【摘要】：本文在綜述國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,通過大型原狀土柱模擬試驗和田間小區(qū)試驗,以武漢城郊典型菜地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,定量研究了施用氮肥對菜地土壤氮素損失的影響,深入探索了氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化過程和淋失機制,揭示了大量施用氮肥對蔬菜、土壤、地下水及大氣等造成的影響,提出了有效降低城郊菜地生態(tài)系統(tǒng)硝態(tài)氮污染的技術(shù)和途徑,為維持城郊菜地土壤的可持續(xù)生產(chǎn)能力、提高經(jīng)濟效益、確保食品和環(huán)境安全等提供了科學依據(jù)和理論指導。主要研究結(jié)果如下： 1.利用大型原狀土柱模擬系統(tǒng)研究了菜地生態(tài)系統(tǒng)中氮肥用量對蔬菜、土壤和地下水硝酸鹽污染的影響。結(jié)果表明,氮素的淋失損失量和地下水中NO3--N的濃度與氮肥用量呈顯著正相關(guān),過量施用氮肥導致地下水中NO3--N含量超過安全飲用標準。施用氮肥顯著增加了土壤淋失液中NO3-離子及土壤全氮、堿解氮和硝態(tài)氮的含量。隨氮肥用量的增加土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢,土壤的pH值則呈顯著降低趨勢,說明過量施用氮肥顯著地影響了土壤質(zhì)量和氮的淋失量。 2.對武漢城郊菜地的定位監(jiān)測數(shù)據(jù)說明,土壤剖面及土壤溶液NO3--N積累量的高低與氮肥用量、作物生長情況以及水分輸入量有直接關(guān)系,NO3--N在土壤剖面的遷移量和遷移速度取決于土壤的物理性質(zhì)和水分輸入量。菜地生態(tài)系統(tǒng)中,地下水中的NO3--N含量變化與本區(qū)域的作物種植習慣和土壤質(zhì)地相關(guān)。因土壤質(zhì)地不同,土壤NO3--N在正常范圍內(nèi)且能夠滿足蔬菜安全生產(chǎn)時,地下水可能已受到嚴重的NO3--N污染。因此,必須嚴格控制氮肥的施用量來保護土壤和地下水體免受農(nóng)業(yè)活動造成的氮素污染。 3.原狀土柱模擬系統(tǒng)和15N同位素示蹤的研究表明,隨著氮肥用量的增加,蔬菜體內(nèi)的NO3-含量逐漸增加,土壤淋失液中NO3--N的淋失損失量和平均濃度顯著地增加。土壤淋失液NO3--N的淋失損失量(Y1)和平均濃度(Y2)與N肥施用量(X)的相關(guān)關(guān)系分別為：Y1=0.2882X+33.66(R2=0.9940)和Y2=0.0114X+1.24(R2=0.9928)。說明氮肥的大量施用造成了肥料資源過度浪費,顯著降低了蔬菜品質(zhì)和導致土壤及地下水受到NO3--N污染。 在城郊菜地生態(tài)系統(tǒng)中,蔬菜種類不同,其根系長度和生長周期長短的不同,導致氮素在土壤中的淋失速率和淋失量產(chǎn)生顯著的差異。葉菜類蔬菜能夠提高氮肥利用效率,但是葉菜類蔬菜不能利用較深土層氮素,容易造成下層土壤及地下水受到N03--N污染。茄果類蔬菜和根莖類蔬菜能夠利用較深土層氮素,但其生長前期需肥量較少,容易導致NO3--N大量淋失。在菜地生態(tài)系統(tǒng)中,不同蔬菜輪作種植模式間氮素損失量和氮素利用效率呈顯著負相關(guān)。說明蔬菜種類和種植模式能夠影響?zhàn)B分的吸收和利用,進而影響其氮肥的利用效率。 4.隨著氮肥施用水平的增加,土壤中脲酶活性逐漸增加,蛋白酶和硝酸還原酶的活性則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。說明適宜的氮肥施用量有利于改善與氮轉(zhuǎn)化過程相關(guān)的土壤酶的活性,有利于蔬菜作物對氮素的吸收利用,同時降低氮素的損失量。土壤中各種菌的數(shù)量規(guī)律是：細菌放線菌真菌,隨著氮肥用量的增加,細菌數(shù)量和放線菌數(shù)量有先增大又急劇降低的趨勢,真菌的數(shù)量則逐漸降低。從細菌數(shù)量與真菌數(shù)量比值可以看出,適宜的氮肥施用有利于提高土壤的質(zhì)量,過量施肥則會造成土壤質(zhì)量下降。通過BIOLOG碳素利用法對土壤微生物的研究表明,在氮肥用量不同時,土壤微生物的代謝活性整體上基本相似,微生物多樣性指數(shù)變化不大。但是,從對土壤樣品測定結(jié)果的主成分分析表明,土壤微生物在氮肥用量不同時利用碳源的方式和種類存在差異,其中低氮水平和高氮水平各分為一類,氮肥用量適中的土壤分為一類,說明施用氮肥顯著地影響了土壤微生物的多樣性。 5.在長期不同氮肥施用水平條件下,土壤的narG、nirK、nirS、nosZ等反硝化功能基因群落被分成3—4個有差異的部分,說明氮肥的施用改變了土壤微生物的群落組成。