海南農田土壤氮轉化特點及影響因素分析

目錄TOC\o"1-2"\h\u13731緒論 5157451.1研究背景 518621.2國內外研究現(xiàn)狀 549151.3研究的主要內容 7324752材料與方法 8132872.1供試土壤及土樣的采集 8275632.215N同位素示蹤試驗 9171132.3指標測定 9163302.4數(shù)據(jù)分析及結果計算 10304963結果與分析 10155543.1土壤理化性質 10145623.2土壤氮初級轉化速率 11280633.3土壤氮周轉速率 12254724討論 13223375結論 141725參考文獻 162889致謝 18

摘要：我國是蔬菜消耗大國，保障蔬菜生產產量和品質對于保障國家“菜籃子”工程具有重要意義。但是，長期以來不合理的農業(yè)生產方式比如過量使用化肥和農藥，已經導致農田土壤中的氮素轉化過程出現(xiàn)失衡，土壤健康質量下降，生態(tài)環(huán)境遭受破壞。因此，深入探究農田土壤氮素轉化的特點及其影響因素，對于推動農業(yè)生產方式的優(yōu)化、提升肥料使用效率以及保護生態(tài)環(huán)境具有重大的現(xiàn)實意義。在本論文中，我們從安徽省和縣吳江村和江蘇省宜興縣中新村兩個生產區(qū)采集土壤樣本，測定了長期（10年）和短期（1年）設施蔬菜地土壤中的相關理化性質，并主要用15N同位素示蹤的方法對土壤氮初級轉化速率和土壤氮周轉速率進行了測算，結果發(fā)現(xiàn)土壤基本理化性質與土壤氮初級轉化速率和土壤氮周轉速率具有密不可分的聯(lián)系。發(fā)現(xiàn)伴隨蔬菜種植年限的延長，土壤pH值出現(xiàn)顯著下降，而土壤電導率（EC）出現(xiàn)升高。伴隨種植蔬菜過程中的施肥、澆水、噴施農藥等人為因素的影響，土壤中的銨根離子和硝酸根離子濃度出現(xiàn)不同變化。關鍵詞：設施菜地土壤15N同位素示蹤氮初級轉化速率1緒論1.1研究背景伴隨社會不斷發(fā)展和進步，越來越多的人類因攝入過多的高油脂、高糖食物導致亞健康。蔬菜中富含大量的維生素、纖維素等對人體有益的成分，能夠有效緩解亞健康癥狀，因此全球對蔬菜的需求不斷增加。我國是一個蔬菜種植的大國，溫室蔬菜種植面積已從1990年的691萬公頃大幅增加到2017年的2400萬公頃（FAO2019）。為了進一步提高蔬菜產量，施用高氮的礦物質和有機肥料的已成為一種常用方法ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Min</Author><Year>2018</Year><RecNum>515</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>515</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712488651">515</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Min,Ju</author><author>Shi,Weiming%JScienceofTheTotalEnvironment</author></authors></contributors><titles><title>Nitrogendischargepathwaysinvegetableproductionasnon-pointsourcesofpollutionandmeasurestocontrolit</title></titles><pages>123-130</pages><volume>s613–614</volume><dates><year>2018</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]。目前我國年均氮肥施用量約占全球氮肥總施用量的三分之一，居全球第一ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>房增國</Author><Year>2004</Year><RecNum>391</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[2]</style></DisplayText><record><rec-number>391</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710424821">391</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>房增國</author></authors><tertiary-authors><author>張福鎖%J,中國農業(yè)大學</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>豆科/禾本科間作的氮鐵營養(yǎng)效應及對結瘤固氮的影響</title></titles><keywords><keyword>豆科/禾本科間(混)作</keyword><keyword>氮營養(yǎng)</keyword><keyword>鐵營養(yǎng)</keyword><keyword>生物固氮</keyword></keywords><dates><year>2004</year></dates><work-type>博士</work-type><urls><related-urls><url>/kcms2/article/abstract?v=9hl5eXOdJcbzVPbb2KdT8PWS4YVmq-aRESMA3dJy9YeRtFjH-wsoOADeChscRjwYvjn1pibIhYV_xsBK1LEBzQCSgjxNJT7O6BTgl9yBE8ekjc12K0dp4YG8OncwLQSOS_WlBp-43doJ89EtVfZSTw==&uniplatform=NZKPT&language=CHS</url></related-urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[2]。但是增加氮肥施用量并非能夠增加農作物產量，氮肥施用量超過植物氮肥吸收量和利用量，導致氮肥損失嚴重，損失的氮肥也會造成土壤酸化和鹽堿化、水體富營養(yǎng)化和氮氧化物排放過量等環(huán)境污染ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Year>2001</Year><RecNum>392</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[3]</style></DisplayText><record><rec-number>392</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710424870">392</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><subsidiary-authors><author>中國土壤學會、中國植物營養(yǎng)與肥料學會、中國作物學會、中國園藝學會、中國地理學會、中國環(huán)境學會、中國化工學會,</author></subsidiary-authors></contributors><titles><title>