收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

外源碳输入对潮土硝态氮同化速率以及反硝化氮损失的影响机制研究

陈招兄  
【摘要】:华北平原是我国重要的粮食生产基地。然而集约化高氮肥投入、低氮肥利用率以及以矿化、硝化作用强烈而同化和反硝化能力较弱为特点的土壤氮素循环特征导致该地区土壤剖面硝态氮累积非常严重。控制土壤硝态氮浓度是防止土壤剖面硝态氮累积的先决条件。通过提高土壤硝态氮同化过程的速率以降低土壤硝态氮浓度则极可能在降低潮土硝酸盐累积中起重要作用。潮土是受碳限制的,硝态氮同化速率常常很低甚至可以忽略不计,而外源碳输入很可能解除微生物受碳的限制进而促进土壤硝态氮同化作用。然而,外源碳输入对潮土硝态氮同化速率的影响及其微生物机制至今不清楚。本研究采用~(15)N示踪技术和乙炔抑制技术,明确了外源碳输入下农田潮土硝态氮同化速率计算方法的选择依据;并以此为基础,结合实时荧光定量PCR技术,阐明了外源碳数量和质量对潮土硝态氮同化速率的影响及其微生物机制,并揭示了外源碳输入刺激潮土反硝化氮损失和N_2O排放的影响机制。准确量化外源碳输入下农田潮土硝态氮同化速率是依靠其减缓潮土硝态氮累积的前提。然而目前对于~(15)N同位素法、有机氮~(15)N回收法和微生物生物量氮~(15)N回收法等三种方法计算硝态氮同化速率结果的准确性比较鲜有报道。因此,本研究以华北潮土为研究对象,设置7种有机物料(2种易分解碳源和5种C/N比不同的植物残体)添加处理,均以等碳量(5 g C kg~(-1))计,并设置不添加碳源的对照处理。采用~(15)NO_3~-标记技术和乙炔抑制技术,研究了外源碳输入下农田潮土硝态氮同化速率以及反硝化氮损失规律。结果表明,在添加难分解的植物残体处理中,~(15)N同位素稀释法、有机氮~(15)N回收法和微生物生物量氮~(15)N回收法这三种方法计算得到的潮土硝态氮同化速率相似;而在添加易分解碳源(葡萄糖和糖蜜粉)处理中,采用~(15)N同位素稀释法计算得到的硝态氮同化速率分别比有机氮~(15)N回收法和微生物生物量氮~(15)N回收法高出65%~100%和47%~74%。所有碳源添加处理的~(15)NH_4~+-N的回收率不足0.25%,表明潮土发生异化还原为铵或再矿化的过程较微弱,证实了有机氮~(15)N回收法和微生物生物量氮~(15)N回收法能够作为计算碳源输入下潮土硝态氮同化速率的适用方法。其次,所有碳源添加处理在整个培养期间内的反硝化氮损失率不足1.8%,这表明~(15)N同位素稀释法计算的结果也可靠。但从实验获取数据的便利程度考虑,有机氮~(15)N回收法更加准确且省时省力。此外,本研究构建了难分解碳源(如植物残体)的性质如C/N比、木质素含量、纤维素含量、半纤维素含量以及p H与不同计算方法得到的潮土硝态氮同化速率的拟合方程,从而为外源碳输入下农田潮土硝态氮同化速率计算方法的选择提供了直接依据。已有研究表明农田土壤中硝态氮同化作用受外源碳质量及数量的调控。但是,外源碳质量和数量与潮土硝态氮同化速率之间的定量关系尚不清晰。本研究以农田潮土为研究对象,设置7种有机物料(2种易分解碳源和5种植物残体)添加处理,每个处理均设置4个加入量水平:0,不添加,对照;1 g C kg~(-1),低碳量加入水平;2 g C kg~(-1),中碳量加入水平;5 g C kg~(-1),高碳量加入水平。采用~(15)NO_3~-标记技术和实时荧光定量PCR技术研究了不同质量和数量外源碳输入下潮土的硝态氮同化速率以及高碳量输入下潮土的细菌和真菌丰度。结果表明,不论添加何种碳源,潮土硝态氮同化速率与外源碳输入量呈线性正相关关系。