土壤氮转化特性对土壤氮去向的作用机理

Soil plays very important role in nitrogen (N) biogeochemical cycle. The investigation on soil N transformation is of important significances to understand the temporal-spatial variability in N biogeochemical cycle, to optimize N fertilization, and to make N pollution control countermeasures and so on. The project will measure N gross transformation rates in the humid subtropical soils in China using the paired 15N labelling method to investigate the relationship between soil N transformation and inorganic N form, fate, the transferred N form in soil ecosystems, to research the effects of the coupling degree between soil inorganic N form and corp's favorite N form on N use efficiency, crop growth, and ecological environment effects, to study the relationship between nitrification rate and N loss caused by denitrification, and by using modern biological methods to explore the mechanisms of the agricultural land sue reduced inorganic N retained capacity in in the humid subtropical region. The research would be helpful to elucidate the mechanisms of the temporal-spatial variability in N biogeochemical cycle, to understand inorganic N conservation mechanisms and the key factors, and provide basic knowledge for N fertilization and evaluation of its environmental impacts in the areas.

在氮生物地球化学循环中，土壤具有“调配器”的作用。深入研究土壤氮转化特性驱动的土壤氮“调配器”作用，对于认识氮生物地球化学循环的空间和时间差异，合理施用氮肥，制订氮污染控制对策等具有重要的意义。本项目以湿润亚热带地区为主要研究对象，以15N成对标记结合模型数值优化分析方法测定土壤氮初级转化速率为基本手段，研究土壤氮转化特性与土壤无机氮类型、去向及其扩散的形态的关系，探讨土壤无机氮类型与作物氮形态喜好耦合程度对氮肥利用率、作物生长及生态环境效应的影响，硝化速率与水稻土反硝化氮损失的关系；采用分子生态技术分析土壤生物学性质，研究农业利用破坏土壤保氮机制的微生物学机理及生态环境效应。研究结果将有助于阐明氮生物地球化学循环时空变异的机理，深入认识亚热带土壤保氮机制及其关键影响因素，为根据土壤氮转化特性及作物氮形态喜好进行氮肥管理提供科学依据。

本项目以15N成对标记结合数值优化模型测定土壤氮初级转化速率为基本手段，通过实验室培养、大田试验、长期试验小区观测和野外调研采样相结合的研究方法，研究了土壤氮转化特性与土壤无机氮主导形态、去向及其扩散形态的关系，探讨了土壤无机氮主导形态与作物氮形态喜好契合程度对氮利用率、作物生长及环境效应的影响；采用分子生物学技术分析土壤生物学性质，研究了土壤氮过程的微生物学机理，阐明了土壤氮转化调控氮去向的原理。研究结果表明，土壤氮转化过程决定无机氮主导形态，转化特点与环境条件的契合程度调控氮的去向。初级自养硝化速率决定了自然生态系统溪流中硝态氮浓度及其占全氮的比例。农作物产量与氮初级矿化速率显著正相关(p < 0.01)，而初级自养硝化速率与N2O排放量(p < 0.01)和NO3--N淋溶量(p < 0.001)均呈显著正相关关系。发现水稻土硝化能力是决定水稻氮利用率和氮素损失的关键因素。明确了土壤无机氮主导形态与作物氮形态喜好的契合程度对作物氮吸收率具有重要影响，喜铵作物种植在硝化作用弱的土壤氮吸收利用明显高于硝化作用强的土壤，施用硝化抑制剂具有一定的正效应，而喜硝作物则正相反。发现农业利用激发酸性土壤自养硝化过程的微生物机理因利用方式不同而异，水田土壤中硝化作用主要由氨氧化古菌(Group 1.1a-associated)驱动，而旱地土壤则主要由氨氧化细菌(Nitrosospira cluster 3)驱动。本项目获得的这些研究成果具有重要生产实际指导意义：一，作物引种时不仅需要考虑气候的适应性，还应当考虑作物喜好的氮形态与土壤中无机氮主导形态的契合程度。二者契合程度高，既可提高氮肥利用率，提高作物产量，又可以减少氮素的环境风险。二，提高氮肥利用率，减少氮损失的调控措施，必须是使土壤无机氮形态与作物喜好的氮形态契合程度更高的措施。本项目发表SCI论文36篇，项目成员中1人入选江苏省中青年领军人才培养计划，培养博士研究生6名。组织召开了“Nitrogen Cycling and Its Environmental Impacts in East Asia”的国际学术研讨会，向国内外同行介绍了本项目的研究成果。