半干旱农田生态系统长期施肥对土壤有机氮组分和微生物体氮的影响

在半干旱农田生态系统红油土上20年的肥料定位试验表明,施用秸秆和厩肥会显著改变耕层土壤有机氮组分和微生物体氮。施肥后酸解性氮的含量及比例明显增加,非酸解性氮含量下降。酸解性氮在不施肥时含量最低(646.3 mgN·kg-1),其次为施用化肥(684.3 mgN·kg-1),同时施用秸秆和化肥居中(794.1～950 mgN·kg-1),施用厩肥和化肥最高(1 103.2 mgN·kg-1)。各处理中,酸解性氮是土壤全氮的主体,占全氮的 73.4%～82.6%,这一比例从仅施化肥、对照、化肥+ 低量秸秆、化肥 +中量秸秆、化肥+ 高量秸秆到化肥+ 厩肥呈增加趋势。休闲处理酸解性氮所占比例(81.0%)较种植处理(74.4%)高。在酸解性氮中,施肥影响最显著的是氨基酸氮,施肥后平均增加148.7 mgN·kg-1;其次是氨态氮,平均增加 45.8 mgN·kg-1。这两类酸解性氮组分在配施秸秆和厩肥后增加幅度较大,并随秸秆用量增加而增加。对不同氨基酸成分,施肥影响程度不同,施肥后中性氨基酸平均增加82.6 mgN·kg-1,碱性氨基酸平均增加 48.2 mgN·kg-1,酸性氨基酸平均增加 16.4 mgN·kg-1。不施肥处理微生物体氮为 102.1 mgN·kg-1,施用化肥为 107.4 mgN·kg-1。在施化肥的基础上,配施有机物料,微生物体氮显著增加:在每年每公顷施 9 375、18 750、37 500 kg 新鲜?

土壤微生物体氮的季节性变化及其与土壤水分和温度的关系

以杨陵土垫旱耕人为土(中等肥力红油土)为供试土壤进行田间试验和室内培养试验,研究土壤微生物体氮的动态变化及其土壤含水量和温度的关系。结果表明,田间土壤微生物体氮的变化有明显的季节性;夏季最高,冬季最低,其它时期居中;且与土壤温度有显著或极显著的正相关性,相关系数在0.855以上;试验期间土壤水分含量在10%以上,基本能满足微生物活动所需,因而微生物体氮的变化与水分关系并不密切。应用培养试验结果进一步证明了田间试验结果,即在4～36℃范围内,微生物体氮与温度呈线性相关,而在土壤含水量为6.75%～23.23%范围内,与水分呈指数相关关系,当土壤水分小于10.87%时,水分对微生物体氮有突出结果,当超过10.87%后,几乎没有影响。频繁的干湿交替会使微生物体氮显著减少,但冻融交替却无明显影响。

半干旱农田生态系统作物根系和施肥对土壤微生物体氮的影响

盆栽和大田试验表明,作物根系显著影响土壤微生物体氮的含量。在田间试验条件下,根际土壤微生物体氮比非根际土壤平均高出N54 7μg/g;盆栽试验中,根际土壤微生物体氮平均含量为N77 1±13 6μg/g,而非根际土壤为N65 2±17 0μg/g,差异达显著水平,根际微生物体氮含量为非际根际土壤的1 10～2 04倍。施肥能明显增加土壤微生物体氮含量,但影响程度因肥料种类而不同。秸秆和富含有机物质的厩肥对土壤微生物体氮的影响远大于化学肥料,而且土壤微生物体氮含量随秸秆施用量增加而增加。在红油土上进行的20年长期田间定位试验结果表明,对不施肥和施氮磷处理,0—20cm土层的微生物体氮分别是N102 2和110 4μg/g;在施氮磷的基础上,每公顷配施新鲜玉米秸秆9375kg、18750kg、37500kg和厩肥37500kg时,相应土层微生物体氮分别是N147 5、163 2、286 4和265 3μg/g。培养条件下,当有效能源物质缺乏时,微生物对NH+4-N的同化固定能力远大于NO-3-N,但在加入有效能源物质葡萄糖后,微生物对2种形态氮的固定量大幅度增加,且对2种形态氮的固定量趋于一致。

