外源氮在三种典型土壤中的形态转化及作物响应

【摘要】：探明不同外源氮对土壤氮库的影响与作物响应机制，对粮食生产中合理施用肥料、改善土壤供氮能力、提高作物产量和保护生态环境具有重要意义。本研究针对化肥、有机肥、有机-无机肥配施（30%有机肥氮替代化肥氮）三种施肥模式，采用室内模拟试验，研究了外源氮对东北黑土、华北潮土、红壤性水稻土三种典型土壤氮库含量及组成的影响；并借助于~(15)N同位素示踪技术，重点研究了外源氮在三种典型土壤中的形态转化及在红壤性水稻土中的动态过程；探讨了玉米、小麦和水稻分别对外源氮有效性的响应，获得如下主要研究结论： 1.外源氮均能够提高三种土壤的全氮含量，其中单施有机肥和有机-无机肥配施均有显著效果（P0.05），提高幅度分别为5.2%～24.8%和3.5%～13.7%。 2.外源有机肥氮素显著提高了黑土和潮土两种旱地土壤的铵态氮和硝态氮含量（P0.05），黑土分别提高了19.7%和32.9%，潮土分别提高了59.0%和120倍；红壤性水稻土铵态氮和硝态氮含量受有机-无机肥配施处理影响显著（P0.05），分别提高了81.0%和53.0%。 3.外源氮能够提高土壤不同形态有机氮含量，尤其是有机肥显著提高了黑土氨基酸态氮、酸解未知氮和非酸解性有机氮的含量（P0.05），提高幅度分别为15.0%、24.7%和23.7%；显著提高了潮土酸解性有机氮和酸解性铵态氮的含量（P0.05），提高幅度分别为25.3%和39.3%；显著提高了红壤性水稻土非酸解性有机氮的含量（P0.05），提高幅度为16.7%。 4.外源氮对土壤各形态有机氮占全氮的比例影响较小，处于动态平衡。黑土各形态有机氮占全氮比例的顺序是：氨基酸态氮（29.9%～31.2%）非酸解性有机氮（22.9%～25.4%）酸解性铵态氮（21.6%～24.8%）酸解未知氮（16.2%～19.3%）氨基糖态氮（3.8%～4.7%）；潮土各形态有机氮占全氮比例的顺序是：非酸解性有机氮（30.6%～32.6%）氨基酸态氮（28.9%～31.9%）酸解性铵态氮（18.5%～21.2%）酸解未知氮（12.0%～14.0%）氨基糖态氮（4.3%～5.6%）；红壤性水稻土各形态有机氮占全氮比例的顺序是：氨基酸态氮（26.5%～30.4%）非酸解性有机氮（24.4%～28.2%）酸解未知氮（18.3%～23.1%）酸解性铵态氮（16.5%～20.1%）氨基糖态氮（4.5%～5.2%）。 5.作物收获时，有机肥氮对黑土和水稻土铵态氮和硝态氮贡献大于化肥氮，黑土铵态氮和硝态氮分别有53.6%和66.2%来自于有机肥氮；红壤性水稻土铵态氮和硝态氮分别有53.1%和26.6%来自于有机肥氮；化肥氮对潮土铵态氮和硝态氮贡献大于有机肥氮，潮土铵态氮和硝态氮分别有26.4%和27.4%来自于化肥氮。 6.不同种类外源氮对土壤有机氮含量变化的贡献不同。外源化肥氮直接影响黑土氨基酸态氮和酸解性铵态氮及氨基糖态氮、潮土酸解性铵态氮和非酸解有机氮、红壤性水稻土酸解未知氮和非酸解性有机氮含量的变化，残留化肥氮占土壤各形态有机氮含量的2.6%～7.8%；外源有机肥氮对黑土酸解性铵态氮和氨基糖态氮、潮土酸解未知氮和非酸解有机氮、红壤性水稻土氨基酸态氮和氨基糖态氮及酸解未知氮含量的变化起主导作用，残留有机肥氮占土壤各形态有机氮含量的4.5%～10.7%；在有机-无机肥配施情况下，在黑土酸解性铵态氮和氨基糖态氮、潮土酸解性铵态氮和氨基糖态氮及酸解未知氮、红壤性水稻土氨基酸态氮和酸解性铵态氮及氨基糖态氮的变化中有机肥氮起主要作用，残留有机肥氮占土壤各形态有机氮含量的1.6%～4.6%。 7.外源氮均能提高水稻生育期内土壤铵态氮和硝态氮含量。外源有机肥氮和化肥氮均在拔节期对土壤铵态氮、硝态氮贡献最大，分别达82.6%、38.6%和30.8%、27.6%；有机-无机肥配施中外源有机肥氮在拔节期对土壤铵态氮贡献最大，达38.9%，在分蘖期对土壤硝态氮贡献最大，达17.4%。 8.不同外源氮向土壤各形态有机氮转化过程不同。化肥氮在分蘖期主要向酸解性铵态氮转化、拔节期主要向氨基酸态氮转化、灌浆期和成熟期主要向非酸解性有机氮转化，分别占化肥残留总氮的45.5%、34.5%、30.9%和41.3%；有机肥氮在分蘖期和拔节期主要向酸解性铵态氮转化、灌浆期主要向酸解未知氮转化、成熟期主要向氨基酸态氮转化，分别占有机肥残留总氮的67.8%、36.8%、34.1%和32.0%；有机-无机肥配施中有机肥氮在分蘖期主要向酸解未知氮转化、拔节期主要向酸解性铵态氮转化、灌浆期主要向非酸解性有机氮转化、成熟期主要向氨基酸态氮转化，分别占有机肥残留总氮的54.2%、38.6%、34.6%和42.4%。 9.不同外源氮均可以提高作物根系、茎叶生物量及籽粒产量，其中有机-无机肥配施作物产量相当于或优于肥料单施。有机-无机肥配施使有机肥氮的利用率提高了34.1%～130%，对产量的贡献提高了2.4%～28.4%。 综上所述，不同类型外源氮对不同土壤氮库的影响不同，在土壤中的形态转化规律也不同，其中有机-无机肥配施（30%有机肥氮替代化肥氮）促进了有机肥氮向土壤氨基酸态氮、酸解性铵态氮、酸解未知氮和铵态氮、硝态氮等有效态氮转化，并提高了作物对有机肥氮的利用率和对产量的贡献，提高了有机肥的有效性，是土壤培肥的有效途径，可提高有机肥资源利用，减少环境污染风险。