“氮素循環(huán)與農業(yè)和環(huán)境學術討論會”紀要</title><secondary-title>氮素循環(huán)與農業(yè)和環(huán)境學術討論會</secondary-title></titles><pages>2</pages><dates><year>2001</year></dates><pub-location>中國廈門</pub-location><urls><related-urls><url>/kcms2/article/abstract?v=9hl5eXOdJcYwzzlRgVO0_NnR-420ykiZKFyZkKszLzpHQB49-LHPhDxelcAZ_mBuQ1UqKafLF-4bjzmE-Sefz4ooWezQUu_VxYkZeLdgKthaglfQGG2X1bAcmeQKEnowFUazcClI2Vf5vGIP4Q3D8g==&uniplatform=NZKPT&language=CHS</url></related-urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[3]，而且過量施用氮肥導致蔬菜生長狀況、蔬菜質量。已有學者在三亞市蔬菜生產中進行了肥效校正試驗，驗證了測土配方施肥的準確性和本地配方肥的最佳施用量，結果顯示采用配方施肥方法不僅顯著提高了產量和經濟效益，還有助于推動農業(yè)的綠色高質量發(fā)展ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>張?zhí)毂?lt;/Author><Year>2023</Year><RecNum>362</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>362</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710165076">362</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>張?zhí)毂?lt;/author><author>陳志科</author><author>陳法靜</author><author>陳川峰</author><author>林不三%J熱帶農業(yè)科學</author></authors></contributors><titles><title>三亞市豇豆肥效校正試驗</title></titles><pages>22-25</pages><number>10</number><dates><year>2023</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]。氮是影響作物生長的關鍵因素之一，氮素的周轉對作物生長具有關鍵作用，基于氮素在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要性，國內外主要圍繞氮素行為、氮肥高效利用機制和調控作物高效利用氮肥的理論和方法及其環(huán)境效應等開展了大量研究，但主要涉及黑土、潮土、水稻土等。目前對于設施菜地土壤氮素研究多限于不同形態(tài)氮含量的測定、氮分布特征、硝態(tài)氮引起的水體污染及氮氧化物排放等方面，缺少涉及不同形態(tài)氮庫轉化的過程機理研究，且目前大多數(shù)研究主要從凈轉化角度研究，凈轉化并不能反應土壤中的實際氮素周轉情況。因此，在本研究選擇典型設施菜地土壤，通過15N同位素方法結合MCMC模型，深入探究我國蔬菜種植地區(qū)典型的農田土壤氮素轉化的特點以及影響農田土壤氮素轉化因素。本研究對于推動農田作物產量和品質的提高、農業(yè)生產方式的優(yōu)化、肥料使用效率的提升以及保護生態(tài)環(huán)境具有重大的現(xiàn)實意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀氮元素是決定生態(tài)系統(tǒng)生產力的重要影響因素。土壤中的氮元素主要分為有機氮和無機氮兩種形態(tài)，植物能夠直接吸收利用的主要氮素形態(tài)為無機氮，而土壤中的無機氮主要來源于無機氮的礦化作用。土壤中施氮量過剩，會導致土壤微生物活性降低，進而抑制蛋白質解聚（限制土壤有機氮礦化速率），進而減少氮礦化ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[5-7]。目前已知的氮轉化模型共有8種：有機氮到NH4+的礦化，NH4+到有機氮的固定化，吸附NH4+的釋放，NH4+在陽離子交換位點的吸附，NH4+氧化到NO3?，頑固的有機氮氧化到NO3?，將NO3?固定在頑固的有機氮上，并將異化NO3?還原為NH4+。影響土壤氮轉化的因素主要包括以下幾個方面：土壤的質地、結構狀況、孔隙度、水分和溫度狀況等通過影響土壤的含氧量、氧化還原性和通氣狀況，從而影響土壤中養(yǎng)分的轉化速率和存在狀態(tài)、土壤水分的性質和運行規(guī)律以及植物根系的生長力和生理活動，進而影響土壤氮的轉化。前人研究了壤土、粘土、砂土三種質地土壤對高油玉米碳氮積累和運轉的影響，結果發(fā)現(xiàn)，在砂土地塊中玉米營養(yǎng)器官貯藏物質再運轉量和再運轉率及營養(yǎng)器官物質總運轉量和運轉率最高ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>黃勇</Author><Year>2007</Year><RecNum>560</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[8]</style></DisplayText><record><rec-number>560</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1713448132">560</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>黃勇</author><author>馬二培</author><author>楊青華</author><author>劉媛媛</author><author>李潮海%J玉米科學</author></authors></contributors><titles><title>不同質地土壤對高油玉米碳氮運轉的影響</title></titles><pages>4</pages><volume>15</volume><number>2</number><dates><year>2007</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]。土壤的酸堿度、陽離子吸附及交換性能、土壤還原性物質、土壤含鹽量以及其他有毒物質的含量等會直接影響植物的生長和土壤養(yǎng)分的轉化、釋放及有效性，進而影響土壤氮的轉化。土壤中的微生物及其生理活性對土壤氮、磷、硫等營養(yǎng)元素的轉化和有效性可以促進土壤有機質的礦化作用，增加土壤中有效氮、磷、硫的含量，也可以促進腐殖質的合成作用，增加土壤有機質的含量，提高土壤的保水保肥性能。通過大豆和根瘤菌的相互作用進行生物固氮，從而增加土壤中有效氮的來源途徑。此外，植物根系的分泌物也能影響土壤氮的轉化。