土壤微生物体氮与可矿化氮关系的研究

同时应用大田试验和室内培养试验研究土壤微生物体氮与可矿化氮之间的相关性。试验结果表明,田间条件下,土壤微生物体氮与可矿化氮之间的关系不密切,但在培养试验中,微生物体氮与淹水培养法、硝化培养法和Stanford短期淋洗通气法测定的可矿化氮间有显著的线性关系,相关系数在0.767(p<0.01,n=12)以上。田间试验结果和室内培养试验结果的不一致性,与试验条件的差异有关。新形成的微生物体氮易降解,而原有土壤微生物体氮却相对稳定。

不同生态系统土壤微生物体氮的差异

分别采取森林、草原、草甸和农田土壤，用熏蒸—淹水培养法测定土壤微生物体氮，并由微生物体碳、氮之比计算微生物体碳，研究不同生态系统土壤微生物体氮、碳的差异及其与土壤有机质间的关系。结果表明，不同生态系统土壤中的微生物体氮存在显著差异：森林土壤（４０３．２μｇ／ｇ）＞草甸土壤（３４０．８μｇ／ｇ）＞草原土壤（３０１．２μｇ／ｇ）＞农田土壤（６２．４～１３７．６μｇ／ｇ），自然植被土壤远高于农田土壤。在任何情况下，上层土壤微生物氮高于下层。土壤微生物体氮与土壤有机质和全氮的变化规律一致。平均土壤微生物体氮是全氮的９．２４％～９．９４％，微生物体碳是有机碳的６．０４％～８．９１％。

有机物料和氮肥相互作用对微生物体氮的影响

培养和田间试验表明，有机物料（作物茎叶和有机肥）和氮肥对土壤微生物体氮的影响有着显著的交互作用。交互作用的大小与有机物料和氮肥的种类有关，因而也与有效碳源和矿质氮的比例有关。有机物料与硝态氮的交互作用大，而与铵态氮的交互作用小，前者是后者的２．７倍，这种差异与微生物对两种形态氮的固定不同有关。有机物料Ｃ／Ｎ比的影响表现为随着Ｃ／Ｎ比增大，交互作用增加，并且在有机物料分解前期的交互作用大于中、后期；有效碳源（葡萄糖碳）与土壤中矿质氮（包括肥料氮）比值为０．１时，交互作用最大，低于或高于这一比值时，交互作用减小。

土壤微生物体氮测定方法的研究

用熏蒸 0 5mol/LK2 SO4 直接浸取NH+ 4 N法 (简称薰蒸 铵态氮法 ) ,熏蒸 淹水培养法和熏蒸 通气培养法测定了有机质、全氮和C/N比差异较大的 15种土壤的铵态氮增量 (FN)。结果表明 ,它们之间有极显著的正相关 ,在反映土壤微生物体氮上有相同趋势。两种培养方法测定的FN 近乎一致 ,由此而计算的微生物体氮也几乎相同。对红油土铵态氮法测定值仅为两种培养法的 1/ 10。把铵态氮法中的FN 校正后 ,其结果与 2种培养法测定的微生物体氮同样近乎一致。用 3种方法测定的微生物体氮均与土壤有机碳存在显著正相关性。淹水培养和铵态氮法水分条件易控制 ,又无NH3的挥发损失 ,比通气培养法更加优越。对培养试验和长期肥料定位试验的土样测定结果表明 ,土壤中易矿化新鲜有机物料也会使熏蒸 淹水培养法测定的FN 显著下降 ,由此而计算的微生物体氮也显著减少 ,但熏蒸 铵态氮法测定的FN 不受新鲜有机物质的影响。与土壤微生物数目进行比较后发现 ,土壤中含易分解有机物质少或微生物体氮含量低时 ,选用熏蒸 淹水培养法测定误差小 ;当土壤中富含新鲜有机物质时 ,熏蒸 铵态氮法测定的结果更加可靠。用这两种方法在同类土壤上测定的FN 的比值相对稳定 ,微生物体氮 (BN)的平均比值为 0 98～ 1 0 1。

影响土壤中微生物体氮的因子

综述了影响土壤微生物体氮的因子,以及微生物体氮与可矿化氮之间的关系。着重讨论了土壤有机质、有机物料、氮肥、作物根系、土壤温度和湿度对微生物体氮的影响及研究进展;评价了土壤微生物体氮与可矿化氮的关系的研究结果。

关中地区农田生态系统土壤微生物体氮分异性研究

对陕西关中不同地区农田土壤测定结果表明 ,微生物体氮是土壤有机氮库的重要组成部分 ,占土壤全氮的 0 .38%～ 2 0 .55%,平均为 6.80 %。土壤微生物体氮具有显著的分异性 ,表现为不仅具有显著的水平变异性 ,也存在明显的垂直分异性 :随着土层深度增加 ,微生物体氮下降 ,层次间的这种差异十分显著。在耕层 ,土壤微生物体氮与土壤有机质间有密切的正相关关系 ,而在下层它们之间的相关性并不明显 ,这一结果表明 ,耕层土壤有机质是影响土壤微生物体氮的一个主要因子 ;而在耕层以下 。

