施用氮肥会导致土壤pH值降低,其对不同无机碳含量的土壤二氧化碳(CO2)释放的影响如何,尚不清楚.采用室内密闭培养试验研究了氮肥及其配施硝化抑制剂(DCD)对不同无机碳含量土壤pH、矿质态氮和CO2释放的影响.结果表明:与不施氮肥相比,施用氮肥不同程度地降低了水稻土、砂姜黑土、壤土3类供试土壤的pH,提高了土壤碳累积释放量,49 d培养结束时,土壤碳累积释放量分别提高了39.4％、23.4％和71.8％;氮肥配施DCD后显著抑制了土壤硝化作用的进行,至培养结束时,3类供试土壤pH值均显著高于仅施氮肥处理,水稻土、砂姜黑土CO2平均释放量与仅施氮肥相比无显著性差异,塿土CO2平均释放量比纯施氮肥平均降低了12.5％.土壤无机碳能有效缓冲由氮肥施入而导致的土壤酸化,氮肥施入后石灰性土壤CO2释放不仅来源于土壤有机碳的矿化,可能还有一部分来源于无机碳的溶解释放.我国不同地区间土壤无机碳含量各有差异,长期大量氮肥投入下土壤酸化和无机碳库消耗问题应引起足够的重视.

以2年生马尾松(Pinus massoniana)盆栽苗土壤为对象,通过施氮肥模拟氮沉降对土壤理化性质、微生物群落结构及温室气体释放的影响,探明氮沉降对森林土壤温室气体释放的驱动机制.结果表明,模拟氮沉降处理显著提高了土壤速效氮含量和苗木根系氮含量;土壤微生物碳(SMBC)含量比对照显著下降78％,而土壤微生物氮(SMBN)则提高2.6倍.模拟氮沉降处理显著降低土壤中微生物群落总含量.施氮肥对马尾松土壤N2O和CO2的释放速率均有显著影响,增施氮肥不仅显著提高了土壤N2O的释放速率,而且CO2释放速率短期内也显著提高,但伴随微生物群落的下降,施肥后期CO2释放速率表现下降趋势.相关分析表明,土壤CO2和N2O释放与土壤pH值、土壤温度、土壤湿度、土壤速效氮含量及SMBC、SMBN相关;逐步回归分析表明,土壤硝态氮含量的变化是驱动土壤温室气体释放的主导因子.3株种植单位土壤体积内根系生物量较高,增加了土壤水分的消耗速率和氮的吸收固定,因而减少N2O的释放速率.以上研究阐明了氮沉降或过量施肥对土壤氮含量、土壤pH值、根系生物量及氮含量、土壤微生物群落结构等因子的影响,这些因子直接或间接影响土壤温室气体释放速率.氮沉降及施用氮肥是加快土壤温室气体(CO2和N2O)排放进程的重要因素.

采用室内模拟培养和13C同位素标记技术相结合的研究方法,探讨了在葡萄糖与无机氮肥共施的条件下,土壤有机碳矿化及其激发效应对外源磷添加的响应,以揭示土壤有机碳矿化的碳磷耦合调控机制.结果表明:外源磷的输入加快了CO2的释放,但抑制了CH4的释放;在整个土壤淹水培养期间,磷添加抑制了土壤碳矿化释放CH4总量的53.1％,其中外源葡萄糖-13C矿化成13CH4的总量降低了70.5％;磷添加促使通过微生物转化的葡萄糖-13C向易利用态碳库的分配比例增加了3.6％,显著提高土壤有机碳快库矿化速率,缩短土壤碳矿化周期.土壤培养前期,外源有机质的添加表现为短暂的负激发效应;随着葡萄糖不断矿化分解,CO2累积激发效应(PECO2)总体上呈现先增加后下降的趋势,而CH4累积激发效应(PECH4)稳步增加最终保持基本稳定状态;培养结束时(100 d),在磷添加条件下,PECO2增强32.3％,PECH4显著降低93.4％.冗余分析和Pearson分析表明,电导率、氧化还原电位和溶解有机碳对稻田土壤碳矿化的影响最为显著;速效磷与13CH4、PECH4呈极显著负相关.在外源有机质添加条件下,磷的添加能够抑制CH4排放及其激发效应,促进土壤有机质的矿化和养分释放,提高土壤原有有机碳的可利用性,促进稻田土壤有机碳循环.