例如，高粱根系分泌物中不飽和脂肪酸中的亞油酸和亞麻酸可以抑制硝化作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王銳</Author><Year>2021</Year><RecNum>401</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[9]</style></DisplayText><record><rec-number>401</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710555138">401</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>王銳</author><author>陳士勇</author><author>陳志青</author><author>崔培媛</author><author>盧豪</author><author>楊艷菊</author><author>張海鵬</author><author>張洪程%J作物雜志</author></authors></contributors><titles><title>根系分泌物對根際土壤關鍵氮轉化過程的影響</title></titles><pages>1-8</pages><number>6</number><dates><year>2021</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]。前人用(NH4)2SO4處理土壤，再增加土壤中的鹽分，結果發(fā)現(xiàn)土壤中氨氣揮發(fā)加劇，且氨的損失隨土壤含鹽量的增加而增加ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>G.McClung</Author><Year>1987</Year><RecNum>561</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[10]</style></DisplayText><record><rec-number>561</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1713448572">561</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>G.McClung</author><author>金震堅</author></authors></contributors><titles><title>含鹽量對土壤氮轉化的影響%J土壤學進展</title></titles><pages>51-54</pages><number>02</number><dates><year>1987</year></dates><isbn>025-4010X</isbn><urls><related-urls><url>/kcms2/article/abstract?v=IILC1c-FiAEkqBhiEx4potE0fzl6C_d7kGArmXQF2jAtD2O2TaTWd6ksC3PSMoFgy2Xdss_FUi3Khxuy3mW9JlH8bnnUwQE2uh2feiKJ142UUt6PPhpMXsUwCTx4cJAkz_I4QPQ9Xwc=&uniplatform=NZKPT&language=CHS</url></related-urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[10]。環(huán)境中土壤含氧量、有機碳和無機氮等也會影響土壤氮的轉化。增加土壤中氧分壓會促進硝化過程，在低氧或無氧條件下則更加有利于氮素轉化成氣態(tài)產物ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>楊碩</Author><Year>2019</Year><RecNum>400</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[11]</style></DisplayText><record><rec-number>400</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710554083">400</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>楊碩</author><author>金文俊</author><author>黃海蒙</author><author>王軍</author><author>周得寶</author><author>趙陽陽</author><author>董召榮</author><author>宋賀%J中國生態(tài)農業(yè)學報（中英文）</author></authors></contributors><titles><title>耕層土層交換對土壤氮素關鍵轉化過程和玉米氮素利用的影響</title></titles><pages>13</pages><volume>27</volume><number>10</number><dates><year>2019</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]。總的來說，影響土壤氮轉化的因素多樣，包括物理、化學、生物等多個方面，這些因素相互作用，共同影響著土壤氮的轉化過程。前人對森林土壤氮轉化與循環(huán)進行研究，結果發(fā)現(xiàn)植物體分解、人類和動物施肥、大氣沉降和生物固氮等方面對土壤氮轉化與循環(huán)具有重要影響ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>毛超</Author><Year>2015</Year><RecNum>382</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[12]</style></DisplayText><record><rec-number>382</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710166236">382</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>毛超</author><author>漆良華%J世界林業(yè)研究</author></authors></contributors><titles><title>森林土壤氮轉化與循環(huán)研究進展</title></titles><pages>8-13</pages><volume>28</volume><number>2</number><dates><year>2015</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12]。