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長期施肥對紅壤固氮菌影響研究等近期5則土壤科學研究進展
來源: | 作者:中科院 | 發布時間: 2018-06-07 | 949 次瀏覽 | 分享到:
近期5則土壤科學研究進展。
來源:根據中科院網站、土壤與農業可持續發展國家重點實驗室網站相關報到整理

生物質炭和抑制劑對潮土N2O和NO影響研究取得進展


農田生態系統是大氣N2O和NO的重要排放源。N2O作為重要溫室氣體之一,不僅產生溫室效應,還會間接破壞臭氧層;NO可促進生態系統酸化和富營養化,二者排放不僅降低氮肥利用率,還會產生環境污染。施用生物質炭和抑制劑具有增加作物產量和降低N2O排放等的效果。然而對土壤NO排放影響的研究相對較少。


中科院南京土壤研究所丁維新課題組采用田間小區試驗,研究了生物質炭和抑制劑對華北平原潮土N2O和NO的影響。試驗包括9個處理:不施氮肥(control)、單施化肥(N)、化肥+3 ton ha-1生物質炭(NB3)、化肥+6 ton ha-1生物質炭(NB6)、化肥+12 ton ha-1生物質炭(NB12)、N+硝化抑制劑、NB3+硝化抑制劑、NB6+硝化抑制劑和NB12+硝化抑制劑。生物質炭施用于前一年玉米季,抑制劑則在當季施用。


研究發現,玉米季氮肥施用后N2O和NO均出現明顯的排放峰,并且基肥施用后NO排放峰值顯著高于N2O。除對照處理外,施肥處理的NO/N2O比值為1.11-1.72,表明N2O和NO主要來自硝化作用。N處理土壤N2O和NO排放量分別為1.00 kg N2O-N ha-1和1.39 kg NO-N ha-1,而NB3、NB6和NB12處理則分別下降至0.81-0.85 kg N2O-N ha-1和1.31-1.35 kg NO-N ha-1。添加抑制劑對土壤N2O排放無影響,但是顯著降低NO排放。施用生物質炭和抑制劑均未對玉米產量和氮吸收量產生影響。


結果表明,前一年施用的生物質炭對次年土壤N2O和NO排放無顯著作用;抑制劑對土壤N2O無影響,卻顯著降低了NO排放,可能是由于土壤低水分含量限制了反硝化作用,屏蔽了生物質炭和抑制劑對土壤N2O排放的潛在作用。


該研究結果發表在Biology and Fertility of Soils。




玉米季不同土壤WFPS下N2O對抑制劑響應的變化


生物質炭和抑制劑對稻田氨揮發影響研究取得進展


氨揮發是農田生態系統氮素損失的重要途徑之一,不僅降低經濟效益,而且造成嚴重的環境污染。盡管生物質炭和抑制劑在土壤固碳和N2O減排等方面具有良好的效果,但是對稻田氨揮發損失的影響尚存爭議。


中科院南京土壤研究所丁維新課題組采用田間小區試驗,研究了生物質炭和抑制劑對稻田氨揮發的影響。試驗包括7個處理:不施氮肥(Control)、單施化肥(N)、單施生物質炭(B)、化肥+生物質炭(NB)、NB+脲酶抑制劑(NBUI)、NB+硝化抑制劑(NBNI)和NB+脲酶抑制劑+硝化抑制劑(NBDI)。


研究發現,生物質炭添加當年NB處理顯著增加了稻田氨揮發(14.1%),損失量與田面水的pH和NH4+-N濃度呈線性正相關,表明生物質炭施用提高了田面水pH,導致氨揮發增強;相反,次年顯著降低了氨揮發,可能與土壤NH4+吸附和硝化作用增強有關。生物質炭與硝化抑制劑聯用(NBNI)連續兩年顯著增加了稻田氨揮發,而生物質炭與脲酶抑制劑聯用(NBUI)則顯著降低了氨揮發。NBDI處理在生物質炭添加當年對氨揮發沒有影響,但是生物質炭施用次年顯著降低了氨揮發(19.8%)。生物質炭與氮肥聯用(NB)以及與脲酶抑制劑(NBUI)或者兩種抑制劑聯用(NBDI)都增加了水稻產量(7.4–16.5%)。


研究結果為稻田生態系統生物質炭的合理施用提供了理論依據。


該研究結果發表在Agriculture, Ecosystems and Environment上。

生物質炭和抑制劑對yield-scale NH3 volatilization的影響


長期施肥對紅壤固氮菌影響研究取得進展


生物固氮對減少農田生態系統氮肥施用具有重要作用,固氮菌是生物固氮的主要參與者。很多研究表明,固氮菌受土壤理化性質變化影響,然而長期施肥如何影響紅壤固氮菌豐度、多樣性和群落結構仍存在很大的不確定性。


中科院南京土壤研究所丁維新課題組以中科院鷹潭紅壤生態試驗站有機無機肥長期定位試驗為研究平臺,利用定量PCR技術和現代分子生態學分析方法,研究了長期施肥對紅壤固氮菌的影響。試驗包括7個處理:不施肥(Control)、單施化肥(N)、化肥+石灰(NL)、化肥+花生秸稈(NPS)、化肥+水稻秸稈(NRS)、化肥+蘿卜菜(NR)和化肥+豬廄肥(NPM)。