具体而言,两种易分解碳源(葡萄糖和糖蜜粉),玉米叶、小麦秆和锯末以及米糠和稻壳添加处理的潮土硝态氮同化速率在单位纯碳量输入下分别为2.05~2.16、0.77~1.13和0.29~0.38 mg N kg~(-1)d~(-1)。同时,无论碳量输入多寡,潮土硝态氮同化速率与加入植物残体的综纤维素含量、综纤维素/总氮比和C/N比均呈显著正相关。在高碳量下,潮土硝态氮同化速率与细菌和真菌丰度呈显著正相关,与细菌/真菌比值呈显著负相关;添加植物残体的综纤维素含量通过影响细菌丰度进而显著影响潮土硝态氮同化速率。综上,本研究揭示了外源碳质量和数量与潮土硝态氮同化速率的定量关系及关联的微生物机制,从而有助于制定降低农田土壤硝态氮浓度和缓解土壤硝酸盐累积的调控策略。除了硝态氮同化,反硝化亦是受碳限制的过程。外源碳的输入不可避免刺激土壤反硝化氮损失并产生温室气体N_2O,如何最大化提高潮土硝态氮同化速率但避免反硝化氮损失以及N_2O排放亦是亟待解决的关键问题。我们前述的研究已发现在高碳量水平(5 g C kg~(-1))加入下,反硝化关联的氮损失率不足1.8%,这意味着外源碳输入对潮土反硝化氮损失(N_2O+N_2)的影响可忽略不计。但是,鉴于N_2O是重要的温室气体,外源碳输入如何影响潮土N_2O排放亟待明确。因此,本研究采用~(15)N示踪技术、乙炔抑制技术以及实时荧光定量PCR技术测定了不同种类外源碳输入下潮土的N_2O产生途径,关联的氮转化速率以及功能基因丰度。结果表明,外源碳输入显著刺激潮土N_2O排放,其刺激作用主要归因于:1)外源碳输入通过增加氨氧化细菌(AOB)-amo A)基因丰度增加了硝化过程产生的N_2O;2)外源碳输入通过增加nir S基因丰度并减少nos Z基因丰度增加了反硝化过程产生的N_2O。高C/N比的有机物料添加降低了反硝化过程产生N_2O的贡献率,进而降低了N_2O总累积排放量,这可能是由于反硝化过程产生N_2O的比例大于硝化过程产生N_2O的比例。此外,本研究建立了有机物料输入对潮土反硝化过程产生N_2O的影响取决于其分解特征的概念框架。难分解的有机物料提供的有效态碳数量少,此时硝态氮同化优先于反硝化而发生,因而随有机物料的有机碳矿化率增加,潮土硝态氮同化速率相应增加,而反硝化速率和反硝化产生的N_2O则相应减少。与此相反,易分解碳源(如葡萄糖)的添加可以向潮土提供充足的有效态碳,支撑了反硝化和硝态氮同化的同时进行。总体而言,本研究首次从微生物过程角度揭示了碳源输入下潮土N_2O排放的微生物驱动机制,为完善陆地生态系统N_2O排放估算建模和制定有机物料输入下潮土N_2O减排措施提供了理论基础和技术支撑。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前16条
1 赵竞英,徐丽敏,宝德俊,张鸿程,皇甫湘荣;小麦生长期间潮土硝态氮垂直移动规律研究[J];河南农业大学学报;1996年03期
2 侯秀玲;张炎;李磐;王晓静;盛建东;;施氮对南疆潮土硝态氮分布的影响[J];干旱地区农业研究;2006年06期
3 王立军;王吉刚;关琳琳;;地下水硝态氮污染研究进展[J];节能;2013年09期
4 范丙全,胡春芳,平建立;灌溉施肥对壤质潮土硝态氮淋溶的影响[J];植物营养与肥料学报;1998年01期
5 郭小芳;;浅谈植物对铵、硝态氮的相对吸收能力[J];中国农资;2011年06期
6 郭应成;肖志新;綦世飞;周冀衡;葛以阳;何承刚;;基肥中不同硝态氮比例对烤烟生长和产质量的影响[J];昆明学院学报;2011年03期