王亞薩等發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加碳元素會影響農田土壤氮轉化，對氮素利用有重要作用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>王亞薩</Author><Year>2017</Year><RecNum>380</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>380</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710166154">380</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>王亞薩</author><author>鄒悅</author><author>張晶</author><author>鄭祥洲</author><author>張玉樹</author><author>丁洪</author></authors></contributors><auth-address>福建農林大學資源與環(huán)境學院;福建省農業(yè)科學院土壤肥料研究所;</auth-address><titles><title>碳添加對農田土壤氮轉化過程影響的研究進展%J農學學報</title></titles><pages>36-41</pages><volume>7</volume><number>02</number><keywords><keyword>碳源添加</keyword><keyword>氮素轉化</keyword><keyword>合理施肥</keyword><keyword>研究進展</keyword></keywords><dates><year>2017</year></dates><isbn>2095-4050</isbn><urls><related-urls><url>/kcms2/article/abstract?v=M7N75Hb03FV0N3q3oSG_2E7mu8jwoKtQblZtdkoub-K2wpZgVnfC4L3i-L5QIFkuBt8ML1CHZv1HcmA0y0CIl1pntUJB1zGXMjRnV5LRPh0rxeSJskDNT-2upDVyA-Z2OsB82tx4RqjxEtSK70FdbA==&uniplatform=NZKPT&language=CHS</url></related-urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[13]。土壤中不同氮素形態(tài)與土壤中固有的氮素轉化以及氮肥施用量有關。土壤中的銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)氮（NO3-）等無機氮的形態(tài)及其有效性轉化，主要受土壤生態(tài)系統(tǒng)中生產和消費過程的控制。在土壤中添加氮、磷等元素對熱帶森林土壤氮轉化及損失有顯著影響，長期氮輸入會加速氮轉化過程，而磷添加有助于降低氮素損失速率。研究表明，在種植玉米、水稻和小麥等主要農作物的地塊中長期施用氮肥，再將次地塊轉為種植蔬菜可以大幅度提高土壤氮轉化效率ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Ju</Author><Year>2011</Year><RecNum>523</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[14,15]</style></DisplayText><record><rec-number>523</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712489155">523</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Ju,Min</author><author>Xu,Zhao</author><author>Ming,ShiWei</author><author>Road,EastBeijing</author><author>Nanjing%J土壤圈</author></authors></contributors><titles><title>NitrogenBalanceandLossinaGreenhouseVegetableSysteminSoutheasternChina</title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Wu</Author><Year>2017</Year><RecNum>524</RecNum><record><rec-number>524</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712489186">524</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Wu,Lei</author><author>Tang,Shuirong</author><author>He,Dongdong</author><author>Wu,Xian</author><author>Shaaban,Muhammad</author><author>Wang,Milan</author><author>Zhao,Jingsong</author><author>Khan,Imran</author><author>Zheng,Xunhua</author><author>Hu,Ronggui%JScienceoftheTotalEnvironment</author></authors></contributors><titles><title>ConversionfromricetovegetableproductionincreasesN2Oemissionviaincreasedsoilorganicmattermineralization</title></titles><pages>190-201</pages><volume>583</volume><dates><year>2017</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14,15]。長期種植蔬菜會導致土壤酸化、鹽堿化以及養(yǎng)分和土壤群落結構失衡，進而影響土壤氮素循環(huán)。土壤環(huán)境條件是影響氮轉化速率的關鍵因素。低pH值和高含鹽量的農田中氨氧化微生物固定下降ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Stevens</Author><Year>1998</Year><RecNum>527</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[16,17]</style></DisplayText><record><rec-number>527</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712489338">527</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Stevens,RJ</author><author>Laughlin,RJ</author><author>Malone,JP%JSoilBiology</author><author>Biochemistry</author></authors></contributors><titles><title>SoilpHaffectstheprocessesreducingnitratetonitrousoxideanddi-nitrogen</title></titles><pages>1119-1126</pages><volume>30</volume><number>8-9</number><dates><year>1998</year></dates><isbn>0038-0717</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Cheng</Author><Year>2013</Year><RecNum>528</RecNum><record><rec-number>528</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712489382">528</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Cheng,Yi</author><author>Wang,Jing</author><author>Mary,Bruno</author><author>Zhang,Jin-bo</author><author>Cai,Zu-cong</author><author>Chang,ScottX%JSoilBiology</author><author>Biochemistry</author></authors></contributors><titles><title>SoilpHhascontrastingeffectsongrossandnetnitrogenmineralizationsinadjacentforestandgrasslandsoilsincentralAlberta,Canada</title></titles><pages>848-857</pages><volume>57</volume><dates><year>2013</year></dates><isbn>0038-0717</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16,17]。同位素稀釋法是測定土壤中氮素總轉化速率最重要的方法之一，其基本原理是將某一形態(tài)的N庫用15N標記后，當其他未標記N形態(tài)轉化成為標記N形態(tài)時，使該N庫中的15N豐度下降；相反，當標記N向其他形態(tài)轉化時，使轉化生成的N庫中15N豐度提高。利用15N的稀釋和富集，結合各形態(tài)N庫的含量變化可以計算土壤N總轉化速率。在國際上15N稀釋法已經被廣泛地應用研究于土壤、沉積物中N總轉化速率及植被類型、有機種植、土壤有機質及有機物質C/N比等對土壤N總轉化速率的影響。蔬菜栽培的特點是氮肥施用量高，但對土壤氮循環(huán)和可用性的短期和長期影響仍然未知。開展15N示蹤研究，比較不同地區(qū)蔬菜栽培下土壤氮轉化率的差異。與NH4+濃度相比，觀察到更高的NO3-濃度，并歸因于NO3-的產生率高于NH4+的產生率。1.3研究的主要內容主要內容:（1）典型設施菜地土壤氮初級轉化速率特點，如土壤pH值、土壤全氮含量、有機碳含量、土壤NH4+、NO3-等對土壤氮初級轉化的影響。（2）影響氮初級轉化速率的因素。研究思路:本文首先基于樣本采集要求，在盡量減小取樣誤差的前提下，分別選取種植蔬菜時間為1年和10年的蔬菜田地土壤，并測定土壤基礎理化性質，再采用15N同位素示蹤技術，結合MCMC模型，，測定其NH4+、NO3-濃度及豐度，最后計算土壤氮初級轉化速率和氮周轉速率，采用相關分析探究影響氮轉化速率的因素。技術路線：2材料與方法2.1供試土壤及土樣的采集土壤樣本取自安徽省和縣吳江村（北緯31°70’和東經118°37’）和江蘇省宜興縣中新村兩個蔬菜生產區(qū)。在安徽省和縣屬北亞熱帶濕潤型季風氣候區(qū)，氣候條件優(yōu)越，適宜農作物生長。和縣年平均氣溫15.8℃，平均降水量為1067mm。江蘇省宜興市屬亞熱帶季風氣候，全年氣溫偏高，降水正常，日照正常。年平均氣溫17.1℃，較常年偏高0.8℃，年極端最高氣溫37.6℃，年極端最低氣溫-11.2℃安徽省和縣吳江村的1年期菜田種植了3種蔬菜作物；即萵苣（LactucasativaL.var.angustanaIrish.）、辣椒（CapsicumannuumL.）和番茄（SolanumlycopersicumL.），總施氮量約為1200kgNkg-1yr-1，其中480kgNha-1yr-1來自有機肥。在10年制的田間，每年種植三到四種蔬菜作物；即蕓豆（菜豆）、萵苣、辣椒和番茄，年施氮量約為1100-1440kgNkg-1，其中400-580kgNha-1來自有機肥。江蘇省宜興縣中新村，1年菜田種植2種菜；即芹菜（Apiumgraveolensdulce）和番茄，總施氮量約為1150kgNkg-1，其中230kgNha-1為有機肥。在10年生田間，每年種植芹菜、番茄、莧菜（A.mangostanus）和小白菜（Brassicarapapekinensis），總施氮量約為1350kgNha–1yr-1，其中300kgNha–1yr-1來自有機肥。在土壤取樣之前，所有菜地都種植了番茄。在每個地區(qū)，選擇三個獨立的領域都已有1年和10年栽培，且每個地區(qū)的1年和10年的田地都是由相鄰的水稻田轉化而來，具有相似的地理和環(huán)境條件。收獲后，在每塊田地（5m×60m）以10m的間隔隨機放樣5個地塊（1m×1m）。然后從0-20cm的土壤層收集土壤樣品，并混合到每個田地的一個混合樣品中。去除石頭、殘留的根和落葉后，用2毫米孔徑的篩子過濾新鮮土壤，然后立即進行實驗室測試。2.215N同位素示蹤試驗在每個土壤樣品上進行了兩個15N處理（15NH4NO3和NH415NO3，15N標記豐度為5atom%）。將相當于30.00g干土重的新鮮土樣加入250mL的錐形瓶內，然后在25℃下預先培養(yǎng)24h，再分別以50mgNkg-1和50mgNkg-1的濃度將15NH4NO3或NH415NO3的溶液（1mL）均勻施加于土壤樣本。把土壤水分調節(jié)至田間持水量的60%。為了能夠保證瓶內外氣體交換，再錐形瓶上用帶有小孔的塑料薄膜覆蓋。然后將樣品置于25°C環(huán)境下備用。加入NH4NO3溶液后，分別在0.5h、24h、48h和96h用150mL2molL-1KCl溶液處理土壤。2.3指標測定土壤提取物中NH4+和NO3-的濃度和15N豐度分別使用連續(xù)流分析儀（Skalar，Breda，荷蘭）和SerconIntegra2同位素比質譜儀（IRMS）（SerconLtd.，Crewe，UK）測定。2.3.1土壤pH的測定土壤pH以土水比1∶2.5用電子pH計（雷磁，上海）測定。2.3.2土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀一濃硫酸外加熱法測定土壤有機質含量ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>鮑士旦</Author><Year>2000</Year><RecNum>419</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>419</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710933126">419</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>鮑士旦</author></authors></contributors><titles><title>土壤農化分析.3版</title></titles><dates><year>2000</year></dates><publisher>土壤農化分析.3版</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18]。