绿肥还田是主要的农田有机培肥措施之一,外源氮素和土壤含水量是影响绿肥腐解的重要因子.本研究设置土壤含水量( 15％、30％、45％) 和施氮量( 0、60、120 mg·kg-1 )两因素三水平的室内培养试验,分析了土壤含水量和施氮量对红壤区黑麦草还田过程中的腐解和氮素释放的影响.结果表明: 相同含水量条件下,氮肥的增加没有促进黑麦草的腐解,一定程度上抑制了黑麦草还田7～ 21 d 时的腐解速率; 相同施氮水平下,土壤含水量的增加有利于促进黑麦草的腐解率; 相同土壤含水量条件下,施氮抑制了黑麦草还田7 ～ 13 d时的氮素释放率; 相同施氮水平下,土壤含水量的增加促进了黑麦草还田过程中的氮素释放率; 黑麦草还田57～91 d 时,增加土壤含水量能提高黑麦草氮素释放率,且不施氮较施氮条件下的效果更明显; 91 d 时,含水量45％和施氮量60 mg·kg-1处理的黑麦草还田腐解率最大,达到0.889,含水量45％和施氮量120 mg·kg-1处理的氮素释放率最高,达到0.885.双因素方差分析结果表明,土壤含水量对黑麦草腐解率和氮素释放率均存在显著影响.综合来看,红壤区黑麦草还田初期需施加一定量的氮素( 60 mg·kg-1 ) 和保持合理的土壤含水量( 30％),以抑制黑麦草还田前期的腐解; 还田后期提高土壤含水量( 45％),加快黑麦草后期的腐解和氮素释放,促进下茬作物氮素吸收利用.

利用田间埋袋法,研究不施肥、施氮肥、施石灰3种处理对豫南稻田毛叶苕子腐解及养分释放特征的影响.结果表明:不同施肥处理下毛叶苕子累积腐解率为65.3％ ～72.5％,腐解过程中呈现前lld腐解较快、后期腐解缓慢并逐渐趋于平稳的趋势.不同处理养分释放率表现为钾＞磷＞碳＞氮,试验结束时(翻压148 d),碳、氮、磷、钾的累积释放率分别为83.6％ ～84.6％、78.2％ ～81.2％、89.8％～91.4％、96.3％ ～97.0％.在整个腐解期内,毛叶苕子氮释放特征与腐解特征相似,与不施肥相比,施石灰促进毛叶苕子腐解及氮、磷、钾养分释放;施氮肥促进毛叶苕子磷释放,抑制钾释放;施石灰和氮肥对碳释放均无显著影响.施氮肥处理腐解0～11 d促进毛叶苕子腐解及氮释放,腐解11 ～ 148 d抑制毛叶苕子腐解及氮释放.采用一级动力学方程及对数函数方程拟合豫南稻区毛叶苕子腐解及碳、氮、磷、钾养分释放特征均达到显著水平,拟合方程的特征参数值与毛叶苕子腐解率及养分释放率呈显著相关.施用石灰促进毛叶苕子腐解及养分释放的效果优于施用氮肥;一级动力学方程及对数函数方程特征参数值可较好地描述毛叶苕子腐解及养分释放能力.

为探究长武怀豆和黑麦草两种绿肥在黄土旱塬区农田土壤中的腐解状况,应用尼龙网袋法研究了在不同氮肥条件下两种绿肥翻埋后的腐解规律碳、氮养分释放特征及其对土壤耕层有机碳、全氮影响.试验设计施氮区长武怀豆(N1B)、施氮区黑麦草(N1R)、施氮区裸地(N1CK)、不施氮区长武怀豆(N0B)、不施氮区黑麦草(N0R)、不施氮区裸地(N0CK)共6个处理.结果表明:0—105天是长武怀豆、黑麦草腐解的快速上升时期,105—238天进入缓慢腐解阶段,238—281天为中低速增长时期,试验结束时(281天)N1B、N0B、N1R、N0R的累积腐解率分别达到83.84％、82.64％、81.91％和81.04％.绿肥碳、氮均在翻埋后快速释放,其中碳在33天累积释放率达70.04％—74.13％,而氮在前15天释放较快,累积释放率为49.50％—60.04％.在0—20 cm土层各处理间土壤有机碳含量无显著差异,但翻埋绿肥显著提高了土壤全氮含量:与裸地对照相比,翻压长武怀豆能使土壤0—20 cm土层氮含量提高40.57％—41.51％;而翻压黑麦草可提高18.87％—19.81％.农田施肥管理能在腐解前期加快绿肥腐解及氮释放速率,却不影响土壤氮累积.长武怀豆更适合作为该地区土壤培肥夏闲绿肥的选择.

