固定态铵对不同外源氮的响应及其对氮肥利用率的贡献

Using meadow brown soil collected from a long-term experiment in Shenyang Agricultural Station, we aim to study the effect of different kinds of external nitrogen addition on soil fixed ammonium and the changes of this effect with the time. In both incubation and pot experiments, multiple techniques were adopted, including cross label of isotope and sterilization technology. The specific aims of the research were to: (1) analyze the distribution of recently fixed ammonium in different particle fractions and their turnover rates; (2) elucidate the roles of soil microbe in ammonium fixing and releasing; (3) characterize the responses and transforming mechanisms of soil fixed ammonium and microbial biomass nitrogen to different kinds of external nitrogen and discuss contributions of these processes to holding soil nitrogen and upgrading fertilizer use efficiency. This study intended to seek the threshold values of soil fixed ammonium releasing in contrasting soil fertility levels. This study could enrich knowledge of the soil nitrogen cycling and supply the theoretical foundation and technical support for reasonable nitrogen managements and operations in farmlands.

本研究以旱地农田潮棕壤（粘土矿物以伊利石和蛭石为主）为研究对象，以中国科学院沈阳生态实验站不同施肥模式长期定位试验为平台，以同位素交叉标记技术和灭菌技术为主要手段，以培养试验和盆栽试验为主要技术途径，围绕土壤铵的固定和微生物固持这一核心，系统研究不同外源氮添加对铵的矿物固定及其时效性的影响；分析"新固定的"固定态铵在不同粒级中的分布及其循环周转速率；阐明土壤微生物在铵固定与释放过程中的作用；探讨固定态铵和微生物量氮对不同外源氮的响应和转化机制及其对土壤保氮和肥料利用率的贡献；寻找不同肥力水平土壤"新-旧"固定态铵释放的生态阈值，相关成果既可以丰富土壤氮素循环的研究，也可以为农田氮素优化管理和科学运筹提供理论依据和技术支撑。

本研究依托长期定位试验，以15N交叉标记为手段，结合培养和盆栽试验，研究了外源氮（化肥、秸秆和猪粪来源氮）在土壤各氮库中的转化和分配情况，分析了长期不同施肥制度对土壤固定态铵库的影响及作物生长季内新固定的铵在各粒级中的分配与转化，明确了不同肥力水平土壤粘土矿物对铵的固定与释放和微生物对氮的固持与矿化过程分别在保氮和供氮中的作用，对比了这两个氮库对作物吸氮的贡献及不同养分管理措施下氮肥利用效率。结果表明，长期不同施肥制度对土壤固定态铵库有显著影响，钾肥可减缓固定态铵降低，而化肥与循环有机肥配施可使固定态铵库保持在较高水平；新固定的铵主要分配在粉粒和砂粒粒级，且有化肥氮施用的处理砂粒是固定态铵交换的主要粒级，而无化肥氮施用处理则粉粒是固定态铵交换的主要场所；随着土壤肥力水平的提高，铵的矿物固定与释放在保氮供氮中的作用逐渐降低，而微生物固持与矿化的相关作用逐渐提高，在低、中、高肥力土壤中前者保氮作用平均是后者的2.4、1.0、0.8倍，前者供氮作用平均是后者的1.8、0.5、0.5倍；固定态铵释放出的化肥氮对作物吸收化肥氮的潜在贡献为90%—21%，其随肥力水平提高和有机物料添加而降低，微生物量氮矿化的贡献为5%—65%，且随肥力水平提高和有机物料添加而升高；秸秆和有机肥来源氮的转化和循环主要依靠微生物过程来调节和完成；作物当季吸收的秸秆和猪粪来源氮分别占相应处理作物吸收化肥氮的4.1%和6.7%，且该比例均随肥力水平提高而提高，在高肥力水平土壤上的比例分别为6.4%和8.3%；尽管化肥与有机物料配施减少了化肥氮的损失，但不同程度降低了肥料氮利用率（除低肥力土壤化肥与有机肥配施处理），这主要源于添加碳源促进微生物活性后，其固持氮素释放缓慢，造成土壤供氮与作物需氮同步性的降低，进而导致作物产量降低和氮肥当季利用率的下降，尤以配施秸秆更甚。因此，如何优化养分资源高效配置仍需进一步研究。