隨著氮肥的大量施用,農(nóng)田氮盈余逐年增加,其中在旱地土壤主要以硝態(tài)氮形態(tài)累積。硝態(tài)氮是氮淋失的主要形態(tài),同時(shí)也是反硝化作用產(chǎn)生活性含氮?dú)怏w的重要底物,因此農(nóng)田高硝累積將會(huì)對(duì)周?chē)w和大氣環(huán)境造成危害?;屎陀袡C(jī)肥配合施用,被認(rèn)為可以增加肥料氮的微生物固持,減少硝態(tài)氮在土壤的累積,緩解硝態(tài)氮累積帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。然而有研究表明有機(jī)肥配施造成的氮循環(huán)改變,也有可能會(huì)帶來(lái)新的氮污染。例如,肥料氮在微生物的作用下很可能會(huì)生成大量可溶性有機(jī)氮(EON),從而以有機(jī)氮的形式流失進(jìn)入水體。
為了研究外源肥料氮在高肥力農(nóng)田土壤中的轉(zhuǎn)化特征及其轉(zhuǎn)化為EON的潛力,穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)組全智助理研究員采集遼寧省新民市常年種植設(shè)施蔬菜的大棚土壤(硝氮含量:152 mg kg-1),在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了為期120天的恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)。本試驗(yàn)通過(guò)單獨(dú)施入或者混合施入15N標(biāo)記底物(15N-硫銨,15N-黑麥草),研究外源銨氮和黑麥草氮在6個(gè)不同土壤氮庫(kù)間的轉(zhuǎn)化和去向(銨氮NH4+、硝氮NO3-、EON、微生物生物量氮MBN、固定態(tài)銨MFN、非微生物有機(jī)氮NMON)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):
1、高肥力農(nóng)田土壤硝化能力較強(qiáng),3天內(nèi)即可完成對(duì)施入銨的硝化;配施黑麥草增加了異養(yǎng)微生物對(duì)銨的固持,但對(duì)硝化潛勢(shì)并未產(chǎn)生顯著影響。120天培養(yǎng)期間,單施硫銨處理僅有2-4%的添加銨進(jìn)入土壤有機(jī)氮庫(kù)(MBN+NMON);硫銨和黑麥草配施促進(jìn)了微生物對(duì)銨的固持(22%),減少了其硝化的比例。固持的氮素在培養(yǎng)前期主要以MBN形態(tài)存在,隨著微生物的死亡和休眠,逐漸轉(zhuǎn)化為NMON形態(tài)儲(chǔ)存,釋放進(jìn)入土壤浸提態(tài)氮庫(kù)的比例較?。▓D1)。該研究的結(jié)果表明通過(guò)配施有機(jī)物料來(lái)減少農(nóng)田硝態(tài)氮累積是可行的,但同時(shí)需要注意配施有機(jī)物的數(shù)量和質(zhì)量,以減少有機(jī)物自身礦化硝化帶來(lái)的硝態(tài)
氮累積。相關(guān)研究以“The fate of fertilizer nitrogen in a high nitrate accumulated agricultural soil”為題于2016年2月發(fā)表在Scientific Reports上(文章鏈接1)。
2、培養(yǎng)期間土壤EON含量和EO15N豐度均較低,大部分EON均來(lái)自土壤原有氮庫(kù);在添加后的1-120天內(nèi),外源添加硫銨和黑麥草氮僅貢獻(xiàn)3-4%和8-13%(圖2)。有意思的是,隨著微生物的死亡和休眠,研究中并未觀察到EO15N豐度和回收的上升。因此研究者認(rèn)為旱地農(nóng)田土壤EON是一個(gè)穩(wěn)定的氮庫(kù),主要由難降解的有機(jī)物組成,受到外源添加影響較小。此外,本研究還建議未來(lái)的EON研究需要根據(jù)研究目的將其易降解和難降解組分區(qū)分開(kāi)來(lái):前者更多的參與氮循環(huán),后者更多的參與氮淋失(圖3)。相關(guān)研究以“Formation of extractable organic nitrogen in an agricultural soil: A 15N labeling study”為題于2017年12月在線發(fā)表在的Soil Biology and Biochemistry上(文章鏈接2)。
我所穩(wěn)定同位素生態(tài)學(xué)組全智助理研究員為以上2篇文章第一作者。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金,中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)(B類(lèi)),國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和遼寧科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助。

圖1.標(biāo)記底物在單施硫銨處理(+15NH4+,80 mg N kg-1)和硫銨黑麥草配施處理(+15NH4++Ryegrass,160 mg N kg-1)不同氮庫(kù)中的回收。本圖右側(cè)圖例中“Incroporated into SOM”即為非微生物有機(jī)氮NMOM。

圖2.不同來(lái)源底物(硫銨氮、黑麥草氮和土壤氮)對(duì)培養(yǎng)期間土壤EON和MBN的貢獻(xiàn)。柱狀圖中數(shù)字為貢獻(xiàn)比例(%),當(dāng)比例<5%時(shí)未列出。

圖3.土壤NH4+,NO3-,EON,MBN,MFN,NMON間的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖。該圖顯示土壤中EON成分復(fù)雜,其中易降解(labile)成分雖然在氮素周轉(zhuǎn)中發(fā)揮了重要作用,但由于其周轉(zhuǎn)快速,其在土壤總EON庫(kù)中的比例很低;難降解(recalcitrant)成分占比較高,由于其緩慢的周轉(zhuǎn),可能是氮淋失的主要貢獻(xiàn)者。




