【摘要】：農業(yè)有機物料替代部分化肥及其替代后對耕地質量和作物產量的影響是目前農業(yè)科學工作者的研究重點。菜地生態(tài)系統(tǒng)具有復種指數(shù)高、灌水頻繁、施肥量大(尤其是氮肥的高投入)等特點,全年的施氮量600-1300 kg·hm~(-2),是糧食農作物的3-4倍,加速了土壤氮素循環(huán)的各個過程的發(fā)生;不僅會增加土壤溫室氣體的排放,也會導致菜地生態(tài)系統(tǒng)中氮素盈余,造成土壤硝態(tài)氮的累積,同時也會伴隨土壤酸化、土壤結構退化、土壤養(yǎng)分失衡、微生物(特別是涉氮功能微生物)群落結構及功能失調等情況發(fā)生。外源有機物料的投入是減少化肥施用量,改善土壤質量的重要途徑之一,但有機物料還田對土壤溫室氣體排放、土壤氮形態(tài)及其微生物作用機制的研究結果存在差異。此外,由于我國菜地溫室氣體排放的田間觀測資料的缺乏以及已有研究結果的不一致性,導致我國農田土壤溫室氣體排放總量的估算存在較大的不確定性。因此,在菜園土壤中開展農業(yè)有機物料替代部分化肥的研究,不僅可以改善因施用化肥帶來的生態(tài)環(huán)境問題,控制化肥投入以緩解農田土壤溫室氣體排放具有重要的意義,而且還能大幅度提高我國農業(yè)廢棄物資源化利用,響應國家提出的“到2020年,實現(xiàn)化肥零增長”的行動目標,為支撐生態(tài)文明建設提供技術保障。本研究以紫色菜園土壤為研究對象,通過田間試驗,采用靜態(tài)箱/氣相色譜法,連續(xù)監(jiān)測了2016-2018年間(萵筍(Ⅰ)-卷心菜-辣椒-萵筍(Ⅱ)-小白菜輪作)秸稈與化肥減量配施下(CK:對照;F:常規(guī)施肥;玉米秸稈分別配施100%,70%,60%和50%常規(guī)施肥量,標記為FS,0.7FS,0.6FS和0.5FS)菜園土壤N_2O、CO_2和CH_4溫室氣體排放的時序變化特征,并進一步對比了來自不同農業(yè)系統(tǒng)的有機物料包括玉米秸稈(SF)、菌渣(MF)、生物炭(BF)和牛糞(CF)等養(yǎng)分(氮、磷、鉀)還田對溫室氣體排放的影響;同時運用室內分析和田間試驗相結合的方法,分析了有機替代下土壤不同氮素形態(tài)、養(yǎng)分含量的動態(tài)變化特征和蔬菜養(yǎng)分含量、品質,并計算氮、磷、鉀肥的農學利用率;從團聚體的角度,分析了有機替代處理的團聚體穩(wěn)定性及不同粒級團聚體中礦質氮的分布特征;基于DNA克隆測序、qPCR技術和高通量測序技術,從微生物學角度,進一步探討土壤硝化、反硝化功能微生物(AOA、AOB、nirK、nirS、nosZ)群落結構與豐度特征對化肥減量配施有機物料的響應,揭示有機替代對土壤氮轉化的微生物學作用機制;以期通過有機物料替代部分化肥,為紫色菜園土壤養(yǎng)分管理及土壤耕地質量的提升提供理論依據(jù)和技術支撐,對促進我國農業(yè)節(jié)本增效、節(jié)能減排的現(xiàn)實需求有重要意義。論文主要的研究結論如下:(1)施肥灌水促進了菜園土壤溫室氣體排放,在常規(guī)化肥的基礎上減量30%配施秸稈,在未顯著影響蔬菜產量的條件下,可以降低菜園土壤CO_2和CH_4排放,緩解溫室氣體的增溫潛勢,但對N_2O減排效果不顯著。試驗觀測期內(2016年11月至2018年2月),紫色菜園土壤N_2O、CO_2和CH_4溫室氣體排放高峰主要集中在4-8月,且在施肥灌水后均會出現(xiàn)排放峰,與水熱因子密切相關。與常規(guī)施肥(F)處理相比,秸稈與化肥配施(FS、0.7FS、0.6FS、0.5FS)處理提高了N_2O排放量,累積排放量以及N_2O排放系數(shù),其中FS處理的效果最為明顯,試驗期內N_2O平均排放通量高達65.45 kg·hm~(-2)。