2.3.3土壤全氮的測定采用半微量開氏法進行土壤全氮的測定ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>鮑士旦</Author><Year>2000</Year><RecNum>419</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>419</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1710933126">419</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>鮑士旦</author></authors></contributors><titles><title>土壤農化分析.3版</title></titles><dates><year>2000</year></dates><publisher>土壤農化分析.3版</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18]。用標準鹽酸溶液滴定，根據(jù)標準鹽酸溶液的用量來計算土壤中全氮含量。2.4數(shù)據(jù)分析及結果計算根據(jù)Müller等人（2007）開發(fā)的基于全過程的氮循環(huán)模型，量化土壤中同時發(fā)生的氮轉化率ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mueller</Author><Year>2007</Year><RecNum>513</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[19]</style></DisplayText><record><rec-number>513</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712239431">513</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Mueller,Christoph</author><author>Rütting,T</author><author>Kattge,Jens</author><author>Laughlin,RJ</author><author>Stevens,RJ%JSoilBiology</author><author>Biochemistry</author></authors></contributors><titles><title>Estimationofparametersincomplex15NtracingmodelsbyMonteCarlosampling</title></titles><pages>715-726</pages><volume>39</volume><number>3</number><dates><year>2007</year></dates><isbn>0038-0717</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19]。在這項研究中，考慮了八種氮轉化速率：有機氮到NH4+（MNorg）的礦化，NH4+的微生物同化（INH4），NH4+（RNH4ads）的釋放，NH4+（ANH4）的吸附，NH4+氧化到NO3?（ONH4，自養(yǎng)硝化作用），有機氮氧化為NO3?（ONrec，異養(yǎng)硝化作用），NO3?的微生物同化（INO3），硝酸銨異化還原成銨（DNO3，DNRA）。該模型通過最小化建模和測量濃度與NH4+和NO3?的15N富集之間的不匹配，同時優(yōu)化了各種氮轉化速率的動力學參數(shù)。計算整個期間的平均氮轉化率，并以mgNkg-1day-1為單位表示。有關此15N轉換模型的詳細信息，請參閱Mülleretal.（2007）。MRTNH4+=CNH4+/M（M：礦化）MRTNO3-=NO3-/N（N：硝化）對土壤采進行靜態(tài)分析，采用方差分析（ANOVA）估算了蔬菜栽培土壤性質、氮轉化速率和氮周轉速率的差異。所有數(shù)據(jù)均使用SAS9.1（SASInstitute，Kari，N.C）進行分析。3結果與分析3.1土壤理化性質種植1年的蔬菜地的pH值為5.7左右，而種植10年的蔬菜地的土壤pH值為4.44—4.71之間，結果證明長期栽培蔬菜可以使土壤的pH值降低。電導率能夠反映出導電離子的濃度，通過對土壤的電導率進行測定，結果發(fā)現(xiàn)長期栽培作物可以使土壤的電導率（EC）出現(xiàn)提高，且江蘇省宜興市土壤電導率高于安徽省和縣。種植1年和10年蔬菜地栽培期間NH4+和NO3-濃度的差異在兩個地點之間有所不同。在安徽和縣的土壤中，種植10年的蔬菜地的NO3-濃度高于種植1年的蔬菜地，而在江蘇宜興，種植1年的蔬菜地土壤的NO3-濃度高于種植10年的蔬菜地。此外，兩個取樣地區(qū)的NH4+濃度變化趨勢也有所不同。在宜興，種植1年的蔬菜地土壤的NH4+濃度低于種植10年的蔬菜地土壤；而在和縣，種植1年的蔬菜地土壤的NH4+濃度高于種植10年的蔬菜地土壤。土壤樣本基本信息Backgrounddataofsoilsamples宜興Yixing和縣HexianParameterV1V10V1V10有機碳(gCkg?1)SOC(gCkg?1)18.3±0.81a17.7±0.38a15.5±0.64a16.8±0.40a全氮含量(gNkg?1)TN(gNkg?1)2.06±0.26a2.02±0.15a1.62±0.05b1.82±0.06a酸堿度pH5.76±0.18a4.44±0.09b5.66±0.15a4.71±0.23b電導率(mscm?1)EC(mscm?1)1.26±0.14b1.65±0.08a0.40±0.09b0.75±0.10a銨根離子(mgNkg?1)NH4+(mgNkg?1)5.86±0.84b20.2±3.85a15.2±0.36a10.7±0.66b硝酸根離子NO3-(mgNkg?1)1021±84.2a652±27.2b78.5±7.66b111±19.4aV1和V10分別代表1年和10年的蔬菜種植。同一行中的不同字母表示每個地區(qū)1年和10年栽培的土壤理化性質存在顯著差異，P=0.05。3.2土壤氮初級轉化速率江蘇宜興和安徽和縣的氮轉化特征一致，NH4+固定為有機氮（INH4），有機氮再氧化為NO3-（ONorg），NH4+氧化為NO3-（ONH4），NO3-固定為有機氮（INO3），硝態(tài)氮（NO3-）異化還原還原為銨（DNRA），土壤礦化速率（MNorg）等過程都出現(xiàn)降低。其中降低程度較為明顯的江蘇宜興，種植1年的蔬菜地土壤6.85±0.64mgNkg-1，而種植10年的蔬菜地土壤礦化速率（MNorg）為3.76±0.49mgNkg-1。在安徽和縣，種植10年的蔬菜地土壤礦化速率（MNorg）為1.05±0.31mgNkg-1，相較于種植1年的蔬菜地土壤7.65±0.42mgNkg-1顯著下降。