人类农业活动对土壤活性氮库的影响及其环境效应

摘要

人类活动特别是农业生产活动极大地推动了全球的氮固定和氮循环，但同时也引起了严重的环境问题。活性氮作为能够被自然界生物直接利用的重要氮素形态，对满足人类生存所需的食物生产具有普遍意义，因此在农业生产中得到了广泛应用，然而在此之后出现的许多环境问题也越来越多地引起了人们对其环境行为的关注。在农业生态系统中，输入土壤中的活性氮主要是指氮肥，进入土壤中的氮肥基本有三种去向，即作物吸收、在土壤中残留、通过各种途径损失。其中，残留活性氮以硝态氮为主，而且以这种形态的活性氮对环境的影响最为严重。随着农业生产地发展，出于提高作物产量的考虑，过量施用氮肥的现象广泛存在，由此而导致作物收获后土壤剖面中残留了大量的硝态氮。这些残留的硝态氮一部分可能被下季作物吸收利用，一部分淋洗到深层次甚至浅层地下水，一部分发生反硝化以N2O或N2的形式逸出土壤。淋洗的硝态氮是造成地下水硝酸盐污染的主要原因，而反硝化释放的N2O也是引起全球气候变暖的重要温室气体之一。与集约化农业生态系统不同，森林和草原等天然生态系统由于没有受到人为活动的直接扰动而保持了自然的生产状态。以往的研究很少有人依据天然生态系统土壤中氮素的循环转化规律来探讨人为农业活动对农业生态系统土壤中活性氮库的影响，以揭示其产生的环境效应。因此，本文选取了中国东北地区天然生态系统(森林和草原)土壤作为参照，研究人为农业活动所引起的典型农业生态系统(农田、大棚和长期定位试验田)土壤剖面的活性氮库容及其几种重要组分(NH4+-N和NO3--N、可矿化氮、微生物氮和固定态铵)偏离自然的程度、原因及对环境的影响；同时对典型生态系统(森林、草原、农田、大棚和长期定位试验田)中土壤活性氮库的矿化及硝化潜力进行研究，评价不同生态系统的硝态氮供应能力、人为活性氮的转化机制及环境效应。主要研究结果如下： 在人为耕作、施肥、灌水等不同农业管理措施的干预下，农业生态系统的各类型土壤其剖面中NO3--N的累积量已经达到相当高的程度。其中大棚土壤剖面0～200cm中NO3--N的累积量最高，平均达717kghm-2，相当于普通农田土壤氮肥年施用量的3倍。而农田黑土、黑钙土和白浆土中的NO3--N的累积量分别达到了78.3kghm-2、124.6kghm-2和20.6kghm-2。这相对于自然状态下的森林和草原，分别为3.2kghm-2和13kghm-2的累积量而言，已经严重偏离了自然的状态。为NO3--N进一步向土壤以外环境中的迁移留下了隐患。 表层土壤中NO3--N的生成量受矿化和硝化作用这两个连续过程作用特征的影响。森林表层土壤矿化速率最高，达到10.7kghm-2d-1，然而由于其硝化速率仅为矿化速率的30％，即单位时间内矿化产生的无机氮中只有1/3左右能够转化成NO3--N，因此森林表层土壤中虽然能够矿化产生大量的无机氮，但NO3--N的累积量却很少。因此，对环境造成压力的可能性较小。而大棚表层土壤中无论氮素的矿化量、矿化速率还是硝化速率都很高，而且矿化和硝化速率基本相同，矿化产生的无机氮几乎能够全部转化成NO3--N，这是大棚土壤NO3--N累积的重要机制。草原表层土壤的硝化速率虽然超过了其矿速率，但由于其净矿化量低，因此草原表层土壤中NO3--N的生成量不高。农田三种类型土壤其各自表层的矿化速率和硝化速率大致相等，且都不同程度的超过了草原土壤，从这角度出发，其表层NO3--N的生成量必然要超过草原。因此，可以认为，人为农业活动干扰改变了农业生态系统中土壤矿化和硝化作用的特征，从而导致NO3--N的大量生成，进而将对环境产生可能的负面影响。 长期施用无机氮肥能够增加表层土壤中无机氮、微生物量N和固定态铵的相对含量，同时降低可矿化氮的相对含量及其矿化和硝化的潜力。通过对表层土壤活性氮库中几个重要组分其相对含量的综合比较，发现长期施用氮肥会影响氮素在各组分之间的重新分配。但就无机氮、微生物量N、固定态铵和可矿化氮这四者之和与全氮的比值来看，不同施肥处理由高到低的排列顺序为：PK＞NK＞NP＞NPK＞N＞K＞CK＞P。此分析说明，氮肥施用从总体上增加了表层土壤活性氮库的库容。 鉴于以上研究结果，本研究认为对于大棚土壤应通过减少氮肥用量，以有机肥代替无机氮肥，严格控制灌水等措施来减少其剖面中NO3--N的累积。而对于其它农田土壤，在水分受降雨量控制的情况下，应主要减少无机氮的施用，尤其是硝态氮的施用。

目录

文摘

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1前言

1.1研究的目的和意义

1.1.1活性氮的概念

1.1.2活性氮的产生与归宿

1.1.3活性氮的迁移与富集

1.1.4人类活动对活性氮的干预及活性氮对环境的影响

1.2国内外研究现状

1.3研究背景和研究思路

1.3.1研究背景

1.3.2研究思路

1.3.3主要研究内容

2人类活动对不同生态系统土壤活性氮库的影响

2.1材料与方法

2.1.1研究地区概况

2.1.2供试土壤

2.1.3试验方法

2.2结果与分析

2.2.1不同生态系统类型土壤中活性氮库的差异

2.2.2土壤活性氮库各主要组分的含量对长期不同施肥处理的响应

2.2.3表层土壤活性氮库各主要组分对库容的贡献

3不同生态系统中土壤活性氮库的矿化及硝化潜力

3.1材料与方法

3.1.1供试土壤

3.1.2试验方法

3.1.3数据处理与计算方法

3.2结果与分析

3.2.1不同生态系统类型表层土壤中氮素矿化率及硝化率的比较

3.2.2不同生态系统类型表层土壤No值及其相应参数变化

3.2.3表层土壤矿化和硝化作用对长期不同施肥处理的响应

3.2.4长期不同施肥处理表层土壤No值及其相应参数变化

4结论与展望

4.1综合讨论

4.1.1人类农业活动对不同生态系统类型土壤活性氮库的影响

4.1.2人类农业活动对不同生态系统类型土壤中氮素矿化及硝化潜力的影响

4.1.3长期不同施肥处理对土壤活性氮库的影响

4.1.4长期不同施肥处理对表层土壤氮素矿化及硝化潜力的影响

4.2主要结论

4.3 问题与展望

参考文献

致谢