苏打盐碱化稻田土壤反硝化和氨挥发特征及主要影响因子.pdf
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1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023,42(8):1748-17572023年8月黄立华,杨易,刘伯顺,等.苏打盐碱化稻田土壤反硝化和氨挥发特征及主要影响因子J.农业环境科学学报,2023,42(8):1748-1757.HUANG L H,YANG Y,LIU B S,et al.Characteristics and main influencing factors of denitrification and ammonia volatilization in saline-sodic paddy soilsJ.Journal of
2、 Agro-Environment Science,2023,42(8):1748-1757.苏打盐碱化稻田土壤反硝化和氨挥发特征及主要影响因子黄立华1,2,杨易1,3,刘伯顺1,2,杨靖民3,王平4,黄广志1,2,蒋小曈1,3(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春 130102;2.吉林大安农田生态系统国家野外科学观测研究站,吉林 大安 131317;3.吉林农业大学资源与环境学院,长春 130118;4.内蒙古自治区扎赉特旗现代农业产业园管理中心,内蒙古 扎赉特旗 137600)Characteristics and main influencing factors of deni
3、trification and ammonia volatilization in saline-sodicpaddy soilsHUANG Lihua1,2,YANG Yi1,3,LIU Baishun1,2,YANG Jingmin3,WANG Ping4,HUANG Guangzhi1,2,JIANG Xiaotong1,3(1.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130102,China;2.Jilin Da an FarmlandEcosystem
4、 National Observation and Research Station,Daan 131317,China;3.College of Resources and Environmental,JilinAgricultural University,Changchun 130118,China;4.Management Center of Jalaid National Modern Agricultural Industrial Park in InnerMongolia Autonomous Region,Jalaid 137600,China)Abstract:Nitroge
5、n loss caused by fertilization in farmland is an important source of environmental pollution.In order to clarify the effect ofdifferent degrees of soil salinization on nitrogen gas loss,30 paddy soil samples with different degrees of salinization were randomly taken at0-20 cm depth.According to the
6、degree of salinization,the samples were divided into light(0.1%-0.3%salt content,5%15%exchangeable sodium percentage),moderate(0.3%0.5%salt content,15%30%exchangeable sodium percentage),and severe(0.5%收稿日期:20230330录用日期:2023-05-09作者简介:黄立华(1974),男,博士,正高级工程师,研究方向为盐碱地生态治理与农业高效利用、土壤生态及植物逆境营养等。E-mail:基金项目
7、:国家自然科学基金面上项目(41977148);吉林省科技发展创新人才项目(20220508110RC);中国科学院黑土地保护与利用科技创新工程专项(XDA28110103)Project supported:The National Natural Science Foundation of China(41977148);The Science and Technology Development Foundation of Jilin Province,China(20220508110RC);The Strategic Priority Research Program of the
8、Chinese Academy of Sciences(XDA28110103)摘要:为阐明土壤盐碱化程度对氮素气态损失的影响,本研究通过随机采集30个不同盐碱化程度的稻田土壤(020 cm)样品,根据盐碱化程度将其划分为轻度(含盐量0.1%0.3%,碱化度5%15%)、中度(含盐量0.3%0.5%,碱化度15%30%)和重度(含盐量0.5%0.7%,碱化度30%45%)盐碱土3类,每个类别中依据最小归类样品数选取盐碱化程度接近的3个土样作为3次重复,进行实验室模拟培养分析,探究不同盐碱化土壤氮素反硝化和氨挥发动态变化特征及其主要影响因素。结果表明,随着土壤盐碱化程度的增加,氮素的反硝化作用显
