耕作和施肥对黑土氮初级转化速率的影响及其环境效应

东北黑土区是我国重要的商品粮基地。黑土开垦后土壤因有机质矿化加速和侵蚀增加，有机质含量逐年下降。为了提高作物产量，施肥量逐年增加，在获得粮食高产的同时也引发了一系列生态环境问题。本项目采用15N同位素双标记法和数值优化模型研究黑土中有机氮矿化、铵态氮硝化、硝态氮反硝化、无机氮同化的初级速率、N2O排放及其与耕作、施肥、土壤理化性质和微生物性质的关系。旨在阐明黑土开垦后耕作和施肥对土壤有机氮矿化、供氮和保氮能力及其生态环境的影响规律和影响机制；明确黑土开垦后有机氮矿化速率变化对有机质含量变化的贡献；揭示黑土N2O排放的主要过程及其影响因素，为合理施用氮肥和管理，提高土壤肥力，降低氮肥的负面环境效应提供科学依据。

本项目以东北黑土区长期肥料定位试验土壤（草地土壤、不施肥耕地土壤、施用化肥耕地土壤、施用化肥加有机肥耕地土壤）为对象，通过室内培养实验，采用15N成对标记法和FLUAZ模型研究耕作和施肥对黑土氮初级转化速率和N2O排放过程的影响规律及机理。结果表明，草地土壤经过开垦转化为耕地后，促进了土壤有机质的分解，使土壤有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量碳含量显著降低，进而导致土壤氮素初级矿化速率和固定速率显著降低，但初级硝化速率却显著增加。与不施肥耕地土壤相比，长期施用化肥尤其是化肥和有机肥配施增加了土壤有机碳、水溶性有机碳和微生物生物量碳含量，从而提高土壤氮素初级矿化速率和固定速率，并且显著降低了初级硝化速率与铵态氮固定的比率。黑土经过开垦耕作后，由于土壤初级硝化速率的增加和固定速率的降低可能会促进硝态氮的产生与淋溶，而且有机氮初级矿化速率的显著降低导致植物可以吸收利用的速效氮减少。而长期施用化肥尤其是化肥和有机肥配施可以提高微生物对铵态氮固定的比率，降低硝态氮淋溶的风险，并且可以促进有机氮的矿化，提高土壤生产力。但是，长期耕作和施肥过程尤其是化肥和有机肥配合施用显著增加了反硝化过程对N2O的排放贡献，促进了N2O的大量排放。