0.7FS處理降低了土壤CO_2和CH_4排放,緩解溫室氣體的增溫潛勢(GWP),而FS處理的GWP較F處理顯著提高了34.1%。秸稈與化肥減量配施對各季蔬菜產量的影響不顯著,通過計算溫室氣體排放強度(GHGI)發(fā)現(xiàn),F和0.7FS處理的GHGI最低,明顯低于其他處理,而FS處理的最高,較最低的F和0.7FS處理均顯著增加了0.117 kg·kg~(-1)。(2)有機物料等養(yǎng)分(氮、磷、鉀)還田條件下,生物炭、秸稈配施化肥處理相較于其他處理能減少溫室氣體的增溫潛勢,菌渣配施化肥對CH_4減排效果較為明顯,而牛糞配施化肥會增加溫室氣體排放。試驗期內,來源于不同農業(yè)系統(tǒng)的有機物料等養(yǎng)分投入的條件下,生物炭配施化肥(BF)處理較常規(guī)施肥(F)處理降低了N_2O排放,但平均排放通量差異不顯著,牛糞配施化肥(CF)處理則顯著增加了N_2O排放,試驗期內平均排放通量為48.99kg·hm~(-2)。對土壤CO_2而言,有機物料配施化肥處理促進了CO_2排放(76488-89787 kg·hm~(-2)),但BF處理推遲了CO_2排放峰。在等養(yǎng)分投入下,秸稈(SF,-0.45 kg·hm~(-2))、菌渣(MF,-0.91 kg·hm~(-2))配施化肥處理促進了CH_4吸收,減少CH_4排放,CF處理則顯著增加了CH_4平均排放通量。各有機物料處理較對照CK和F處理均提高了GWP,其中CF較F處理顯著提高了34.4%,但有機物料等養(yǎng)分還田處理均可以在未影響蔬菜產量的前提下較對照CK降低了GHGI。(3)有機物料與化肥減量配施處理較常規(guī)施肥處理降低了N_2O排放和硝態(tài)氮淋溶的風險;在一定程度上提高了氮、磷、鉀肥的農學利用率。試驗期內,施肥灌水增加了菜園土壤礦質態(tài)氮(NH_4~+、NO_3~-和NO_2~-)含量,而NO_3~-的峰值較NH_4~+略有推遲。同時土壤NH_4~+和NO_3~-存在“此消彼長”關系,一般溫度較高,含水量較少的條件下,土壤中礦質態(tài)氮以NO_3~-為主。F處理的土壤NH_4~+、NO_3~-和NO_2~-含量并不低甚至高于其他物料處理,增加了N_2O排放和硝態(tài)氮淋溶的風險。土壤DON和MBN也存在“此消彼長”的關系,且土壤溫度對其影響較大,BF處理能有效增加土壤DON含量,秸稈配施60%-100%化肥較其他物料處理能有效提高土壤MBN含量。與秸稈還田相比,BF、MF和CF處理提高了SOC含量。在不顯著影響蔬菜的產量條件下,有機物料配施化肥處理的蔬菜硝酸鹽含量并未超過國家規(guī)定的標準,且較F處理能提高氮、磷、鉀肥的農學利用率,但部分處理降低了農學利用率,這與有機物料的不同物質組成、C/N比、分解速率等因素有關,有待進一步研究。(4)牛糞與化肥配施處理較其他處理能提高菜園土壤團聚體穩(wěn)定性,施肥處理提高了粉粘粒和較大團聚體的銨態(tài)氮貢獻率,秸稈與化肥減量配施處理較其他物料處理提高了較大團聚體的硝態(tài)氮貢獻率。對比不同處理下菜園土壤團聚體粒徑分布及其穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn),與對照CK相比,各施肥處理有效增加了0.25-2 mm粒徑團聚體質量百分比,減少了0.053 mm粒徑組分質量百分比;其中CF處理較其他處理可以有效提高2 mm粒徑團聚體質量百分比,減少0.053 mm粒徑團聚體質量百分比,同時提高了團聚體的穩(wěn)定性。各施肥處理的NH_4~+和NO_3~-主要分布在0.053 mm粒徑中,其中F處理有利于2 mm粒徑中NH_4~+(23.86mg·kg~(-1))和NO_3~-(24.73 mg·kg~(-1))富集。