7 张亚欣;范志平;闫加亮;孙学凯;王琼;;氮添加对沙质草地氨挥发及硝态氮淋溶的影响[J];生态学杂志;2011年09期
8 李庆逵,王美珠;植物体的硝态氮、全氮、磷、钾速测法[J];土壤;1962年01期
9 张昊青;赵学强;喻敏;沈仁芳;;土壤辐照灭菌对土壤中铵态氮和硝态氮行为的影响[J];中国土壤与肥料;2020年05期
10 林兴军;陈鹏;孙燕;黄丽芳;董云萍;;咖啡硝态氮代谢研究进展[J];热带农业科学;2015年03期
11 苗艳芳;李生秀;徐晓峰;王朝辉;李小涵;扶艳艳;罗来超;;冬小麦对铵态氮和硝态氮的响应[J];土壤学报;2014年03期
12 于冲;陈淑峰;吴文良;李光德;;农业驱动的地下水硝态氮污染研究进展[J];中国农学通报;2011年29期
13 袁新民,王周琼;硝态氮的淋洗及其影响因素[J];干旱区研究;2000年04期
14 陈宗懋;印度推出一种测定土壤中可利用态氮的方法[J];中国茶叶;1997年04期
15 巩庆平;;控制降低瓜菜中硝态氮的含量[J];农业知识;2005年08期
16 何文寿,李生秀,李辉桃;铵、硝态氮配比对作物生长量的影响[J];宁夏农学院学报;1996年04期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 周扬;李爱民;周庆;双陈冬;;新型选择性去除硝态氮磁性树脂的合成与应用[A];热烈庆祝中国化学会成立80周年——中国化学会第16届反应性高分子学术研讨会论文集[C];2012年
2 李丙奇;孙克刚;和爱玲;张文明;;河南省潮土供氮能力和小麦合理施氮量研究[A];IPNI(国际植物营养研究所)中国项目部2008年论文汇编(下)[C];2008年
3 杨光;;某污染场地地下水硝态氮迁移过程的数值模拟[A];2018第十三届中国城镇水务发展国际研讨会与新技术设备博览会论文集[C];2018年
4 宋永林;张淑香;李秀英;李小平;;长期施肥对褐潮土氮、有机质动态变化的影响[A];中国植物营养与肥料学会2010年学术年会论文集[C];2010年
5 杨睿;袁林江;;活性污泥中氧化亚氮还原酶提取及测定方案的探索与优化[A];2020中国环境科学学会科学技术年会论文集(第三卷)[C];2020年
6 韦建玉;邹凯;王军;顾明华;周俊;曾祥难;杨启港;;硝态氮和铵态氮配施对烤烟光合作用及碳水化合物代谢的影响[A];广西烟草学会2008年度学术年会论文集[C];2009年
7 李建明;吴景贵;;不同有机物料对土壤和环境影响差异性的研究进展[A];2013中国环境科学学会学术年会论文集(第八卷)[C];2013年
8 夏营;沈红艳;张莉莉;要雅倩;刘松忠;葛顺峰;;4种梨砧木对~(15)N标记硝态氮和铵态氮的吸收、分配及利用特性研究[A];中国园艺学会2017年论文摘要集[C];2017年
9 迟凤琴;;影响黑土中有机物料分解因素的研究[A];中国地壤学会第十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会文集(面向农业与环境的土壤科学专题篇)[C];2004年
10 陈瑞蕊;井忠旺;魏世平;林先贵;;碳磷互作对潮土有机碳代谢和微生物群落的影响[A];土壤科学与生态文明(上册)——中国土壤学会第十三次全国会员代表大会暨第十一届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集[C];2016年
11 卢魁;郭嘉;刘宗元;叶雄伟;谭杜勋;谭新宇;;吸入氧化亚氮在创伤患者院前救治中镇痛作用的临床研究[A];2015第十一届全国中西医结合灾害医学大会、江苏省中西医结合学会第二届灾害医学学术会议、中华卫生应急电子杂志第二届编委会会议暨2015江苏国际医疗器械科技博览会学术论文集[C];2015年
