不同温度条件下15N-肥料氮素在黑土中的微生物同化特征及稳定性研究

Nitrogen (N) fertilizer use efficiency is closely related to the microbial transformation process of fertilizer N. A large difference of temperature between seasons as well as day and night is the nature in Mollisol region, Northeast of China. Temperature could affect the microbial assimilation of N fertilizer, and studying the response of microbial assimilation of N to temperature is the key to reducing N loss and improving N fertilizer use efficiency. In this study, an incubation experiment with typical agriculture Mollisol will be carried out and stable isotope chromatography/mass technique for the differentiation of the “new” and “old” organic componds will be applied to investigate the effect of different temperature on the soil microbial assimilation of exogenous N. Our objective is to investigate the assimilation rate and enrichment dynamic of 15N to the microbial residues (amino sugars and amino acids), and the effect of carbon substrates (glucose and maize residue) on the transformation process, as well as the distribution and transfer character of this newly synthesized N compounds in the soil particle size under different temperature. Finally, the mechanism of microbial assimilation of N, the carbon and N coupling effect, and the stability of the newly synthesized N under different temperature will be eluciated. This study could provide the necessary theoretical and practical foundation for efficient utilization of N and soil fertility manipulation.

东北农田高产利用条件下，如何提高氮肥利用率仍是具有挑战性的问题。氮肥的高效利用与肥料氮素在土壤中的微生物同化过程密切相关。东北黑土处于相对冷凉地区，生长季的季节间及昼夜温差较大，温度大幅变化是否或如何影响肥料氮素在黑土中的微生物同化过程是值得探讨的问题。本研究以东北农田黑土为研究对象，采用室内培育实验，结合稳定同位素示踪和“新”、“老”有机氮化合物组分区分的色谱/质谱技术，跟踪不同温度作用下外加(15NH4)2SO4在土壤微生物细胞组分(氨基糖和氨基酸)中的转化和富集动态，探讨不同温度作用下肥料氮素在土壤中的微生物同化过程，考查不同温度条件下碳底物(玉米秸秆和葡萄糖)和肥料氮素同化强度的耦合过程，分析不同温度作用下新同化氮素在土壤粒级中的分布特征，阐明土壤无机氮素的微生物同化过程对不同温度的响应机制、碳氮协同作用及新同化氮素的稳定机制。本研究对于黑土区氮肥的高效利用与管理具有重要参考意义。

温度是影响土壤氮素转化过程的重要因素。肥料氮素施入到土壤中经常面临温度变化，然而温度变化如何影响肥料氮素的微生物同化过程仍是个模糊的问题。充分认识土壤中肥料氮素的转化规律对温度变化的响应机制十分必要。本研究采用15N标记培养试验，以氨基酸和氨基糖为氮素微生物同化过程的标识物，结合色谱/质谱联机同位素区分技术，系统研究了不同温度条件下外加无机15N在土壤中的微生物转化过程。研究结果表明，不同温度能够影响外源氮素（肥料氮素）向土壤微生物残留物（氨基酸和氨基糖）的转化，并且碳底物的可利用性能够影响不同温度条件下外源氮素在土壤中的微生物同化过程。与秸秆添加相比，活性碳源葡萄糖的输入更有利于低温条件下外源氮素向土壤真菌和细菌残留物的转化，可见活性碳源的输入对于低温条件下氮素的保持至关重要。然而，无论土壤中碳源活性如何（玉米秸秆和葡萄糖），高温都不利于外源氮素向真菌残留物的转化，而有利于外源氮素向细菌残留物转化。此外，温度能够影响新形成氮素在土壤不同粒级中的同位素富集比例，表明新形成氮素在土壤粒级中的分布特征受到不同温度的影响。总体来看，低温有利于真菌残留物来源氮素在土壤粘粒级中富集，而高温则有利于细菌残留物来源氮素在土壤粘粒级中富集，表明低温有利于肥料来源的真菌残留物在土壤中稳定存在，高温则有利于肥料来源的细菌残留物在土壤中稳定存在。本研究在理论上可为提高土壤氮素养分利用效率、减少氮素损失提供参考。在实践上对于合理的施肥和水分管理，减少氮素损失提供科学依据。