采用盆栽模拟研究方法,设置对照(CK)、只施氮肥(U)、氮肥与有机肥配施(UM)、氮肥与生物炭配施(UB)以及氮肥、有机肥与生物炭配施(UMB)共5个处理,探究生物炭与有机肥施用对菜地N2O、CH4与CO2排放以及全球增温潜势(GWP)、温室气体强度(GHGI)、N2O-N排放系数的影响.结果表明,整个观测期间,N2O排放变幅较大,达0.02-1 559.77 μg m-2 h-1,CH4排放变幅较小,为-0.09-0.25 mg m2 h-1.与N2O、CH4相比,处理间CO2排放通量具有更为相近的波动规律.UB与UMB能显著降低N2O排放,其中UMB抑制效果最佳,仅为U处理的14.1％.5个处理间CH4累积排放量无显著差异,表明氮肥、有机肥与生物炭均非影响CH4排放的主要原因.UB与UMB间累积CO2排放量无差异,但二者均显著高于U与UM处理,证明生物炭施用促进了CO2释放.菜心与苋菜产量均以UMB最高,两种蔬菜产量分别比U处理高25.6％与29.5％.GWP与GHGI均以UMB最低(除对照外),分别为919±266 kg/hm2与0.04±0.01 kg/kg.UMB的N2O-N排放系数最低(0.37％),仅为U处理的11.5％.综上所述,生物炭与有机肥配施处理在不降低蔬菜产量的基础上,既能抑制N2O排放,降低GWP、GHGI与N2O-N排放系数,又能降低化学氮肥投入量,是值得推荐的施肥措施.考虑到生物炭施用显著促进CO2排放,需要进一步探究生物炭与有机肥配施的综合净温室效应.

[目的]研究产胞外分泌物微生物Shewanella putrefaciens CN32对土壤中常见粘土矿物附着态NH4+的释放效果及影响机制.[方法]以吸附NH4+的蒙脱石、蛭石、伊蒙混层矿物和黑云母为对象,通过监测S.putrefaciens CN32作用下不同粘土释放的NH4+含量及过程,以及监测微生物量及释放的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)的含量变化,研究S.putrefaciens CN32作用下不同粘土矿物类型附着态NH4+释放的差异性.[结果]粘土矿物附着态NH4+含量从高到低依次为蒙脱石＞蛭石＞伊蒙混层矿物＞黑云母(黑云母NH4+吸附量极低,会在非生物作用下几乎完全释放),CN32作用下粘土附着态NH4+相对释放量依次为蒙脱石＞伊蒙混层矿物＞蛭石;然而,尽管CN32有效促进了粘土附着态NH4+释放,但释放的NH4+并未在溶液中大量累积,而是多被微生物同化吸收转化为生物有机氮(EPS为主)并吸附在粘土表面,且粘土对EPS的吸附能力表现为蒙脱石＞伊蒙混层矿物＞蛭石＞黑云母;由于粘土吸附NH4+及EPS都与矿物中的羟基(结构水或层间水)关系密切,推测EPS对矿物羟基的竞争吸附可能是CN32促进NH4+释放的重要原因之一.[结论]以上结果表明,产EPS微生物S.putrefaciens CN32能够促进各类粘土矿物的附着态NH4+释放,但释放的NH4+可以通过微生物作用转化为有机氮,从而在减少NH4+流失的同时增加土壤氮肥的生物可利用性,因此微生物在降低土壤氮肥流失、转化土壤氮肥污染过程中可能起到了重要作用,也揭示了深入系统地分析不同类型土壤(粘土类型不同)中粘土附着态NH4+在不同功能微生物作用下的迁移转化过程,是精准评估土壤氮肥施用效率及流失风险的前提之一.