西北地区不同生态系统几种土壤有机氮组分和微生物体氮的差异

对采自西北地区森林、草甸、草原和农田不同生态系统的12种土壤,进行了土壤有机氮组分和微生物体氮的测定.结果表明,不同生态系统土壤中各有机氮组分含量差异甚大,其变化规律与土壤全氮基本一致,表现为自然土壤中各有机氮组分含量大于农田土壤.在供试的12种土壤中,酸解性氮为 472.7～4 021.9 mg/kg,平均为1 303.5±1 153.2 mg/kg, 占全氮的72.67%±4.01%; 随土层增加,酸解性氮所占比例下降,在 0～20 cm平均为 77.1%±3.96%(n=3),20～40 cm为 70.1%±2.48%.未酸解氮含量为 181.1～1 888.1 mg/kg (平均 509.9±21.7 mg/kg),是全氮的20.58%～31.95%(平均 27.33%±4.02%),与酸解性氮相反,下层土壤非酸解性氮占全氮的比例显著大于上层.在酸解性氮中,氨基酸氮含量变化在 195.1～2 283.9 mg/kg (平均 671.4±685.8 mg/kg) , 是全氮的25.67%～48.18%(平均 34.24%±4.2%),自然土壤中氨基酸氮所占全氮比例较农田土壤大,自然土壤平均为 40.8%±4.2%(n=5),而农田土壤平均为29.6%±4.8%(n=7); 氨态氮分布在 81.8～662.5 mg/kg (平均233.7±226.9 mg/kg)范围,占全氮的8.89%～18.99%(平均 12.85%±3.03%);氨基糖态氮含量为 46.0～665.3 mg/kg (平均 162.1±184.6 mg/kg),是全氮的 6.29%～11.99%(平均 8.13%±1.91%),绝大部分土样的氨基糖占全氮比例在 10%以下;未知氮含量分布在101.6～430.6 mg/kg (平均 237.1±117.9 mg/kg),是全氮的 5.56%～28.11%(平均 17.48%±8.55%),在森林土和草甸土中所占全氮比例分别为 7.16%和 5.56%,远低于草原土壤(19.55%)和农业表层土壤(23.65%±6.17%).微生物体氮在不同生态系统土壤中也存在着很大差异,从森林土、草甸土、草原土到农业土壤,表层土壤微生物体氮依次下降,其含量分别为 403.2、 340.8、 302.1和 93.1±26.1 mg/kg,不管是那种土壤,下层的测定值均小于上层.微生物体氮虽然与各种有机氮组分间达极显著正相关,但对微生物体氮变化给出的解释程度不同:酸解氮(84.6%)大于非酸解氮(68.1%);酸解氮中的NH3-N(86.7%)大于氨基酸氮(78.9%)、氨基糖氮(66.1%)和酸解未知氮(52.0%).在氨基酸中,碱性氨基酸的贡献最大,为 87.2%,酸性氨基酸、中性氨基酸和含硫氨基酸相差不大,变化范围为77.6%～78.7%,总体上看易矿化有机氮组分对微生物体的贡献较大.

