苹果园土壤碳氮比对植株—土壤系统氮素平衡影响的研究

摘要

本研究通过采集全国12个苹果主产省1583个苹果园土壤，分析了我国苹果园土壤碳氮养分现状;以栖霞市为例，从1984到2012年，每隔14年对同一苹果园（165个）进行土壤采样，研究了土壤质量的动态变化;以平邑甜茶和2年生‘富士’/平邑甜茶为试材，研究了不同土壤C/N对植株生长、碳氮代谢和氮素平衡的影响;应用气压过程分离技术，研究了不同土壤C/N下土壤N素总硝化、反硝化、N2O排放的特性;连续三年研究了苹果园土壤C/N与土壤酸化的关系;利用高通量数字基因表达谱(DGE)技术和碳氮双标记技术，研究了低pH营养液对平邑甜茶根系转录组以及不同土壤pH对2年生‘富士’/平邑甜茶生长及碳氮利用的影响;最后研究了添加外源碳对土壤特性和植株生长及氮素平衡的影响。主要研究结果如下:
　　1黑龙江、新疆和云南苹果园土壤有机碳含量较高，山东、河南、河北和陕西较低(6.44～7.76 g·kg-1)。土壤全氮含量以山东最高(1.26 g·kg-1)，其次是北京(1.23 g·kg-1)，陕西和宁夏最低（0.58和0.68 g·kg-1）。土壤C/N最高的是黑龙江(15.42)，最低的是山东(6.05)。全国苹果园土壤有机碳、全氮和C/N平均值分别为9.52、0.93 g·kg-1和10.34。
　　2随种植年限和养分投入时间的延长，栖霞市苹果园土壤有机碳和全氮含量显著增加，分别由1984年的4.34和0.45 g·kg-1，增加为1998年的5.99和0.69以及2012年的7.03和1.14 g·kg-1。土壤C/N显著降低，由1984年的9.64降低到1998年的8.54和2012年的6.18。土壤pH显著下降，由1984年的6.33下降到1998年的5.96和2012年的5.32。
　　3随着土壤C/N的逐渐增大，根系干重逐渐增加，而株高、茎粗、地上部干重、植株总干重和15N利用率均先增加后降低，以土壤C/N为20～25时最大。随着土壤C/N的增大，叶片15N分配率逐渐升高，13C分配率逐渐降低;而根系15N分配率逐渐降低，13C分配率逐渐升高。土壤C/N处于20～25时，植株吸收的氮素来自于肥料氮的比例较高，而土壤C/N较低(＜15)或太高(＞30)时，植株吸收的氮素来自于土壤氮的比例较高。
　　4不同土壤C/N对N素转化及平衡的研究表明:土壤C/N较低时，总硝化、反硝化和N2O速率非常高;随着土壤C/N的增加，总硝化、反硝化和N2O速率均逐渐降低;当土壤C/N处于较高水平时(＞30)总硝化非常低，从而影响了肥料N的有效性。
　　5苹果园土壤酸化驱动因素（N循环、BCs的吸收、P的吸收和S的吸收）研究表明:H+的净产生量随施氮量的增加而显著增加，N循环的产酸量对净H+产生量的贡献随施氮量的增加而显著增大。硝态氮损失量与H+产生量呈正相关，而硝态氮损失量与土壤C/N呈显著负相关，因此低土壤C/N加速了土壤酸化。
　　6数字基因表达谱和碳氮双标记试验表明:与对照(pH为=6.5)相比，根区营养液酸化后(pH为=3.0)，平邑甜茶幼苗根系有44个基因的表达被显著上调，1705个基因的表达被显著下调。表达水平发生显著改变的基因主要参与了N代谢、光合进程、次生代谢物的生物合成、激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢、类胡罗卜色素生物合成等过程。‘富士’/平邑甜茶植株根系、地上部、植株总干重、根冠比、叶片净光合速率和15N利用率均随土壤pH的降低而降低，且土壤pH越低降低幅度越大。各器官的15N和13C分配率在不同土壤pH处理间呈现相同的变化规律:叶＞1年生茎＞根＞2年生茎。同一器官不同土壤pH处理间15N和13C分配率存在差异，以根和叶最为显著;随土壤pH的降低，叶中的15N和13C分配率逐渐升高，而根中的15N和13C分配率则逐渐降低。
　　7添加外源碳显著影响了N在土壤中的转化和利用。室内土柱模拟方法表明:与单施N相比，添加外源碳后土壤淋溶液体积、NH4+-N和NO3--N浓度及其累积量均显著降低，其中以添加生物质炭效果最好，氮素淋失量仅为N处理的57.87％。田间小区试验也表明:与单施氮肥(N)相比，添加生物质炭(N+B)和秸秆(N+S)显著降低了0-5和5-10 cm土壤容重，提高了0-10 cm土壤阳离子交换量，以N+B效果较好。植株总干重和15N利用率均以N+B最高，N+S次之，N最低。N+B和N+S显著降低了氮素氨挥发损失，而N2O排放量稍微有所增加，但差异不显著。耕层土壤(0-50 cm)的15N残留量以N+B最高，N+S次之，N最低;而深层土壤(50-100 cm)则正好相反。可见，添加秸秆和生物质炭显著改善了土壤特性，促进了苹果植株生长和对肥料氮的吸收，增加了土壤对氮的固定，减少了氮肥的气态损失，提高了氮肥利用率，其中以添加生物质炭的效果较好。