农牧交错带草地生态系统兼受农业和牧业的影响,属于脆弱生态系统,尤其是养分贫瘠的盐碱化草地,其生态系统结构和功能对外界干扰的响应更加强烈.位于晋西北地区的农牧交错带盐碱化草地,地理位置独特,区别于天然牧区草地生态系统.由于毗邻农田,农业氮肥的过量使用促进了活性氮气体排放,同时使得农牧交错带草地土壤碳氮循环发生改变.刈割是北方农牧交错草地生态系统的主要管理方式,为了深入探究氮添加和刈割管理方式对农牧交错带草地碳循环的影响,进一步厘清该区域草地生态系统的碳动态问题,该研究设置了一个不同形态氮添加和刈割的裂区实验,测定土壤呼吸对不同形态氮肥添加和刈割的响应,为进一步科学管理该区域草地提供可靠的依据.实验样地位于山西省右玉县境内的“山西农业大学农牧交错带草地生态系统野外观测研究站”,于2017年设置不同形态氮添加和刈割处理,实验处理包括对照(不刈割和刈割)、尿素添加、缓释尿素添加、刈割+尿素添加、刈割+缓释尿素添加,每种处理6个重复,共36个小区.在不同处理条件下测定土壤呼吸速率、土壤温度、土壤水分、土壤微生物生物量、土壤无机氮含量、植物地上和地下生物量,并计算土壤累积碳排放量及CO2通量.研究结果表明:(1)短期(2017-2018年)尿素和缓释尿素的添加显著提高了该地区土壤呼吸速率和土壤累积碳排放量.与添加缓释尿素相比,添加尿素处理下的土壤呼吸速率和累积碳排放量更高;(2)刈割显著降低土壤呼吸速率和累积碳排放量;(3)短期氮添加和刈割的交互作用对土壤呼吸速率没有显著影响.因此,短期氮添加促进了北方农牧交错带盐碱化草地土壤碳释放,刈割抑制土壤呼吸,降低了累积碳排放量,这可能是由于刈割移除地上植物,减少了凋落物的输入,底物减少导致土壤微生物活性降低.但是随着处理时间的延长,氮添加和刈割对该农牧交错带盐碱化草地土壤碳动态的影响还有待进一步探究和发现.

采用冬小麦盆栽试验,探讨掺混氮肥(缓释肥N∶普通尿素N=1∶1)配施氮肥抑制剂NAM对冬小麦土壤铵态氮、硝态氮、微生物生物量氮和固定态铵含量及小麦产量、氮肥利用率的影响,分析不同处理土壤矿质氮库、微生物生物量氮库和固定态铵库的动态变化特征.试验共设6个处理,不施氮肥(CK)、普通尿素(U)、掺混氮肥(MU)、MU +2.5‰NAM(MUN1)、MU +5‰NAM(MUN2)和MU+7.5‰NAM(MUN3).结果表明:与MU处理相比,MUN2和MUN3处理推迟了NH4+-N峰值出现的时间;小麦整个生长季,添加NAM处理的土壤矿质氮平均含量比MU处理下降了5.3％～11.7％;分蘖期至抽穗期,MU处理的微生物生物量氮矿化量和矿化率分别为38.96 mg· kg-1和91.5％,均高于U处理,而MUN1、MUN2和MUN3处理分别为58.73 mg·kg-1和83.3％、94.20 mg·kg-1和94.6％、104.46 mg· kg-1和96.3％,添加NAM处理固定态铵的释放量比MU处理提高了2.83～9.19 mg·kg-1.通径分析结果显示,与MU处理相比,添加NAM减弱了土壤NH4 +-N库对NO3--N库的直接影响,增强了固定态铵库通过影响NH4+-N库对NO3--N库的间接作用.同时,MUN1、MUN2和MUN3处理的小麦籽粒产量较MU处理分别提高了31.6％、21.5％和22.9％,氮肥利用率分别提高了8.1％、13.5％和3.1％.综上,配施NAM通过对氮素释放及在土壤中转化的双重调控,延迟土壤NH4+-N峰值出现的时间及后续向NO3--N的转化,提高微生物生物量氮和固定态铵的供氮作用,从而提高了作物产量和氮肥利用率.