對不同團聚體粒級NH_4~+貢獻率而言,各施肥處理提高了0.053和0.25-2 mm粒徑團聚體的NH_4~+貢獻率,尤其是0.053 mm的貢獻率(超過了75%),其中MF處理的0.053 mm粒徑的NH_4~+貢獻率最大,為93.81%。對不同團聚體粒級NO_3~-貢獻率而言,秸稈與化肥減量配施較其他物料處理有利提高0.25-2 mm粒徑團聚體的NO_3~-貢獻率,而除牛糞外的其他物料處理主要提高了0.053 mm粒徑的NO_3~-貢獻率。(5)有機物與化肥減量配施處理降低了菜園土壤AOA amoA基因拷貝數(shù),提高了AOB amoA基因拷貝數(shù);秸稈與化肥減量配施處理的AOA和AOB群落結構明顯不同于其他物料處理。菜園土壤氨氧化微生物(AOA、AOB)豐度及群落結構對不同施肥方式的響應存在差異。該試驗條件下,土壤AOB amoA基因拷貝數(shù)遠高于AOA,但二者對不同環(huán)境因子的耐受性和生態(tài)位存在顯著差異。F處理的AOA amoA基因拷貝數(shù)最多(5.09×10~4 copies·g~(-1)),而AOB amoA基因拷貝數(shù)最少(1.36×10~5 copies·g~(-1))。在秸稈還田的基礎上,化肥減量30%-40%有效提高了紫色菜園土壤AOA和AOB amoA基因多樣性,但FS處理相對于其他處理降低了AOA和AOB amoA基因的多樣性。施肥處理能顯著改變AOB的群落結構,秸稈與化肥減量配施處理的AOA和AOB群落結構明顯不同于其他物料處理。除土壤氮素外,土壤磷素和鉀素,尤其是速效養(yǎng)分成為影響該試驗條件下紫色土氨氧化微生物群落結構變化的重要因素。此外SOC和pH對AOB群落結構分布起到重要作用,土壤NH_4~+和C/N對AOA群落結構分布起到重要作用。(6)有機物料的添加提高了菜園土壤nirS和nirK基因多樣性;無外源碳、氮添加的條件下,土壤C/N比對nirS-型反硝化微生物群落結構影響最大,土壤pH、SOC、土壤氮素、水分含量是影響nirS-、nirK-和nosZ-型反硝化微生物群落分布的主要因素。對反硝化微生物(nirS-、nirK-和nosZ-型)而言,0.6FS處理較F處理均提高nirK-和nosZ-型反硝化微生物的基因拷貝數(shù),分別增加了24.6%和12.9%。0.6FS和BF處理對nirS和nirK基因多樣性提升效果較為顯著;施肥處理對nosZ基因多樣性的影響較大,其中僅SF處理較對照CK降低了nosZ基因多樣性。對nirS基因進行高通量測序發(fā)現(xiàn),Alphaproteobacteria較Betaproteobacteria對施肥響應較大,Bradyrhizobium是F處理乃至整個nirS-型微生物群落組成的優(yōu)勢菌屬,在反硝化過程中起到了關鍵性的作用。構建系統(tǒng)發(fā)育樹發(fā)現(xiàn),nirK-型反硝化微生物與Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria具有同源性,nosZ-型反硝化微生物與Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria具有同源性。土壤TN對BF處理的nirS-型反硝化微生物群落變化的影響最大,土壤DON對MF和SF處理的nirS-型反硝化微生物群落變化的影響最大;土壤NH_4~+對F處理的nirK-型反硝化微生物群落變化影響最大;土壤pH對BF處理的nosZ-型反硝化微生物群落結構影響較大;總體上,nirS-、nirK-和nosZ-型反硝化微生物群落分布受土壤pH、SOC、土壤氮素、水分含量的影響較大,同時土壤磷素和鉀素也能影響其群落分布。