华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应研究

华北平原是我国重要粮食生产基地,农业生产中,片面追求高产,过量施肥现象普遍存在,由此造成了肥料利用率低下,氮素损失严重,对环境造成了巨大压力,影响到本区域农业经济和生态环境的可持续发展。本文对中国科学院栾城农业生态系统试验站建站以来有关农田氮素过程方面的研究成果进行了梳理,从相关长期定位试验介绍、氮素转化研究方法的创新集成、氮素过程通量与转化机制研究、氮素综合管理与调控等方面入手,全面汇总了有关华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应的研究进展。自建站以来先后建立了8组与氮素有关的长期定位试验,基于此开展了土壤培肥与高产高效、养分循环再利用、农田生态过程及其对人为干扰和环境变化响应和反馈效应等方面的试验研究。研究过程中不断对研究方法进行完善与创新,建立了N_2高背景浓度下原位土壤反硝化研究的方法体系,为土壤反硝化室内机理与原位无扰动反硝化脱氮总量及产物构成规律研究提供了新的方法;量化了乙炔抑制法测定反硝化的系统误差,为克服乙炔抑制法的误差提供了新的技术途径;建立了深层土壤剖面气体监测的技术体系,使N_2O的研究由单纯的农田排放通量测定扩展到深层土体N_2O的产生机制、扩散与还原过程研究,为定量深层土壤产生的N_2O对表层排放的贡献提供了技术支撑。通过对农田氮素转化机制、过程通量及其环境效应的综合研究,分析了该区域农田生态系统氮素平衡状况,定量评价了农田氮素不同损失途径的相对重要性,提出了阻控氮损失、提高肥料利用率的合理调控途径。

氮素调控对玉米氮素同化过程及产量的影响

氮素调控措施与作物氮素吸收利用和产量密切相关,但目前关于不同氮素调控措施对玉米主要生育期氮素同化过程的影响仍不清楚。以郑单958为试验材料,设置不施氮肥(CK)、传统施肥(CN)、氮肥+生物炭(SN)和氮肥+硝化抑制剂DMPP(DN)4个处理,分析不同氮素调控对玉米氮素同化过程中铵态氮和硝态氮含量、硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性、游离氨基酸和可溶性蛋白含量以及氮素利用率和产量的影响。结果表明:DN和SN处理较传统施肥处理均可以提高玉米植株体内硝态氮和铵态氮含量、NR和GS活性;DN和SN处理显著提高灌浆期谷氨酸、游离氨基酸和可溶性蛋白含量;DN处理成熟期籽粒的氮素积累量显著高于SN和CN处理,分别显著增加18.4%和30.0%;DN处理产量最高,SN次之,二者并无显著差异,但相较CN处理分别显著增产1 483.0和1 154.2 kg·hm^(-2)。两种氮素调控均促进了玉米对氮素的吸收,显著提高氮肥吸收利用率,其中硝化抑制剂处理氮肥吸收利用率最高且显著高于其他处理。综上,生物炭或硝化抑制剂配施氮肥,可以促进玉米氮素同化和转运过程,显著提高玉米产量和氮肥利用效率,综合产量、籽粒氮素积累量和氮肥吸收利用率,硝化抑制剂配施氮肥可作为淮河流域玉米高产高效的栽培措施。

湟水河西宁段水体和沉积物中氮素转化关键过程与影响因素分析

于丰水期(2018年7月)和枯水期(2019年4月)分别在湟水河西宁段典型断面采集水体和沉积物样品共58个,枯水期同时采集污水处理厂出水样6个。利用实时荧光定量PCR方法,对12种氮转化功能基因进行定量分析。结果表明,湟水河平均总氮浓度为3.06±1.23(1.308~6.51)mg/L。水体和沉积物中相对丰度较高的氮转化功能基因是narG,nirS和nosZ。氮转化功能基因的丰度和组成在沉积物中存在明显的季节差异,在水体中无明显季节差异。关键氮素转化过程是反硝化,对水体和沉积物氮素的去除贡献率分别为88%和98%。水体氮素转化主要受pH值、总氮及NO_(3)^(-)-N调控,其中,氨氧化与NO_(3)^(-)-N浓度负相关,反硝化与pH负相关。沉积物氮素转化与水体氮素浓度、沉积物pH值、总氮、总磷和有机碳等相关,其中,氨氧化与水体氮素浓度负相关,而反硝化主要受沉积物性质影响。进一步的分析结果表明,污水处理厂排放会显著降低水体中AOA-amoA,CMX-amoA,nirS,nxrB,napA,narG和hzsA等基因的丰度,增加nrfA基因的丰度,使反硝化、厌氧氨氧化、硝化和完全硝化等过程受到抑制,硝酸盐异化还原成铵(DNRA)对水体氮素去除的贡献提高。受影响河段沉积物中,AOA-amoA,nxrB和CMX-amoA等基因丰度显著降低,硝化和完全硝化过程受到抑制。研究结果可为湟水河西宁段氮素污染控制提供科学依据。

Advances in Nitrogen Denitrification and N_2O Emission in Agro-ecosystem

Nitrification and denitrification are two key links of nitrogen flow cycle in soil.N2O and N2,generated from biochemical process of nitrogen,can cause not only the nitrogen losses and reduction of nitrogen use efficiency,but also the boosted concentration of greenhouse gases,severely endangering the environment.Accordingly,nitrification-denitrification has been more and more concerned from whether an agricultural view,or an environmental one.Referring to the related literatures published at home and abroad in recent years,we overviewed the denitrification-caused N loss and N2O emission in various agro-ecosystems,and based on which we put forward countermeasures to reduce the denitrification-caused N loss and N2O emission and its research prospects in the future.