【文献解读|黑麦草改良对塑料大棚土壤氮素固定和矿化的影响：一项15N示踪研究】 / 开普饭

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"文献解读"专题·第8篇

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3712字 | 6分钟阅读

文章信息

原名：Effects of ryegrass amendments on immobilizationand mineralization of nitrogen in a plastic shed soil: A 15N tracer study

译名：黑麦草改良对塑料大棚土壤氮素固定和矿化的影响：一项15N示踪研究

期刊：Catena

2020年影响因子：5.198

5年影响因子：5.594

在线发表：2021年5月

第一作者：全智

通讯作者：方运霆

第一单位：中国科学院沈阳应用生态研究所

DOI: 10.1016/j.catena.2021.105325

导读

除化肥外，低C/N比的植物残体或有机肥通常用于集约化耕作的农业系统(如种植蔬菜的塑料大棚)，以防止养分缺乏和土壤退化，并保持高生产力。本研究在实验室条件下进行了120d的培养试验，研究了施用¹⁵N标记肥料和C/N比小于15的黑麦草后塑料大棚土壤中氮素的保持和供应动态。结果表明，在培养期间，土壤中C和N的矿化作用是相关的，但不是同步的。黑麦草的添加提供了一个重要的碳源，提高了微生物对肥料N的利用，并在培养初期降低了土壤N的矿化(负的“添加N交互作用”)。在剩余培养阶段，易分解C供应不足引起矿化主导的N周转导致土壤中无机氮的持续积累。黑麦草的施用虽然在短期内降低了土壤氮素的有效性，但在较长的时间尺度上，由于高、快速的净氮释放模式，在实际田间条件下可能无法保持土壤的氮素供应能力。因此，考虑到塑料大棚土壤矿质氮积累的潜在环境风险，应在低C/N有机物料施用的同时采取其他措施提高土壤固氮能力。

主要结果

1、C、N的矿化

C和N的净矿化在培养期间表现出不同的模式。黑麦草改良土壤释放的CO₂表现出两个截然不同的阶段：最初快速增加，随后相对缓慢增加(图1a)。在最初的快速腐解阶段，N的释放比例低于C，表明N的矿化反应慢于C的矿化(图1b)。

图1 累积C和N的矿化

Fig. 1. Cumulative C and N mineralization after (NH₄)₂SO₄(80 mg N kg^-1) and/or ryegrass (160 mg N kg^-1) additionduring the 120-day incubation. The bars represent the standard error (n = 4),which is smaller than the symbol when they are not visible. Separate bars in aline indicate the range of LSD (P = 0.05) for different treatments in the sameincubation time. Detailed comparisons for each treatment can be found in Fig.1S.

2、添加N源之间的交互作用

净氮矿化可以分为两个来源：标记的(¹⁵N-硫酸铵或¹⁵N-黑麦草)和非标记的(图2)。添加¹⁵N-硫酸铵的处理中¹⁵N-硫酸铵在前3天迅速被固定，然后在培养期保持稳定。添加¹⁵N-黑麦草的处理在120天的培养过程中缓慢矿化。与硫酸铵和黑麦草单独添加相比，两者共施显著促进了¹⁵N-硫酸铵的固定，但没有改变黑麦草的N矿化(图2a)。与对照相比，¹⁵N-黑麦草和¹⁴N-硫酸铵的添加导致大部分培养时间内更多¹⁴N来源的N被固定（激发指数＜1），而单独施用¹⁵N-硫酸铵对土壤本身有机N的矿化影响很小(图3)。

图2 标记(¹⁵N)和非标记(¹⁴N)来源的累积矿质N变化(净N矿化)

Fig. 2. Cumulative mineral N change (net N mineralization) fromlabeled (¹⁵N) and nonlabeled (¹⁴N) sources after (NH₄)₂SO₄(80 mg N kg^-1) and/or ryegrass (160 mg N kg^-1) additionduring the 120-day incubation. The bars represent the standard error (n = 4),which is smaller than the symbol when they are not visible. Separate bars in aline indicate the range of LSD values (P = 0.05) for different treatments inthe same incubation time.

图3 激发指数

Fig. 3. Priming indices of nitrogen in ¹⁵N-AS and ¹⁵N-ryegrasstreatments after (NH₄)₂SO₄ (80 mg N kg^-1)and/or ryegrass (160 mg N kg^-1) addition during the 120-dayincubation. The bars represent the standard error (n = 4), which is smallerthan the symbol when they are not visible.

3、可提取有机C(EOC)和有机N(EON)的变化

在培养的第一周，土壤EOC急剧下降(图4a)。0.1d时，黑麦草的添加增强了土壤EON浓度，随后各处理呈现出类似的波动，导致EOC/EON从0.1 d的13-18下降到30 d的4-5(图4b, 4c)。提取物的SUVA_{254 nm}(反映溶液中芳香化合物的比例，常作为芳香度的指标)在9.6到31 L g^-1cm^-1之间变化，并且在所有处理的培养过程中都有增加的趋势(图4d)。SUVA_254nm与EOC/EON呈负相关。

图4 土壤可提取有机碳(EOC)和可提取有机氮(EON)，以及0.5 M K₂SO₄可提取有机物质在254 nm下的特定紫外吸收(SUVA)

Fig. 4. Soil extractable organic carbon (EOC) and nitrogen(EON), as well as specific ultraviolet absorption at 254 nm (SUVA) for 0.5 M K₂SO₄-extractableorganic matter after (NH₄)₂SO₄ (80 mg N kg^-1)and/or ryegrass (160 mg N kg^-1) addition during the 120-dayincubation. The bars represent the standard error (n = 4), which is smallerthan the symbol when they are not visible.

主要结论

大棚栽培期间大量施氮导致了氮循环的不平衡，增加了土壤氮损失的风险甚至污染。结果表明，在大棚土壤中添加低C/N的绿肥，可能无法作为氮的过渡库，将土壤无机氮储备起来供今后利用。生长前期矿质氮积累量高，反而有利于氮素损失。为了减少氮素供需的不同步，需要进一步调整氮素转化的方向和幅度，以减少土壤矿质氮积累，特别是在作物种植初期。

要点:

1、黑麦草添加后土壤C、N矿化呈相关性，但不同步。

2、添加低碳氮比的黑麦草并没有减少净矿质氮积累，因为它释放了更多的氮。

3、在作物生长初期，还应采用其他策略来提高氮素的固定能力。

拓展

该作者之前也发表了2篇相关的研究论文，分别是：

2016年2月发表在Scientific Reports上题为“The fate offertilizer nitrogen in a high nitrate accumulated agricultural soil”的论文。

2017年12月发表在Soil Biology andBiochemistry上以“Formation of extractable organic nitrogenin an agricultural soil: A 15N labeling study”为题的论文。

相关简介及链接如下：

http://www.iae.cas.cn/gb2019/xwzx_156509/kyjz/201907/t20190725_5349030.html

参考文献：

Quan Z, Huang B, Lu C, et al. Effects ofryegrass amendments on immobilization and mineralization of nitrogen in aplastic shed soil: A 15N tracer study[J]. Catena, 2021, 203:105325.

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