农田土壤有机氮组分的更新过程及驱动机制研究

为探讨土壤氮素高效利用的理论问题，我们应用土壤氮素过渡库理念探讨了肥料氮素微生物同化过程和解聚矿化的反馈调控机制。研究中发现氮素过渡库特性与土壤有机氮组分的更新密切相关，成为土壤氮素转化研究中新的科学问题。本研究以三种典型农田土壤为对象，应用先进的有机氮组分的同位素区分、15N-DNA跟踪、微生物残留物"记忆效应"、土壤氮素结构分析等技术，采用田间原位和室内模拟试验手段，结合物理分级，从过程、机理和驱动因素三个层次系统研究土壤有机氮素组分的更新过程及其在各物理氮库中的分异作用，探讨外源氮素在土壤中的稳定机制及其与土壤氮素内循环的关系，了解土壤氮素在结构和组分间的转化更新动态特征，明确碳氮协同作用机制及对土壤有机氮库更新过程的影响，阐明不同来源氮素的转化特征和微生物学驱动机制。本研究在理论上为深入探讨土壤氮素的生物地球化学循环过程奠定基础，在实践上为土壤养分资源高效利用提供科学依据。

本研究以典型农田土壤为研究对象，采用15N同位素交叉标记长期原位示踪和实验室模拟试验，探讨了肥料和秸秆来源两种完全不同性质氮素在农田土壤-植物系统的循环过程及其对土壤氮素周转、更新、积累和保持的影响，评价了两种来源氮素在农田生态系统中的作用与功能。研究首次发现两种氮素在农田系统氮循环和土壤供氮过程中具有功能互补性，且不可相互替代。虽然当季施用和残留秸秆氮素都有一定的供氮能力，但秸秆氮素的关键作用在于对土壤氮素积累和更新的长期贡献，是构建土壤稳定氮库的关键物质基础。肥料和秸秆来源氮素的不同功能源于两种氮源不同的土壤内循环过程。肥料（无机）氮素的微生物固持受到活性碳源的调控，同时受到矿物吸附和固定作用的竞争，通过微生物稳定过程（周转慢）和固定态铵（快速周转）的缓冲特性的协同作用来维持保氮-供氮平衡和土壤氮素高效循环。然而，秸秆分解过程中“碳释放”和微生物“氮固持”具有时间差异性，因而秸秆氮素主要伴随着碳利用过程被微生物通过直接途径同化，不仅可以有效维持土壤有机氮库容，同时也降低了土壤无机氮素的积累。外源氮素的供应和土壤氮库转化和积累不断促进土壤氮素的更新，并受到微生物过程的调控。细菌残留物易于参与土壤氮素周转，而真菌残留物有利于土壤氮库的保持和稳定。土壤微生物从细菌到真菌的接替过程导致残留氮素从细菌残留物向真菌残留物中转移和固持，是外源氮素在土壤中固持的关键机制。同时，外源氮素同化形成有机组分后，有机氮组分间的分配和协调关系强烈影响着土壤氮素的保持及可利用性。由于我国农田土壤氮素的大量损失主要原因是土壤活性碳源的缺乏所致，研究结果为农田土壤氮素高效管理提供了理论基础。在实践上，持续输入活性有机物料（秸秆等）调控土壤氮素更新过程的必要措施，其核心作用是有效协调了肥料氮素的供应和残留、土壤氮素的周转和积累的关系。