此外，伴隨土壤種植蔬菜的年限增加，江蘇宜興種植1年的蔬菜地土壤NO3-固定為有機氮的轉化速率由24.6±2.6mgNkg-1下降至0.55±0.08mgNkg-1。通過結合種植1年和種植10年的蔬菜地土壤理化性質進行分析，結果表明，在長期的溫室蔬菜種植，會導致土壤無機氮供應能力下降。圖1兩個獨立地區(qū)1年（V1）和10年（V10）蔬菜種植土壤的平均總氮轉化率。（箭頭粗度表示相應過程對N周轉率的影響。相同氮轉化率的不同字母表示每個地區(qū)1年和10年蔬菜種植之間存在顯著差異，P=0.05。MNorg是有機N礦化到NH4+，INH4是NH4+固定為有機氮，ONH4是NH4+氧化為NO3-，ONorg是有機N氧化為NO3-，INO3是NO3-固定為有機氮，DNRA是異化NO3-還原為NH4+。）3.3土壤氮周轉速率我們對宜興和和縣兩個地區(qū)不同地塊之間的土壤NH4+和NO3-的周轉速率進行計算。結果發(fā)現(xiàn)，宜興地區(qū)種植1年的蔬菜地土壤NH4+平均停留時間為1d，而種植10年的蔬菜地土壤NH4+平均停留時間為5.5d；在和縣地區(qū)種植1年的蔬菜地土壤NH4+平均停留時間為2d，而種植10年的蔬菜地土壤NH4+平均停留時間為10.5d。通過測定土壤中NO3-平均停留時間發(fā)現(xiàn)，宜興地區(qū)種植1年的蔬菜地土壤NO3-平均停留時間為28d，而種植10年的蔬菜地土壤NO3-平均停留時間接近250d；在和縣地區(qū)種植1年的蔬菜地土壤NO3-平均停留時間為5d，而種植10年的蔬菜地土壤NO3-平均停留時間接近30d?？傊?，與種植1年的蔬菜地土壤相比，無論是在宜興地區(qū)還是在和縣地區(qū)，土壤中NH4+和NO3-在種植10年的蔬菜地土壤的平均停留時間更高（圖2），這表明長期溫室蔬菜種植減少了無機氮周轉率。圖2土壤NH4+（MRTNH4+，a）和NO3-（MRTNO3-，b）在2個獨立區(qū)域1年（V1）和10年（V10）溫室蔬菜種植土壤中的平均停留時間。MRTNH4+或MRTNO3-的不同字母表示每個地區(qū)一年菜地和十年菜地蔬菜種植之間存在顯著差異，P=0.05。Fig.2ThemeanresidencetimeofsoilNH4+pool(MRTNH4+,a)andNO3-pool(MRTNO3-,b)insoilsunder1-yr(V1)and10-yr(V10)greenhousevegetablecultivationsintwoindependentregions.DifferentlettersforMRTNH4+orMRTNO3-indicatesignificantdifferencesbetween1-yand10-yvegetablecultivationsineachregionatP=0.05.4討論長期以來不合理的蔬菜生產方式，導致農田土壤中的氮素轉化過程出現(xiàn)失衡，土壤健康質量下降。深入探究農田土壤氮素轉化的特點及其影響因素，對于推動農業(yè)生產方式的優(yōu)化、提升肥料使用效率以及保護生態(tài)環(huán)境具有重大的現(xiàn)實意義，對于保障國家“菜籃子”工程的順利推進具有重要價值。在本研究中，我們從安徽省和縣吳江村和江蘇省宜興縣中新村兩個蔬菜生產區(qū)采集土壤樣本，測定了長期（10年）和短期（1年）蔬菜地中土壤的相關理化性質，并對土壤氮初級轉化速率和土壤氮周轉速率進行了測算，結果發(fā)現(xiàn)土壤基本理化性質與土壤氮初級轉化速率和土壤氮周轉速率具有密不可分的聯(lián)系。長期蔬菜種植下土壤氮循環(huán)和周轉率的下降主要原因是土壤物理、化學和微生物性質變化等綜合因素。前人已有大量研究證明土壤pH值和EC是調節(jié)氮循環(huán)的主要因素ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Kemmitt</Author><Year>2006</Year><RecNum>529</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[20,21]</style></DisplayText><record><rec-number>529</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712500246">529</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Kemmitt,SarahJ</author><author>Wright,David</author><author>Goulding,KeithWT</author><author>Jones,DavidL%JSoilBiology</author><author>Biochemistry</author></authors></contributors><titles><title>pHregulationofcarbonandnitrogendynamicsintwoagriculturalsoils</title></titles><pages>898-911</pages><volume>38</volume><number>5</number><dates><year>2006</year></dates><isbn>0038-0717</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Pietri</Author><Year>2008</Year><RecNum>531</RecNum><record><rec-number>531</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712500454">531</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Pietri,JCAciego</author><author>Brookes,PC%JSoilBiology</author><author>Biochemistry</author></authors></contributors><titles><title>RelationshipsbetweensoilpHandmicrobialpropertiesinaUKarablesoil</title></titles><pages>1856-1861</pages><volume>40</volume><number>7</number><dates><year>2008</year></dates><isbn>0038-0717</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20,21]。長期種植蔬菜會導致嚴重的土壤酸化和鹽堿化ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[22-24]，這反過來又可以通過減少或延遲參與氮循環(huán)的功能微生物的豐度和活性來極大地抑制土壤氮轉化率ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[25-27]。