研究發現,長期施肥顯著降低了固氮菌的豐度和多樣性,而施用石灰和豬廄肥進一步降低了固氮菌豐度和多樣性,兩者與土壤pH呈顯著負相關,表明提高土壤pH可能會降低紅壤的固氮潛力。NPS、NRS和NR處理土壤的固氮菌群落結構與N處理相似,表明作物殘留物還田不會顯著影響紅壤固氮菌群落結構。相反,石灰和豬廄肥施用顯著改變了紅壤固氮菌的群落結構,優勢固氮菌從Control處理的Bradyrhizobium分別演替為Azohydromonas和Azospirillum,而誘導演替的關鍵因子是土壤pH。


本研究結果加深了對長期施肥管理下紅壤固氮菌特征的認知,為進一步挖掘和構建紅壤固氮菌群落提供了理論依據。


該研究結果發表在Soil Biology and Biochemistry上。


長期施肥對固氮菌豐度的影響



 長期施肥對固氮菌群落結構的影響


 水稻土微生物殘留物對氮素的響應研究獲進展


微生物是土壤有機碳轉化的重要參與者,其通過合成代謝作用將有機碳轉化為自身細胞組成,待其死亡后以微生物殘體形式在土壤中積累。其中,氨基糖是微生物細胞壁的重要組成部分,也是土壤穩定有機碳的重要來源。水稻土作為一種重要的碳匯場所。在淹水條件下,由于水中溶解氧的擴散作用,在水稻土表層形成一層約1cm深的含氧層,其較高的Eh、pH 和含水量,可能造成它與下層(>1cm)的微生物種群、碳和氮的生物地球化學轉化過程不同。


基于此,中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員蘇以榮團隊以13C-水稻秸稈為碳源,研究了水稻土0-1cm和1-5cm土層中微生物代謝產物(氨基糖)對氮素((NH4)2SO4)的響應過程。結果表明,添加無機氮能夠顯著增加0-1cm土層內微生物利用外源碳合成的氨基葡萄糖、氨基半乳糖和胞壁酸的含量,而在1-5cm土層中并沒有類似結果。培養前期,微生物利用外源碳合成的氨基糖在1-5cm土層顯著高于0-1cm的土層。其原因可能是,氧化層發生了氨氧化作用,使得1-5cm還原層的銨態氮含量高于0-1cm氧化層,而微生物在利用氮素的時候優先利用銨態氮而不是硝態氮,促使還原層氨基糖合成量比氧化層高。總氨基糖中真菌和細菌殘留物的比值是12.5-14.6,而利用外源碳的真菌和細菌的殘留物比值為1.0-1.7,說明真菌和細菌對外源有機碳分解的貢獻相當,而對原有有機碳的轉化則以真菌占主導。


此項研究指出在水稻土中由于不同層次含氧量不同,造成微生物對碳氮的利用、轉化與循環差異,其結果為稻田生態系統微生物殘留物固碳的氮素調控提供科學基礎。


該項研究近期以Effect of nitrogen fertilization on the fate of rice residue-C in paddy soil depending on depth: 13C amino sugar analysis 為題發表在土壤學國際期刊Biology and Fertility of Soils上。該研究得到了國家重點研發計劃 (2016YFD0200106, 2017YFC0505503)、國家自然科學基金(41671298, 41430860)和亞熱帶生態所青年創新團隊項目(2017QNCXTD_GTD)的支持。


圖1 5天和100天時,水稻土中微生物利用外源碳生成的氨基糖對氮素添加的響應


圖2 5天和100天時,水稻土中微生物利用原有碳和外源碳生成的氨基葡萄糖(真菌來源)與胞壁酸的比值


成都生物所在樹木對土壤水、氮有效性的響應研究中獲進展


    關于樹木對水氮響應的研究很多,但在土壤系列水氮供應下,其響應模式如何以及相關機制都不得而知。在研究樹木對不同土壤水氮有效性的響應模式和機制中,利用幼苗較林分研究更簡單易行。這不僅可以為評估育苗、乃至定植時幼苗生長響應提供可靠的信息;也可從生態生理機制方面為林分水平的診斷和生長的預測提供依據。


中國科學院成都生物研究所研究員尹春英、劉慶與美國杜克大學教授Ram Oren等合作,以川西亞高山森林廣泛分布的主要針、闊樹種云杉(Picea asperata)和紅樺(Betula albosinensis)為研究材料,通過控制試驗研究了其在系列土壤水分狀況下對不同氮供應的響應。研究表明:云杉作為耐陰樹種,土壤水分低于60%FC時,水分限制了其生長;而土壤水分高于60%FC,其生長主要是氮限制。而喜光樹種紅樺從水分限制到氮限制發生在更低的土壤水分。云杉的響應模式主要體現在根的響應上;葉片光合作用(包括光合-水分利用效率和光合-氮利用效率)的響應也與生長響應一致。而紅樺主要是葉面積動態決定著其響應模式。總之,速生樹種紅樺當水氮資源不受限制時,能充分利用資源在較窄的土壤水氮有效性范圍內達到其最大生長,并且在中等水氮供應時優先分配到地上部分以獲取資源;而云杉在水分受限時隨著水分供應增加逐漸增加地上生長;當水氮資源充足時優先生長更多的根。該研究對于不同降水地區的森林在氮沉降背景下生長和響應預測也具有重要意義。


該研究在國家自然科學基金(No. 31370495,31070533)等項目的資助下完成。近日以Differential responses of Picea asperata and Betula albosinensis to nitrogen supply imposed by water availability 為題發表在林學Top期刊Tree Physiology上。

 
圖1. 實驗布置 


圖2. 云杉(A)和紅樺(B)對水、氮供應的響應 



圖3. 基于近年來木本植物對水氮響應的相關研究,針葉樹種(A)和落葉闊葉樹種(B)對水、氮供應的響應