9、著降低,氨挥发作用显著增加,硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和脲酶活性显著降低(P0.05)。与轻度盐碱土相比,中度和重度盐碱土相同培养时间的氮素反硝化速率分别降低了18.9%和37.8%,累积反硝化氮量分别降低了13.7%和29.4%,氨挥发速率分别增加了30.8%和64.8%,累积氨挥发量分别增加了36.6%和59.4%。逐步回归分析表明,EC、ESP(碱化度)、CO2-3和TN是影响苏打盐碱地稻田土壤累积反硝化氮量的主要因素,EC、CO2-3和SOM(土壤有机质)是影响累积氨挥发量的主要因素。土壤盐碱化虽然抑制了氮素的反硝化作用,但是显著增强了氨挥发作用。关键词:苏打盐碱土;氮素;反硝化;氨挥发
10、;影响因素中图分类号:S156.41文献标志码:A文章编号:1672-2043(2023)08-1748-10doi:10.11654/jaes.2023-0239黄立华,等:苏打盐碱化稻田土壤反硝化和氨挥发特征及主要影响因子2023年8月土壤盐碱化是当今世界面临的重要环境问题。盐碱土在我国分布广泛,不同类型的盐碱地是重要的和潜在的农业资源1。改良和利用盐碱地是贯彻国家“藏粮于地、藏粮于技”战略的重要举措。2021年10月习近平总书记在视察山东省东营市时强调了开发利用盐碱地对保障中国饭碗的重要作用。2022年1月中央印发的“一号文件”明确要求“积极挖掘潜力增加耕地,支持将符合条件的盐碱地等后备
11、资源适度有序开发为耕地”。由于作物需要从土壤中吸收大量的养分才能获得产量,盐碱地在农业利用过程中必将伴随着施肥等农艺措施。大量研究表明,苏打盐碱土不仅盐碱障碍严重,土壤基础肥力水平也较低,尤其土壤氮素资源非常匮乏2。施用氮肥是苏打盐碱地作物获得增产的重要措施3,但盐碱地区氮肥利用效率整体偏低4。随着土壤盐碱程度的增加,氮肥损失明显增加,损失途径包括反硝化、氨挥发、淋洗和径流等5,其中最主要的损失途径是反硝化和氨挥发6-7。在低盐碱条件下,盐度升高对反硝化速率限制作用较明显,但在高盐度条件下,反硝化速率降低并不显著8,反硝化速率与pH呈显著负相关9。盐碱的增加同时也促进了土壤中的氨挥发10,特别
12、是在碱性土壤中,随着土壤pH和碱化度增加,施用氮肥产生的氨挥发量明显地增加11,并且氨挥发损失主要受控于土壤pH和碱化度的影响12。然而,不同研究者对于土壤盐碱影响反硝化和氨挥发的主控障碍因素的论述不尽相同8-9,12,有关盐碱土反硝化和氨挥发的过程机制也有待深入研究。关于土壤盐碱对反硝化和氨挥发的影响近年来已成为许多研究者关注的热点13,但就影响机制还存在诸多争议,有人认为盐碱土主要受到土壤化学性质的影响,其中高盐度和碱化度是主要影响因素14,也有人认为土壤盐碱主要抑制了微生物活性15,对反硝化和氨挥发起着间接作用。土壤酶作为其中最活跃的组分之一参与土壤中各种生物化学过程,其活性的强弱可直接
13、反映土壤中物质转化状况和土壤肥力水平16。在土壤氮素转化中,硝酸还原酶17和亚硝酸还原酶18在反硝化过程中起着重要作用,而脲酶则通过影响尿素分解成为影响土壤氨挥发损失的重要驱动因素19。上述相关土壤酶在不同盐碱土中的活性变化是否对氮素反硝化和氨挥发起到决定性作用有待研究。本研究针对苏打盐碱地稻田氮肥利用率低的现状和盐碱土分布存在空间异质性的特点,先随机采集土壤样品,通过对理化指标分析划分土壤盐碱化程度,然后采用室内模拟培养实验的方法分别研究不同盐碱化程度土壤氮素反硝化和氨挥发过程以及相关土壤酶的活性变化,并建立氮素反硝化和氨挥发通量与土壤指标的回归方程,分析不同土壤盐碱化参数、盐离子含量以及主
14、要养分含量对土壤反硝化和氨挥发的影响,期望通过对氮素转化与盐碱关系的分析阐明影响反硝化和氨挥发作用的主要因子,为未来盐碱化农田氮素转化研究和氮肥利用效率提高提供更多的理论支持。1材料与方法1.1 采样地点概况土壤样品采自吉林大安农田生态系统国家野外0.7%salt content,30%45%exchangeable sodium percentage)saline-sodic soils.In each category,three soil samples with a similardegree of salinization were selected,according to the
15、 minimum number of classified samples(three replicates)for laboratory simulationculture analysis,in order to explore the dynamic characteristics of nitrogen denitrification and ammonia volatilization as well as their maininfluencing factors in soils with different degrees of salinization.The results
16、 showed that nitrogen denitrification decreased significantly,ammonia volatilization increased significantly,and the activities of nitrate reductase,nitrite reductase,and urease decreased significantlywith increasing soil salinization(P0.05).The maximum denitrification rate and cumulative nitrogen d
17、enitrification in moderate and severesaline-sodic soil were 18.9%and 37.8%,13.7%and 29.4%lower than those of light saline-sodic soil,respectively.The maximumammonia volatilization rate and cumulative ammonia volatilization in moderate and severe saline-sodic soil were 30.8%and 64.8%,36.6%and 59.4%hi
