作物-土壤氮循环对大气CO2浓度和温度升高响应的研究进展

在地球化学元素循环中,氮素是最重要、最活跃的营养元素之一。农田生态系统中的氮素很大程度上决定农作物的产量和品质。然而,在全球气候变化背景下,随着大气CO₂浓度和温度升高,作物-土壤氮循环的变化可能显著影响农田生态系统中的作物生产。因此,研究作物-土壤氮循环对大气CO₂浓度和温度升高的响应,能够为科学合理地预测未来气候条件下,农田生态系统中作物的氮素需求,以及保障农作物产量的稳定供应提供理论依据,对于全面认识全球气候变化背景下的农田生态系统氮素循环过程及土壤可持续利用具有重要意义。本文综述了大气CO₂和温度升高对作物氮素吸收和分配,以及与氮有效性密切相关的土壤氮转化的影响,并系统总结了二者对作物-土壤氮循环过程产生的交互作用。总结以往研究发现,在大气CO₂浓度升高条件下,作物的蒸腾作用减弱,但光合作用增强,生物量加大,根系分支和根表面积增加,豆科作物的根瘤固氮能力提高,因此整体上促进作物对氮的吸收,并且增加作物向籽粒中分配氮的比例,但作物的平均氮浓度降低。此外,高CO₂浓度提高了土壤酶活性,增强了土壤有机氮矿化作用、硝化及反硝化作用,加速了土壤氮转化。升温和CO₂浓度升高对作物-土壤氮循环产生正向或负向的交互作用,主要表现在：高温和高CO₂浓度对作物的生物量、光合作用、地下部氮分配、根系分支以及根表面积具有协同促进作用,升高温度减轻了高CO₂浓度对作物蒸腾作用和作物氮浓度的抑制作用。然而,升温抑制了高CO₂浓度对作物向籽粒中氮分配、氮吸收以及产量的促进作用;升温虽然能进一步增强高CO₂浓度对土壤酶活性和有机氮矿化的促进作用,但是对于土壤硝化和反硝化作用,二者的交互作用以及相关的分子机制尚不明确。大气CO₂升高和温度升高对土壤微生物,以及微生物与作物之间的耦合关系的研究比较薄弱,特别是由微生物主导的氮循环过程及其对全球气候变化的反馈机制是未来研究的重点。本文提出利用16S rRNA、DGGE、T-RFLP、qPCR、RT-PCR技术、蛋白组学以及稳定性同位素探针原位研究技术,可以将复杂环境中微生物物种组成及其生理功能进行耦合分析,揭示大气CO₂浓度与温度对作物-土壤氮循环过程的交互作用机理,增强对气候变化下农田生态系统氮素循环响应的预测能力,为农田生态系统有效地适应气候变化提供科学的理论依据。     

两种气候条件下梯度有机质含量农田黑土纤维素酶和β-葡糖苷酶活性研究

利用空间移位的方法将5种有机质含量的农田黑土置于中温带大陆性季风气候(MAT4.5)和寒温带大陆性季风气候(MAT1.5)条件下,探究了气候-有机质-施肥对土壤纤维素酶活性和β-葡糖苷酶活性的影响。结果表明:在MAT4.5条件下农田黑土中纤维素酶活性要高于MAT1.5;随有机质含量升高,纤维素酶活性在MAT4.5条件下呈逐渐降低的趋势;施肥能明显提高纤维素酶活性,且在MAT4.5条件下增加幅度较大,而在MAT1.5条件下却呈现出“U”型变化趋势。MAT4.5条件下β-葡糖苷酶活性略高于MAT1.5条件下的活性,其活性均随着土壤有机质含量升高而增强;施肥能提高各有机质含量农田黑土中β-葡糖苷酶活性,在MAT1.5条件下提升幅度较大。方差分析表明气候-有机质-施肥的主效应对土壤纤维素酶与β-葡糖苷酶活性均有显著影响,但是交互作用只对纤维素酶整体活性有显著影响。     

