有机和常规作物生产中应用15N判断氮素肥料类型的研究

随着世界范围内有机农业的快速发展，辨识有机产品和常规产品，成为有机农业产业链条中亟待解决的问题。15N方法能够在一定程度上区分氮素形态，但 由于土壤类型、空气污染程度、施肥时期、作物品种、肥料类型、前茬施肥方式乃至灌溉等因素的影响，造成了利用该方法的误差和不确定性。本研究以有机和常规作物生产的土壤-作物系统为研究对象，利用受控试验结合长期有机和常规定位作物生产试验，采用15N的自然丰度方法，研究土地利用变化、肥料类型、土壤水分以及大气沉降等关键因素对于土壤和作物15N的影响机理，特别是引入15N 质量平衡的计算体系，探索采用15N方法判断有机和常规作物生产中氮素来源过程中的可行性并分析其误差来源，为农田生态系统的氮素循环研究提供技术支持。

本研究利用受控实验结合长期实验，研究肥料类型、蔬菜品种等关键因素对于土壤和作物15N的影响机理，探索采用15N方法判断有机和常规作物生产中氮素来源过程中的可行性。1）对于北京郊区的有机和常规农场的取样分析表明：长期施用化肥与施用有机肥相比，可以显著降低土壤全氮中的δ15N，且有机生产历史越长，土壤全氮含量与δ15N相关性越强；长期投入有机肥比高量、短期施用有机肥更能增加土壤的δ15N值。对于叶菜、果菜和根菜，蔬菜δ15N大小顺序为叶菜>根菜>果菜。大部分情形下，蔬菜δ15N与蔬菜中全氮含量之间无相关性。土壤全N和δ15N显示出较强的正相关关系。对于蔬菜，利用植物叶片更能提高判断蔬菜氮肥的准确程度。研究提出了北京地区春季有机蔬菜果菜、根菜以及叶菜的δ15N判断标准值。2）对桓台的区域取样分析表明，地表水硝酸盐的δ15N范围为+10.3‰~ +15.9‰, 利用稳定同位素模型IsoSource估算，地表水中硝酸盐主要源自污水和畜禽粪便。地下水中硝酸盐的δ15N值变化范围为+3.5‰~+13.5‰，利用反距离权重法对δ15N进行空间插值分析，结果表明δ15N高于+8‰的值零星分布在研究区域内,它们可能与其他多数取样点受不同氮源或氮循环过程影响。7个养殖场附近取样点较高的δ15N主要受畜禽养殖的影响，主要来源有机肥，δ15N在+3.75‰~+7.57‰之间，且地下水没有受到反硝化影响的取样点，其硝酸盐主要来源为化肥。对于桓台县域，85%以上地下水的氮素来源于化肥。3）采用盆栽和小区实验表明，随着植物生长，由于施肥差异造成的土壤δ15N值差异随着植物的生长越来越小，主要原因在于i)肥料氮数量的减少；ii)植物根系对于土壤氮素吸收的增加；iii）轻质14N的损失程度远大于15N，土壤中残留的15N越来越多，进而土壤δ15N对于蔬菜δ15N的影响越来越明显，反硝化可能是蔬菜地氮损失的重要途径。对于施化肥处理，来源于土壤的15N在10%左右，而对于施有机肥的处理，来源于土壤的15N比例始终维持在1/4水平。对于番茄-土壤系统15N和全氮分析表明：化肥处理中15N含量是有机肥处理O的1.6倍。生长期短的作物如菠菜，比生长期长的作物如白菜花对于肥料氮素类型更敏感，其δ15N更能反映施肥类型。4）有机无机氮配施，蔬菜中δ15N与单施化肥或者单施有机肥存在交叉，还应结合其他判断方法。