+N2O+N2)比值与DP呈显著负相关关系;DP与土壤pH和C/N呈正相关关系,而N2O/(NO+N2O+N2)比值与土壤pH和C/N呈负相关关系。增加NO3--N浓度将增加DP和N2O/(NO+N2O+N2)比值,但不对NO/(NO+N2O+N2)比值产生影响。相同NO3--N浓度条件下,反硝化潜力越低的土壤其反硝化产物中N2O比重越高;增加NO3--N浓度将增加反硝化潜力及其气体产物中N2O比例。  (4)硝化抑制剂DCD与氮肥同时加入土壤后第一周,黄泥土和潮黄土中初级硝化速率分别被抑制了57.9%和62.3%; N2O产生速率分别被抑制了93.2%和46.8%。但是,除初级硝化过程外,DCD的加入对供试水稻土氮初级矿化速率、NH4+-N和NO3--N的初级同化速率产生无影响。DCD通过抑制初级硝化速率和降低N2O在硝化产物中比重的双重作用抑制N2O产生,但是,其机理需进一步深入研究。本试验条件下,DCD对初级硝化速率和N2O排放的抑制效果随培养时间降低,但培养4周后仍有一定抑制效果。  (5)连续三年田间试验表明,淮安潮黄土稻田氮肥利用率低于宜兴黄泥土稻田。除可能的高氨挥发损失风险外,NO3--N快速累积与消耗是造成田间条件下潮黄土氮肥利用率低于黄泥土的另一可能原因。此外,室内试验与田间条件下所测得的N2O和NO排放量具有较大差异,尤其是小麦季,因此,室内试验虽有助于揭示N2O和NO排放机制,但并不能很好地反映田间真实情况。
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