12 张宇轩;方磊;杨伦奎;;氧化亚氮液化气增压系统建模[A];中国航天第三专业信息网第四十届技术交流会暨第四届空天动力联合会议论文集——S02液体推进及相关技术[C];2019年
13 赵影星;陈源泉;王琳;代红翠;崔吉晓;隋鹏;;有机物料还田对砂质农田土壤理化性状和作物产量的影响[A];中国农学会耕作制度分会2018年度学术年会论文摘要集[C];2018年
14 苏立涛;毛志泉;;有机物料对连作土中平邑甜茶根系活性氧含量和抗病相关酶活性的影响[A];庆祝中国园艺学会创建80周年暨第11次全国会员代表大会论文摘要集[C];2009年
15 周毅;汪建飞;乔晶晶;杨兴敏;丁风香;彭瑞瑞;马彦;;苗期水稻叶片伸长生长、光合和耗水特性对铵、硝态氮及其交替营养的短期响应[A];土肥水资源高效利用与农业面源污染防控技术研讨会论文集[C];2011年
16 李俊;孙德海;纪春梅;马丽艳;李淑丽;姜长林;;氧化亚氮(N_2O)戒除尼古丁依赖疗效及安全性的观察[A];中华医学会疼痛学分会第八届年会暨CASP成立二十周年论文集[C];2009年
17 张振华;;作物氮素利用效率与地上、地下部硝态氮长途转运和液泡硝态氮短途分配的关系研究概况[A];作物多熟种植与国家粮油安全高峰论坛论文集[C];2015年
18 张池;Velasquez, E.;Pando, A.;Brunet,D.;戴军;Lavelle.P.;;不同有机物料作用下Aporrectodea caliginosa蚓粪的近红外光谱(NIRS)特征[A];第四次全国土壤生物和生物化学学术研讨会论文集[C];2007年
19 吴景贵;席时权;曾广赋;姜岩;王明辉;;土壤水浸液浓缩过程中物质转化的傅里叶变换红外光谱研究[A];全国第10届分子光谱学术报告会论文集[C];1998年
20 林先贵;冯有智;陈瑞蕊;赵飞;王锐;胡君利;张佳宝;王俊华;;长期施用有机肥潮土中芽胞杆菌群落演替及其功能的研究[A];第七次全国土壤生物与生物化学学术研讨会暨第二次全国土壤健康学术研讨会论文集[C];2014年
中国博士学位论文全文数据库 前17条
1 陈效民;土壤环境中硝态氮运移的特点、模型描述及其在太湖地区乌栅土上的应用研究[D];南京农业大学;2000年
2 范晓荣;水稻硝态氮跨膜运输的生理与分子机理[D];南京农业大学;2005年
3 张丽娟;农田生态系统中残留硝态氮的行为及植物利用[D];中国农业大学;2004年
4 魏猛;潮土有机碳库及肥力特性对长期施肥的响应[D];山东农业大学;2017年
5 胡娟;半干旱覆膜滴灌土壤有机物料腐解特征及对有机碳影响[D];吉林农业大学;2018年
6 刘亥扬;有机物料对稻田土壤硝化活性及N_2O排放的影响[D];浙江大学;2019年
7 蔡泽江;有机物料调控红壤化学氮肥致酸效应的差异与机制[D];中国农业科学院;2019年
8 盖霞普;华北平原不同有机物料投入对农田碳氮协同转化及环境效应研究[D];中国农业科学院;2019年
9 李玲;典型农田土壤中有机物料分解特性及影响因素[D];中国农业科学院;2018年
10 李建明;不同有机物料对黑土复合体性质影响的差异性及其机理研究[D];吉林农业大学;2015年
11 黄绍敏;长期不同施肥模式下潮土肥力演变规律与持续利用研究[D];河南农业大学;2006年
12 吴迪;有机物料施用下接种蚯蚓对菜地土壤、作物及环境的影响[D];南京农业大学;2015年
13 李艳;微生物利用糖类和蓝藻等有机物料参与形成腐殖质的研究[D];吉林农业大学;2016年
