尿素配施脲酶/硝化抑制剂对三江源区退化高寒草甸氮转化的影响及作用机理研究

【摘要】：施肥是治理与恢复退化高寒草甸的重要措施之一,是恢复与提升退化高寒草地生态功能的重要举措。但是不合理的氮肥添加措施会导致氮利用率低且对生态环境造成严重破坏。因此,本论文以三江源区玛沁县的中轻度退化高寒草甸为研究对象。研究脲酶配施脲酶抑制剂(N-丁基硫代磷酰三胺N-(n-butyl)thiophosphoric triamide,NBPT)和硝化抑制剂(双氰胺,dicyandiamide,DCD)对于中轻度退化高寒草甸氮转化的影响。目的在于研究以下3方面:(1)基于植物营养学和稳定同位素技术,研究尿素配施NBPT/DCD在中轻度退化高寒草甸生态系统中四大功能类群(禾本科、莎草科、豆科、杂类草)对氮肥的利用效率、地上/地下净初级生产力和牧草营养成分的影响,筛选出最优的尿素+抑制剂组合处理,为实现资源的优化利用和保障畜牧业可持续发展提供技术支撑。(2)通过尿素配施NBPT和DCD研究尿素-N在施入中轻度退化高寒草地生态系统后NH_3、N_2O、CO_2、CH_4排放速率和累计排放量特征,获取土壤库中基本理化性质数据,揭示气体排放量的机理,为青藏高原草地生态系统可持续利用提供科学依据。(3)土壤微生物作为生态系统中枢环节,通过高通量测序16s和ITs技术,测定中轻度退化高寒草甸生态系统中真菌和细菌多样性和群落结构,探讨尿素配施NBPT/DCD对草地生态系统中关键微生物的影响,为脲酶/硝化抑制剂在中轻度退化高寒草甸的作用机理提供理论基础。主要结果如下:1)植物物种多样性:尿素添加NBPT和/或DCD没有显著影响中轻度退化高寒草甸物种多样性但显著提高优势物种的重要值和植被覆盖度。表明抑制剂的添加会降低尿素对中轻度退化高寒草甸植物多样性的影响。植被生产力:单施尿素处理下中度退化高寒草甸地上生物量为277.01 g·m~(-1)·y~(-1),U+NBPT处理显著提高了近36.14%,且集中提高在禾本科和杂类草。尿素添加抑制剂未显著改变轻度退化高寒草甸的生物量。表明NBPT对于恢复与治理中度退化高寒草甸效果显著。2)氮肥利用率:在轻度退化高寒草甸中,单施尿素处理下植物和根系的~(15)N回收率仅为33.44%,而U+NBPT和U+NBPT+DCD处理分别提高植物+根系~(15)N回收率的30.44%和19.44%。通过皮尔森相关性分析表明,土壤中NH_4~+-N、C/N比、TN和TP是影响氮素利用率的主要因子。而在中度退化高寒草甸中,单施尿素处理下植物和根系的~(15)N回收率仅为29.94%,近70%的氮素未被吸收利用。U+NBPT处理显著提高了44.20%。而U+DCD处理显著降低了36.06%。通过皮尔森相关性分析表明,土壤NH_4~+-N和NO_3~--N含量是影响中度退化高寒草甸的主要因子。证明NBPT抑制剂的添加可以提高尿素氮在土壤中的作用,增加N在轻度退化高寒草甸生态系统中的内部循环,而DCD对中轻度退化高寒草甸氮素利用率没有影响,并且在中度退化高寒草甸中效果更佳。3)气态氮损失:U+NBPT或者U+NBPT+DCD对于延迟中轻度退化高寒草甸NH_3挥发出现的时间和峰值效果显著。在轻度退化高寒草甸下,单施尿素NH_3挥发累计损失量为16.36 kg N·hm~(-2);N_2O累计损失量为34.12 kg·hm~(-2);两者累计损失高达50.48 kg·hm~(-2),占施氮量的33.65%。其中N_2O损失是尿素氮的主要损失途径。U+NBPT和U+NBPT+DCD处理显著降低了NH_3挥发累计损失量的52.08%和48.66%。且两组处理显著降低了N_2O累计损失量的26.55%和70.63%。