呼伦贝尔市农牧交错区典型土壤剖面理化性状特征分析

以呼伦贝尔市农牧交错区典型土壤(黑土、黑钙土、暗棕壤、草甸土、栗钙土)为研究对象,对比研究不同土壤剖面发生层次容重、机械组成、有机碳、全氮、全磷等理化特征的分布规律。结果表明：在呼伦贝尔市农牧交错区,典型土壤有机碳、全氮、全磷均表现出随土壤剖面深度的增加而降低的趋势,而土壤容重、pH值的变化出现相反的趋势,且不同利用方式下土壤容重、有机碳、全氮、全磷含量的累积量不同,牧草地土壤>农田土壤。不同土壤类型有机碳：黑钙土>黑土>栗钙土>草甸土>暗棕壤;全氮：黑钙土>黑土>栗钙土>草甸土>暗棕壤;全磷：栗钙土>黑土>暗棕壤>草甸土>黑钙土。在所有典型土壤中,全钾和机械组成在土壤剖面层次上无明显规律。     

减水减肥对露天菜田黑土氮淋溶特征的影响

为探究减水减肥对露天菜田黑土氮素淋溶的影响，本研究以菜田黑土为研究对象，对比分析常规处理（常规施肥量和灌溉量常规处理），减肥处理（80%常规施肥量）、减水处理（80%常规灌溉量）、减水减肥配施秸秆处理（80%水80%肥配施秸秆深埋处理）土壤氮素淋溶的变化特征。试验结果表明：4个处理的土壤铵态氮含量随土壤深度的增加而降低，土壤硝态氮含量在40-60 cm土层达到最低值，后缓慢升高；相较常规水肥处理，减水减肥配施秸秆与减水处理均显著降低了深层土中硝态氮与铵态氮的含量（p<0.05），减少了氮素向下淋溶的风险。随白菜生育期的延长，所有水肥处理土壤淋溶液中硝态氮含量逐渐升高，铵态氮含量逐渐降低；在白菜的各生育期内，与常规处理相比其它3个处理均显著降低了淋溶液中硝态氮和铵态氮含量（p<0.05），减水减肥配施秸秆降低铵态氮淋溶的效果最好。与常规处理相比，减水减肥配施秸秆显著降低了白菜产量，降低幅度为1.98% （p<0.05），减水、减肥处理白菜产量变化幅度较小。综上，减水处理既有效减少了土壤铵态氮与硝态氮的淋溶，又未影响白菜产量，是经济收益最大和环境影响风险最小的可行水肥方案。     

秸秆腐解对不同氮肥水平土壤脲酶活性的影响

本文利用黑龙江大学呼兰校区秸秆还田试验为平台,探讨秸秆还田后不同施氮量下土壤脲酶活性的动态变化特征,明确农田黑土玉米秸秆腐解下土壤氮素含量与脲酶活性的关系。试验以秸秆腐解和不施秸秆为主区,不同氮肥水平(纯N)(0、135kg/hm2、180kg/hm2、225kg/hm2)为副区,测定了土壤全氮、碱解氮及脲酶活性,试验结果表明：两种秸秆处理的土壤脲酶活性变化趋势均随玉米生育期的延长增加,在拔节期达到最高后降低;与无秸秆处理相比,在施氮量为180kg/hm2、225kg/hm2秸秆腐解处理可显著提高土壤脲酶活性(p&;lt;0.05),而施氮量为0、135kg/hm2时虽提高了脲酶活性,但未达到显著水平(p&;gt;0.05);土壤碱解氮、土壤全氮的变化趋势与土壤脲酶活性的变化趋势一致,均为随施氮水平的增加而增加;相关分析显示,土壤脲酶活性与土壤全氮、碱解氮呈极显著正相关。     

长期施肥对不同有机质水平黑土蛋白酶活性及氮素的影响

为了探讨长期施肥对不同有机质含量农田黑土酶活性及养分的影响。本研究以黑土生产力长期定位试验为平台,选取5个不同有机质含量农田黑土为研究对象,对比分析长期施用化肥对农田黑土土壤蛋白酶活性及相关土壤养分的影响。结果表明:5种不同有机质含量农田黑土蛋白酶活性随有机质含量的增加而递增;与长期无肥处理相比,施用化肥显著提高了农田黑土蛋白酶的活性。不同施肥处理间土壤全氮随有机质含量的降低而降低,铵态氮、硝态氮与全氮含量变化一致。相关分析显示,土壤蛋白酶活性与土壤全氮、铵态氮、硝态氮均呈显著的正相关关系(P0.05)。土壤蛋白酶活性可以作为长期施用化肥农田黑土质量评价的灵敏指标。