指數(shù)分析結(jié)果表明,適量施用氮肥有利于增加narG、nirS和nosZ型的多樣性,但過量施用氮肥則會降低narG、nirK、nirS和nosZ型反硝化細菌的多樣性。施用氮肥使反硝化基因narG, nirK, nirS, qnorB和nosZ的拷貝數(shù)逐漸增加,顯著地改變了土壤反硝化作用功能基因的數(shù)量。施用氮肥使菜地土壤中的16S rDNA的數(shù)量也呈現(xiàn)出增長的趨勢,但是不同氮素水平處理之間的差異沒有反硝化功能基因的基因拷貝數(shù)間的差異顯著。同時,菜地土壤中的不同反硝化基因拷貝數(shù)差異顯著,其數(shù)量順序(narG(nirK+nirS) qnorBnosZ)與反硝化過程一致。氮肥既能影響反硝化功能基因種群,也能影響整個微生物群體的變化,但是與整個微生物群體相比,反硝化功能基因種群對氮肥施用水平的不同響應更敏感。 6.原狀土柱模擬試驗和田間小區(qū)試驗的研究表明,在菜地生態(tài)系統(tǒng)中施用硝化抑制劑雙氰胺(DCD)對蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)、土壤及地下水硝酸鹽污染均有顯著的影響。DCD能顯著地增加蔬菜的產(chǎn)量(6.2%—43.96%),其增產(chǎn)效應與蔬菜的生長期長短成正比,與溫度的高低呈反比。同時,DCD可以顯著降低蔬菜體內(nèi)的硝酸鹽含量(5.3%—39.7%),降低程度則因蔬菜種類和生長季節(jié)及環(huán)境條件不同而異。施用DCD后,蔬菜干物質(zhì)的氮素含量顯著地提高,蔬菜從土壤中攜出的氮量顯著地增加(12.9%—61.23%),從而有效地提高了蔬菜的氮肥利用效率。 施用DCD后,土壤剖面中的NH4+-N含量顯著地提高,NO3--N含量顯著地降低,氮素淋失量、淋失液中NO3--N的濃度以及N20的排放量顯著地降低。硝化抑制劑DCD既可以提高肥料的利用效率,又能降低由氮素過量施用引起的土壤質(zhì)量下降以及地下水體和大氣污染,不但具有顯著的經(jīng)濟意義,還具有一定的環(huán)境效益。 7.通過原狀土柱模擬試驗和田間小區(qū)試驗,研究了城郊菜地生態(tài)系統(tǒng)中不同蔬菜輪作種植模式中蔬菜生物產(chǎn)量、經(jīng)濟效益以及氮素的利用和損失情況。結(jié)果表明,在不同蔬菜輪作種植模式之間,蔬菜的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益、土壤剖面中的NO3-含量、土壤溶液中的N03--N素含量以及氮素淋失量之間差異顯著。蔬菜種類的不同,導致其對氮素的吸收和利用有一定的差異,葉菜類蔬菜能夠大量地吸收利用表層土壤中氮素,肥料利用效率較高；茄果類等根系較長的蔬菜則能利用更深層土壤剖面中的氮素。根據(jù)生態(tài)位理論,在實際生產(chǎn)中,可以根據(jù)作物根系長短和種類的不同,通過合理搭配蔬菜的種植來增加作物的生物量和菜農(nóng)經(jīng)濟效益,降低土壤硝酸鹽的淋失量,提高氮肥利用率,減少或避免施用氮肥引起土壤和地下水環(huán)境受到的NO3--N污染。 8.基施和噴施微量元素硼鋅鉬肥對提高城郊菜地生態(tài)系統(tǒng)中的蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)、氮素含量和氮肥利用率,降低土壤溶液和土壤剖面中的NO3--N含量具有顯著的影響。結(jié)果表明,基施和噴施微量元素硼鋅鉬肥,分別使蔬菜的產(chǎn)量提高了15.9%—42.4%和4.4%—16.5%,使蔬菜體內(nèi)的NO3--含量降低了21.6%—31.2%和10.7%—44.3%,使蔬菜干物質(zhì)的氮素含量提高了9.6%—-19.3%和0.4%——25.9%,蔬菜攜出的氮素量提高了27.1%—83.7%和4.6%—9.6%,顯著提高了蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)及氮肥利用率。而且,基施和噴施微量元素硼鋅鉬肥后土壤溶液中的NO3--N含量顯著降低,噴施微量元素硼鋅鉬肥后土壤剖面中的NO3--N含量顯著降低。本研究表明,微量元素不但顯著提高了生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中的經(jīng)濟效益,還能對維持土壤質(zhì)量及降低氮肥對環(huán)境產(chǎn)生的的污染起到一定的作用,具有良好的環(huán)境效益。
【學位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：S63;X592

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本文編號：2601307