在長期種植蔬菜過程中，持續(xù)高氮肥投入能夠減少土壤微生物群的結構ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Shen</Author><Year>2010</Year><RecNum>533</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[23,28]</style></DisplayText><record><rec-number>533</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712500675">533</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Shen,Weishou</author><author>Lin,Xiangui</author><author>Shi,Weiming</author><author>Min,Ju</author><author>Gao,Nan</author><author>Zhang,Huayong</author><author>Yin,Rui</author><author>He,Xinhua%JPlant</author><author>soil</author></authors></contributors><titles><title>Higherratesofnitrogenfertilizationdecreasesoilenzymeactivities,microbialfunctionaldiversityandnitrificationcapacityinaChinesepolytunnelgreenhousevegetableland</title></titles><pages>137-150</pages><volume>337</volume><dates><year>2010</year></dates><isbn>0032-079X</isbn><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Hartmann</Author><Year>2015</Year><RecNum>539</RecNum><record><rec-number>539</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="5fax9wpvtf9spceds9ava025vaxap5vxdp95"timestamp="1712501166">539</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Hartmann,Martin</author><author>Frey,Beat</author><author>Mayer,Jochen</author><author>M?der,Paul</author><author>Widmer,Franco%JTheISMEjournal</author></authors></contributors><titles><title>Distinctsoilmicrobialdiversityunderlong-termorganicandconventionalfarming</title></titles><pages>1177-1194</pages><volume>9</volume><number>5</number><dates><year>2015</year></dates><isbn>1751-7362</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23,28]，導致土壤氮轉化率進一步降低。我們對土壤pH值進行測定，結果發(fā)現(xiàn)1年制蔬菜栽培地塊的pH值高于10年制蔬菜栽培的地塊土壤，說明長期栽培蔬菜可以使土壤的pH值降低。通過對土壤的電導率進行測定，結果發(fā)現(xiàn)長期栽培作物可以使土壤的電導率（EC）出現(xiàn)提高。土壤栽培蔬菜的時長是影響NH4+和NO3-濃度的重要因素之一，通過測定分析發(fā)現(xiàn)，1年和10年栽培期間NH4+和NO3-濃度的差異在江蘇宜興和安徽和縣兩個不同的地點之間存在一定差異。在安徽和縣的土壤中，10年制蔬菜栽培的NO3-濃度高于1年制蔬菜栽培，而在江蘇宜興，1年制蔬菜栽培土壤的NO3-濃度高于10年制蔬菜栽培的土壤。此外，兩個取樣地區(qū)的NH4+濃度變化趨勢也有所不同。在宜興，1年制蔬菜栽培土壤的NH4+濃度低于10年制蔬菜栽培的土壤；而在和縣，1年制蔬菜栽培土壤的NH4+濃度高于10年制蔬菜栽培的土壤。此外，長期種植蔬菜會降低pH值和微生物功能，從而破壞土壤團聚體的形成，從而導致土壤NO3-的滲透率低，從而刺激NO3-積累。因此我們推測或許是兩個不同地區(qū)之間的土壤理化性質存在一定差異，最后導致NH4+和NO3-濃度存在一定的差異。盡管長期（10年）蔬菜種植抑制了NO3-的產生（ONorg+ONH4），但大量的NO3-（111-652mgNkg-1）也在兩個采樣點中積累。高基質供應（即NH4+和有機氮）可能是土壤中高NO3-濃度增加的原因。通過測定土壤中NH4+平均停留時間發(fā)現(xiàn)，種植1年的蔬菜地土壤NH4+平均停留時間比種植10年的蔬菜地土壤NH4+平均停留時間更短。通過測定土壤中NO3-平均停留時間發(fā)現(xiàn)，宜興地區(qū)種植1年的蔬菜地土壤NO3-平均停留時間比種植10年的蔬菜地土壤NO3-平均停留時間更短。長期溫室蔬菜種植下，土壤中無機氮供應能力和周轉率的降低具有深遠的生態(tài)和現(xiàn)實意義。因此，從可持續(xù)氮管理的角度來看，通過預防和控制土壤障礙來促進固有氮循環(huán)以平衡氮的供應和損失，在長期耕作中至關重要。本研究通過對江蘇省宜興市中新村和安徽省和縣吳江村兩個蔬菜生產基地的農田土壤氮素轉化特點進行詳細分析，揭示了土壤氮素在不同耕作制度、植被類型以及人類活動影響下的變化規(guī)律，為合理施用氮肥、提升氮肥利用效率提供堅實的科學支持。5結論本研究通過對典型蔬菜地土壤的pH值、電導率、有機質含量、氮素含量等理化指標的測定，發(fā)現(xiàn)伴隨蔬菜種植年限的延長，土壤pH值出現(xiàn)顯著下降，而土壤電導率（EC）出現(xiàn)升高。伴隨種植蔬菜過程中的施肥、澆水、噴施農藥等人為因素的影響，土壤中的NH4+和NO3-濃度出現(xiàn)不同變化。長期種植蔬菜會降低pH值和微生物功能，從而破壞土壤團聚體的形成，從而導致土壤NO3-的滲透率低，從而刺激NO3-積累。因此我們推測或許是兩個不同地區(qū)之間的土壤理化性質存在一定差異，最后導致NH4+和NO3-濃度存在一定的差異。盡管長期（10年）蔬菜種植抑制了NO3-的產生（ONorg+ONH4），但大量的NO3-（111-652mgNkg-1）也在兩個采樣點中積累。高基質供應（即NH4+和有機氮）可能是土壤中高NO3-濃度增加的原因。此外，10年蔬菜栽培顯著降低了土壤MNorg、INH4、ONorg、ONH4和INO3的含量，且在兩個采樣點的模式相同。這一發(fā)現(xiàn)主要歸因于pH值的降低。與種植1年的蔬菜地土壤相比，無論是在宜興地區(qū)還是在和縣地區(qū)，土壤中NH4+和NO3-在種植10年的蔬菜地土壤的平均停留時間更高，這表明長期溫室蔬菜種植減少了無機氮周轉率。

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