长期不同施氮量下微生物残体氮对土壤氮库稳定性和玉米氮素吸收的影响

在农田生态系统中,化肥氮的施用是保障粮食高产稳产并维持土壤氮库稳定的重要管理措施,土壤微生物既是土壤氮素矿化的驱动者,也是土壤氮素固持的贡献者,在氮素保蓄和供应方面发挥着积极作用,直接影响作物的氮素吸收利用。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦-玉米轮作农田14年长期不同施氮水平定位试验,选取玉米季施氮量150 kg(N)·hm^(-2)(N150)、200 kg(N)·hm^(-2)(N200)和300 kg(N)·hm^(-2)(N300)3个典型处理,通过微区施用15N标记氮肥,在收获期测定玉米产量、地上部总吸氮量和肥料氮吸收量,分析0~20 cm土层土壤全氮(TN)、微生物残体氮[MRN,包括真菌残体氮(FRN)和细菌残体氮(BRN)]、固定态铵(FN)、矿质氮(NH_4^(+)-N+NO_(3)^(-)-N,MN)和其他有机氮(ON)含量及不同氮库对^(15)N的截获,并通过多元回归分析和路径分析建立各形态氮库与玉米氮素吸收的相关关系,研究土壤“老氮”和肥料“新氮”在土壤氮库中的分配及其对作物吸收利用的影响,为研究区氮肥高效利用和地力培肥提供理论支撑。结果表明,玉米产量和氮素吸收以及土壤TN含量均以N200最高,此施氮量有利于作物高产和土壤氮库培育。N300的肥料氮吸收和残留量高于N200,表明N300的土壤氮“激发效应”强于N200,会诱导土壤“老氮”的更多矿化和损失,其土壤TN库稳定性差、更新程度较大。总氮库中,MRN占主导,N200显著高于其他处理,对TN的贡献均在50%以上,且FRN主导了MRN的累积。N200的土壤FRN∶BRN比值显著高于N150和N300,表明适宜施氮可显著提升真菌在氮素积累中的贡献,提升土壤氮库的稳定性;施氮不足(N150)或过量施氮(N300)提升了细菌在氮素积累中的贡献,不利于稳定土壤氮库。N300的MN和FN含量显著高于其他处理,表明过量施肥更多提升的是活性氮库。由此可见,适宜施氮可优化土壤氮库分配,促进更多的氮进入微生物残体氮库,显著提高土壤微生物途径对氮的固持作用,促进土壤对氮素的保蓄与供应良性运行,保障了玉米氮素吸收与产量形成,为指导华北平原农田地力培肥与氮肥减施提供了科学依据。

连续施用氮肥对旱地土壤氮素状况的影响

在半湿润易旱地区红垆土上进行的大田试验表明，连续施用氮肥显著影响硝态氮在土层中的残留累积、０～２０ ｃｍ 土层微生物体氮和矿物固定态氮。当每作施氮量达到１１２５ ｋｇ／ｈｍ ２ 时，则发生残留硝态氮的累积，并随施氮量增加，残留量增加，当每作施氮量低于 ７５０ ｋｇ Ｎ／ｈｍ ２ 时，不会出现硝态氮的残留累积。补充灌水后，作物产量、吸氮量和氮肥利用率提高，则累积的残留硝态氮显著下降。微生物体氮和施氮水平及作物产量之间的关系：施肥加灌水，作物地上、地下部分生长量增加，土壤中作物残体增加，能源物质充分，微生物体氮相应增加。施肥和灌水对矿物固定态氮的影响与对残留硝态氮和微生物体氮的影响不同，与试验开始时相比，不施氮，矿物固定态氮显著下降，施氮后却保持着试验开始时的水平，表明施用氮肥对维持土壤矿物固定态氮库的稳定具有重要意义。

土壤氮素矿化过程中非交换铵态氮的变化

采用室内通气和淹水培养 ,研究了培养过程中土壤非交换铵态氮的变化及其对有机氮矿化量和微生物体氮的影响。结果表明 ,淹水培养过程中产生的铵态氮会被粘土矿物固定 ,使供试土壤非交换铵态氮显著增加(30 .0～ 14 2 .4 μg·g-1) ,从而导致有机氮矿化量的测定结果偏低。经过长期间歇淋洗通气培养后 ,在供试的 2 0个土样中 ,有 4个土样的非交换铵态氮增加 ,16个土样的非交换铵态氮减少 ;与培养前相比 ,2 0个土样非交换铵态氮平均下降 2 8.8μg·g-1(P <0 .0 1) ,显然 ,在长期间歇淋洗通气培养中有一部分非交换铵态氮释放出来 ,成为淋洗液中的矿质氮 ,从而使土壤有机氮矿化量测定结果偏大 :如果不考虑培养前后非交换铵态氮变化 ,培养 2 6 2d后累积的有机氮矿化量为 116 .0 μg·g-1;如果考虑非交换铵态氮变化 ,则有机氮矿化量为 87.2 μg·g-1,相差 2 8.8μg·g-1(P<0 .0 1)。在测定土壤微生物体氮时 ,熏蒸后接种土壤经过淹水培养 ,与未熏蒸土壤相比 ,形成大量铵态氮 ,导致非交换铵态氮增加 ,供试的 15个土壤平均增加 2 2 .2 μg·g-1(P <0 .0 1) ,相当于 88.7μg·g-1的微生物体氮。因此 ,仅用淹水培养后熏蒸与不熏蒸土样K2 SO4浸取态铵态氮的差值计算微生物体氮 ,结果偏低。