U+DCD处理并未减少NH_3挥发损失,但显著降低了N_2O累计损失量的38.10%。而在中度退化高寒草甸生态系统中,U处理NH_3挥发累计损失量高达18.77 kg N·hm~(-2),N_2O累计损失量为26.40 kg·hm~(-2),两者累积量高达45.17 kg·hm~(-2),占施氮量30.11%。尿素中添加NBPT抑制了NH_3挥发,尿素中添加DCD抑制了N_2O排放。尿素中添加NBPT和DCD对两者均显著下降了60.20%和56.44%。通过冗余分析表明,抑制剂的添加与土壤NH_4~+-N和NO_3~--N含量成显著的正相关关系,证明抑制剂抑制了相关微生物的活性,降低了尿素的气态氮损失,增加了土壤中无机态氮的累计。NBPT+DCD对于抑制中轻度退化高寒草甸尿素氮的损失均有显著的效果。4)温室气体排放:在轻度退化高寒草甸生态系统中,不同处理下均未对CO_2排放速率和累计排放量产生影响。施用尿素后将轻度退化高寒草甸的弱CH_4汇转变为CH_4排放源,为1.10 kg·hm~(-2)。而尿素中添加DCD后CH_4排放呈弱CH_4汇并显著降低,为-0.44 kg·hm~(-2)。而在中度退化高寒草甸生态系统中,U和U+DCD相较于不施肥对照显著下降CO_2累计排放量,分别下降了21.29%和17.20%。U+DCD和U+NBPT+DCD处理CH_4排放累积量无显著性差异,均表现为弱CH_4汇,而U+NBPT处理却显著增加CH_4排放量,呈现正增长。通过RDA分析,抑制剂添加与土壤中碳氮含量呈显著的正相关关系,NBPT的添加增加使得土壤以无机氮的形式存在于土壤中,虽抑制剂了脲酶相关微生物,但增加了其它微生物的相对丰度,如酸杆菌门、子囊菌门,导致土壤CO_2和CH_4排放呈显著的正增长。而DCD对于降低中轻度退化高寒草甸CO_2和CH_4排放效果最为显著,尤其在中度退化高寒草甸生态系统中。5)轻度退化高寒草甸土壤真细菌群落特征:细菌群落特征:尿素+不同抑制剂处理对土壤细菌优势门类无显著性影响,NH_3常见门类的相对丰度发生改变。U+NBPT处理使酸杆菌门优势属RB41相对丰度增加1.28%,U+DCD处理会对硝化螺旋菌门的硝化螺旋菌属的细菌产生了抑制作用。真菌群落特征:尿素+不同抑制剂处理土壤真菌优势门子囊菌门的相对丰度增加,担子菌门、接合菌门的相对丰度降低。U+DCD处理下,子囊菌门的Archaeorhizomyces的相对丰度显著增加26.66%(p0.05),而U、U+NBPT对担子菌门Hygrocyb产生抑制作用。6)中度退化高寒草甸土壤真细菌群落特征:细菌群落特征:土壤细菌的优势属、稀有属的相对丰度发生改变,U处理下变形菌门Rhodoplanes相对丰度增加0.34%,U+NBPT、U+DCD+NBPT对放线菌门Solirubrobacteralesf＿67-14细菌产生抑制作用。真菌群落特征:U+NBPT+DCD处理下子囊菌门的相对丰度31.79%,表现为最低,CK处理下担子菌门的相对丰为4.86%,显著低于其他处理(p0.05)。尿素+脲酶/硝化抑制剂可以促进Clitopilus的生长。7)通过结构方程模型得出,尿素+抑制剂通过直接影响土壤铵态氮的含量来直接影响轻、中度退化高寒草甸地上生物量,而与硝态氮含量没有显著的影响。8)通过RDA和SEM分析结果表明,尿素+抑制剂通过影响土壤NH_4~+-N和NO_3~--N含量最终影响NH_3挥发;另一条通路为尿素+抑制剂通过影响土壤真菌优势均属的相对丰度和地上生物量,最终影响NH_3挥发。尿素+抑制剂通过影响土壤优势细菌相对丰度、NH_4~+-N和NO_3~--N含量,最终影响N_2O排放。