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基于C/N调节的沼液灌溉土壤氮淋溶控制研究

成剑波  
【摘要】:随着畜牧业的快速发展,由养殖粪污处理带来的沼液还田风险越来越受到人们的关注。畜禽养殖沼液最典型的特征之一是氨氮含量高而碳氮比低。已有静态研究表明,沼液进入土壤后容易发生硝化反应及其氮淋溶。但是沼液连续灌溉能否促进土壤硝化和氮淋溶,以及提高沼液碳氮比能否减少氮淋失?目前鲜有报道。为此,论文以沼液灌溉下土壤氮循环的相关过程为切入点,以发现氮淋溶、表征氮淋溶、预防氮淋溶、解析氮淋溶和探讨N_2O排放为主线,通过模拟淋溶和微区试验,探讨沼液灌溉下的土壤氮淋溶等过程,以及碳氮比(以DOC/TN表示,下同)对土壤矿化、氮淋溶和氮归趋等的影响。主要研究结果为:(1)采用两组微区试验,改变施氮强度,按25 mm/周的负荷连续灌溉沼液12周,考察各施氮强度的氮淋溶等。结果表明,随着施氮强度的提高,土壤氮淋溶逐步加剧。当施氮强度超过336 kg N/hm2时,沼液灌溉会抑制土壤异养微生物,促进自养硝化微生物,进而抑制土壤矿化,促进土壤硝化与氮淋失。进一步发现高施氮强度的氮淋溶负荷在沼液灌溉后第4~6、10~11周最高。(2)采用模拟土柱试验,改变沼液DOC/TN,以12 mm/周的负荷连续灌溉沼液12周,考察土壤氮淋溶特征。结果表明,随着沼液DOC/TN的提高,氮淋溶量逐渐降低。DOC/TN为0.9、2.3、7.3、12.3和17.3,氮淋溶量占施氮量的比例依次为31.1%、26.6%、2.26%、2.47%和3.45%。氮淋溶的降低可能是因为高DOC/TN对土壤反硝化和氮固持的促进,DOC/TN7.3比12.3和17.3更利于反硝化,DOC/TN 12.3和17.3比7.3更利于氮固持。因此提高沼液DOC/TN,可以有效地防止氮淋溶。与此同时,通过磷脂脂肪酸和16S rRNA分析土壤微生物群落结构,采用加权基因共表达网络分析识别可能会影响土壤硝化的细菌,发现随DOC/TN的升高,土壤微生物活动持续增强,且土壤细菌群落多样性增大,不同细菌的丰度变化有所不同。所检出的所有硝化细菌Nitrosomonadaceae_uncultured、Nitrospira、Nitrosospira和Nitrosomonas在DOC/TN0.9~7.3丰度最大,在DOC/TN 12.3和17.3丰度最小。Acidobacteriaceae_Subgroup_1_uncultured、Rhizomicrobium、Massilia和Lysobacter可能有利于硝化,Trichococcus等可能不利于硝化。(3)在高土壤含水率的条件下,采用模拟土柱试验,改变沼液DOC/TN,按1.78~2.06mm/d的平均负荷连续灌溉沼液49 d,考察氮淋溶量、土壤残留氮量和土壤N_2O排放量。结果表明,高碳氮比更有利于土壤氮固持和呼吸作用,而不利于土壤硝化和N_2O排放。试验发现,在沼液灌溉过程中,土壤含水率较高时,施氮量的3.28%~4.21%被淋失,67.7%~104%进入大气,0.77%~1.03%以N_2O形式排放,高土壤含水率可能抑制了土壤硝化和氮淋溶,即便如此,环境温度升高也能促进高含水率土壤的氮淋溶。论文的创新点在于,在营养负荷指数的基础上,提出了用于识别沼液灌溉氮淋溶敏感期和优选施氮强度的相关算法,可为淋溶敏感期的识别提供参考依据。鉴于研究体系中土壤、沼液、调节碳氮比的碳源等材料单一,论文结果普适性有待进一步验证。此外,后续研究中需进一步探讨土壤含水率对土壤氮循环相关过程的影响,进一步验证所识别出的可能影响土壤硝化的细菌。


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