18、gher than those of light saline-sodic soil,respectively.Stepwise regression analysis showed that EC,ESP(exchangeablesodium saturation percentage),CO32-,and TN were the main factors affecting cumulative nitrogen denitrification,while EC,CO2-3,and SOM(soil organic matter)were the main factors affectin
19、g cumulative ammonia volatilization.Furthermore,higher Na+and CO2-3content were thefundamental reasons for increased gaseous nitrogen loss in saline-sodic paddy fields.Although soil salinization inhibited nitrogendenitrification,it significantly enhanced ammonia volatilization,resulting in increased
20、 overall gaseous nitrogen loss and loss rate.Keywords:saline-sodic soil;nitrogen;denitrification;ammonia volatilization;influencing factor1749农业环境科学学报第42卷第8期科学观测研究站(453558453628N,12350271235131E)。该站位于吉林省大安市红岗子乡境内,属温带大陆性季风气候,具有春季干旱多风、夏季炎热、秋季少雨、冬季漫长寒冷等特点,年平均气温4.7,降雨量约400 mm左右,蒸发量1 700 mm以上,全年光照充足,无霜期在
21、135 d左右,10 的有效积温约2 900,适宜作物单季种植。土壤为典型苏打盐碱化草甸土。2003年建站后陆续将部分退化盐碱地开垦为稻田,田块设置为面积1 000 m2(40 m25 m)的统一规格,采用嫩江引水灌溉,单灌单排,统一耕种管理。由于开垦前土壤盐碱化程度不同,虽经过短期种稻,不同田块间的土壤盐碱化程度仍存在较大差异。1.2 土壤样品采集与盐碱化程度划分土壤样品采集工作于4月下旬春季稻田耕翻泡田前进行,土层1 m 以上完全解冻,020 cm土层无积水或泥泞现象。在站区内随机选择30块盐碱化程度不同的稻田,每块稻田用土钻随机采集5点020 cm土样,采样鲜土量约8001 000 g,
22、混合装入自封袋,贴上标签,带回实验室混合均匀后按四分法分为 2份,1份放入4 的冰箱内保存,用于培养实验,另1份自然风干,过20目和60目筛后测定土壤盐分离子含量、养分含量及部分盐碱化参数,其他盐碱化参数通过盐分离子含量计算获得。根据30份土样测试的盐碱指标(主要为含盐量和碱化度),参照 吉林土壤 对苏打盐碱土的盐碱化程度划分标准20,将30份土样依次划分为轻度、中度和重度盐碱土21,每个类别中依据最小归类样品数选取盐碱化程度接近的3个土样作为重复,3种土壤的基本盐碱化程度列于表1,详细理化性质可参考文献21,共9个土壤样品进行氮素反硝化和氨挥发培养试验。1.3 培养实验与测试指标1.3.1
23、反硝化培养实验反硝化培养实验主要参照张先富等22的方法,以3种不同盐碱化土壤(轻度、中度和重度)为处理,每个处理选择3个代表性土样作为重复,每个重复再各称取6份土样进行培养,以便培养过程中定期进行破坏性取样,共计54份。每份培养土样称取40.0 g,装入 100 mL(顶部直径 64 mm,底部直径 54 mm,高 40mm)塑料盒中,先加入一定量的水,使土壤全部湿润并驱出土中空气,再加水至土面水层 0.51.0 cm,形成淹水培养条件,用无菌封口膜封口,置于 25 培养箱中恒温培养,每天称量补水,保证培养期间水量恒定。培养时间为 21 d,于培养后的 0、3、6、9、15、21 d 分 6次
24、取样,测定土壤含水量、硝态氮含量、硝酸还原酶活性和亚硝酸还原酶活性。每个处理每次取3个重复,以3次测定结果的平均值为测定值,分别计算氮素反硝化速率和累积反硝化氮量,具体公式如下:氮素反硝化速率=(NO-3-N)t0-(NO-3-N)tt(1)累积反硝化氮量=(NO-3-N)t0-(NO-3-N)t(2)式中:氮素反硝化速率的单位为mgkg-1d-1;累积反硝化氮量的单位为 mgkg-1;t为培养时间,d;(NO-3-N)t0为培养初期硝态氮含量,mgkg-1,(NO-3-N)t为t时间硝态氮含量,mgkg-1。1.3.2 氨挥发培养实验氨挥发量的测定采用“静态吸收法”,具体参照王欢等23的方法
25、,同样以3种不同盐碱化土壤为处理,每处理 3 次重复,共计 9 份。每份培养土样称取130.0 g,装入500 mL(顶部直径116 mm,底部直径81mm,高74 mm)塑料盒中,加入0.05 g尿素与土壤混匀(折合纯氮量为200 kghm-2),加入一定量的水使土壤全部湿润并驱出土中空气,再加水保持土面水层0.51.0 cm,形成淹水培养条件。培养开始前在培养装置底部放入装有20 mL 2%的硼酸吸收液的小烧杯(内置指示剂35滴),用于吸收培养过程中挥发出的氨气,最后用无菌封口膜封口,置于25 恒温培养箱中进行培养,同时开展不加土壤的空白实验,培养时土壤类型Soil type轻度盐碱土Li
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