綜述所述,菜園土壤溫室氣體的排放具有一定的季節(jié)變化規(guī)律,排放高峰主要集中在4-8月且在施肥灌水后均出現(xiàn)了排放峰,與水熱條件密切相關。常規(guī)化肥減量30%配施秸稈處理降低了菜園土壤CO_2和CH_4排放量,減少了溫室氣體的增溫潛勢,但對N_2O減排效果不顯著;等養(yǎng)分投入的條件下,生物炭、秸稈配施化肥處理較其他物料處理能減少溫室氣體的增溫潛勢。在未影響蔬菜產量下,有機物料與化肥減量配施減少了溫室氣體排放強度,在一定程度上提高了氮、磷、鉀肥的農學利用率。來自不同農業(yè)系統(tǒng)的有機物料對菜園土壤涉氮功能微生物(AOA、AOB、nirK、nirS、nosZ)群落結構與豐度的影響各異,秸稈與化肥減量配施處理的AOA和AOB群落結構明顯不同于其他物料處理;速效養(yǎng)分成為抑制該試驗條件下紫色土AOA和AOB群落結構發(fā)展的原因;土壤pH、SOC、土壤氮素、水分含量能顯著影響nirS-、nirK-和nosZ-型反硝化微生物群落結構。
【圖文】：

西南大學博士學位論文（Galloway et al., 2008；Gruber et al., 2008；Gu et al., 2015；張衛(wèi)峰等，2013）。環(huán)并非獨立地存在，而是處在高度動態(tài)循環(huán)中（周志華等，2004）。王洪媛等（，在農田生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程中，土壤 N2O 排放、氮肥利用、硝化反應、銨態(tài)的吸附以及微生物的氮素固持等過程一直是農業(yè)生產、農業(yè)面源污染防治、溫室領域關注的重點。人工固氮

第 1 章 文獻綜述NO3-的過程（DeBoerandKowalchuk，2001）。氨氧化過程是硝化反應過程的第一步，也是限速反應，是 NH4+在氨單加氧酶（AMO）和羥氨氧化還原酶（HAO）作用下氧化成 NO2-的過程。傳統(tǒng)上認為反硝化作用是在厭氧條件下，活性氮（NO3-、NO2-）還原成 N2O 和 N2的過程（Gallowayetal.,2004；Philippotetal.,2009）。由于微生物生理過程及氧氣條件的差異，可將反硝化過程進一步分為同化還原、異化還原、呼吸性反硝化和非呼吸性反硝化過程（殷士學和沈其榮，2003），在異化還原過程中根據(jù)產物不同亦可以分為以 N2O、N2為產物的反硝化過程（Denitrification）和以 NH4+為產物的硝態(tài)氮異化還原氨過程（Dissimilatorynitratereduction to ammonium，DNRA）（Canfield et al., 2010；楊杉等，2016）。DNRA 過程主要是NO3-在硝態(tài)氮還原酶（Nar）的催化下還原成 NO2-，繼而在亞硝態(tài)氮鹽還原酶（Nir）催化下最終還原成 NH4+的過程，該過程可以緩解 NO3-淋失（Stevens and Laughlin，1998；Stevensetal.,1998）。對各個氮素轉化過程而言，硝化過程是生物固氮、氨化過程和反硝化過程的中間關鍵環(huán)節(jié)，它與不同氮轉化過程的偶聯(lián)作用，共同決定土壤生態(tài)系統(tǒng)中氮的平衡和歸勢（賀紀正和張麗梅，2013）。消耗 H+有機肥料N2氨化過程
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S154.1;S63

【參考文獻】

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本文編號：2622268