14 AHMED ALI ABDELRHMAN ALI;长期施用有机物料对黄土高原旱地土壤结构特性和有机碳的影响[D];中国农业科学院;2021年
15 李叶青;复合有机物料厌氧消化特性及产气优化工艺与机理研究[D];北京化工大学;2014年
16 韩瑞锋;甘氨酸影响小白菜硝态氮吸收代谢的生理机制[D];上海交通大学;2019年
17 温延臣;不同施肥制度潮土养分库容特征及环境效应[D];中国农业科学院;2016年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 陈招兄;外源碳输入对潮土硝态氮同化速率以及反硝化氮损失的影响机制研究[D];南京师范大学;2021年
2 郑冬梅;不同氮素形态及用量对三七生长、品质和生理特征的影响[D];云南民族大学;2015年
3 陈宝明;蔬菜硝态氮临界含量及其影响因素[D];西北农林科技大学;2002年
4 葛建军;菜地土壤残留硝态氮的生物有效性研究[D];安徽农业大学;2009年
5 胡坤;水中硝态氮加富对伊乐藻生长的影响[D];暨南大学;2011年
6 周巍;施用有机物料对吉林黑土中尿素氮转化因子的影响[D];吉林农业大学;2008年
7 黄帼;硝态氮诱导水稻侧根发生发育的遗传分析[D];浙江大学;2003年
8 马玉玲;钙、铁和有机质对潮土中磷环境行为的控制机制[D];中国农业科学院;2019年
9 王齐齐;长期不同培肥模式下典型潮土有机碳、氮矿化特征及其驱动因素[D];中国农业科学院;2019年
10 高焕平;秸秆与氮肥调节C/N比对潮土温室气体排放及土壤理化性质的影响[D];河南农业大学;2018年
11 王萍萍;不同肥力潮土硝化作用及其影响因素研究[D];贵州大学;2018年
12 郑天怡;紫外光诱导甲酸还原水体中硝态氮的研究[D];东南大学;2020年
13 李斯斯;华北南部麦田温室气体排放动态变化及有机物料还田、氮肥减施效应的研究[D];河南师范大学;2019年
14 秦海龙;有机物料施加对农田土壤有机碳组分和肥力特征的影响[D];华南农业大学;2018年
15 姜坤;不同有机物料对广东两种耕地土壤肥力的影响[D];华南农业大学;2017年
16 徐博寒;三种农业废弃物对宅基地复垦土壤有机碳及其组分的影响[D];四川农业大学;2018年
17 管培彬;有机物料对轻度盐渍化设施土壤修复效果研究[D];河北农业大学;2019年
18 杨敏琪;有机物料的腐解特征及其对磷组分的影响[D];江西农业大学;2019年
19 武栋;土壤筛分与施用有机物料对玉米~(15)N肥料吸收利用的影响[D];吉林农业大学;2019年
20 宫汝宁;油松林土壤化学计量对5种有机物添加的响应[D];北京林业大学;2018年
中国重要报纸全文数据库 前7条
1 本报记者 高文;含硝态氮的肥料不应禁用[N];农民日报;2003年
2 记者 崔雪芹;研究表明氧化亚氮排放增长挑战温控目标[N];中国科学报;2020年
3 本报记者 董新英 闫紫谦 薛立伟;黑土为“基” 让“龙江绿”大地飘香[N];黑龙江日报;2017年
4 特约记者 王爱军;天脊将建成中国最大氧化亚氮减排企业[N];长治日报;2006年
5 武连寅 胡滨;安徽省首个氧化亚氮减排项目在淮化正式投入运行[N];淮南日报;2010年
6 记者白书欣;当前3G应注重2M速率之下的应用[N];网络世界;2002年
7 刘宇 王爱军;未来5年,将废气“置换”成数千万元[N];山西日报;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978