农业面源污染与绿色发展

Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development

专 辑 文 章 介 绍

·第三篇·

　　▎论文ID

　　Regional assessment of soil nitrogen mineralization in diverse cropland of a representative intensive agricultural area

　　典型集约化农业区域农田土壤氮矿化评价

　　发表年份：2023年

　　第一作者：徐鹏

　　通讯作者：周明华

  ✉：mhuazhou@imde.ac.cn

　　作者单位：中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所

　　Cite this article : 

　　Peng XU, Minghua ZHOU, Bo ZHU, Klaus BUTT ERBACH-BAHL. REGIONAL ASSESSMENT OF SOIL NITROGEN MINERALIZATION IN DIVERSE CROPLAND OF A REPRESENTATIVE INTENSIVE AGRICULTURAL AREA. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 530‒540 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023515

·文 章 摘 要·

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　　土壤氮矿化 (N_min) 是有机氮向矿质氮转化的关键过程，控制着土壤氮素的有效性。然而，目前缺乏对农田土壤N_min及其影响因素的区域评估，特别是与海拔变化的关系。本研究通过4周的培养试验，测定了云南省大理市典型集约化农业区域5种农田土壤 (3种为玉米地，以A–C表示；1种为烤烟地，以D表示；1种为菜地，以E表示) 的N_min速率、硝化作用 (Nit) 速率及相应的非生物特性。结果表明：土壤N_min速率在0.10–0.17 mg·kg^–1·d^–1之间，以菜地E最高，烤烟田D次之、玉米地C、B和A最低，表明不同农田土壤N_min和Nit速率随海拔降低而升高。土壤Nit在434.2–827.1 µg·kg^–1·h^–1之间变化，以烤烟田D最高，其次为菜地E、玉米地C、B和A最低。土壤Nmin与土壤全氮、溶解有机碳和无机氮等关键土壤参数呈正相关，表明土壤变量对农田土壤N_min与Nit具有调控作用，土壤N_min与Nit也呈显著正相关。以上发现有助于进一步了解土壤N_min在不同农田间的空间变化响应，本文建议在评价区域尺度上的氮转化时，应考虑农田土壤N_min。

·文 章 亮 点·

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　　1.不同农田土壤氮矿化速率存在空间差异。

　　2.农田土壤氮矿化速率随着海拔降低而增大。

　　3.农田土壤氮矿化速率受土壤有机碳、总氮和可利用性碳氮调控。

　　4.研究水体面源污染需考虑农田土壤氮矿化对其贡献。

·Graphical abstract·

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·研 究 内 容·

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　　▎引言

　　氮是作物必需的营养物质，但土壤中唯一能被作物吸收和利用的矿质氮仅占土壤总氮的1%左右。氮肥通常是向作物提供氮的必要方法，此外，土壤氮矿化 (N_min) 是微生物活动中将有机氮转化为无机氮的关键过程，通常是保证氮营养的必要条件。然而，较强的N_min也可能导致过量的硝酸盐 (NO_3–-N) 和铵态氮 (NH₄₊-N)，这些NO_3–-N和NH₄₊-N可以通过地表径流丢失或浸出到地下水中，从而导致水污染。尽管已有大量报告记录了不同土地利用方式下的土壤Nmin速率，如林地、草地和耕地，但缺乏对土壤N_min及其对环境的潜在影响的区域评估，特别是对于集约化经营的农业区。硝化作用 (Nit) 是与土壤N_min相关的另一种重要的土壤N转化，对土壤中氮形态的调节有重要作用。通常土壤氮转化与N_min是耦合的过程，因土壤N_min和Nit受多种因素影响，土壤N_min和Nit存在较大的空间差异。土壤N_min受农业管理方式、温度、湿度、pH、通风、土壤有机质组成、土壤结构、土壤肥力和土壤微生物等影响。然而，这些因子对不同农田土壤N_min的影响存在差异，特别是在空间变异较大情况下。本研究旨在获得典型集约化的农业区土壤N_min的评价，并确定对农田土壤N_min调控的关键土壤因子。分析N_min与土壤变量之间的关系，并进一步讨论了土壤N_min对水土环境的潜在影响。

　　▎研究方法

　　本研究使用60个培养瓶 (250 mL)，每个瓶中装有20 g风干土样。在田间持水量40%条件下对土壤进行预培养 (15 °C, 5天)。预培养温度与土壤采样区年平均温度基本一致。预培养结束后，调整田间持水量至60%，在15 ℃条件下再培养30 天。每2天通过称重法及时补充蒸馏水来保持土壤的水分含量。在第1、8、15、22和30天取土样，测定土壤NH₄₊、NO_3–、溶解有机碳 (DOC) 含量和土壤pH。土壤无机氮含量 (DIN) 由NH₄₊-N与NO_3–-N含量之和表示。土壤净有机Nmin是由培养前后DIN含量的差异确定。土壤N_min速率 = N_min/t，其中t为实际培养时间 (天)。此外，土壤Nit采用气压分离系统测定。

　　▎结果

　　不同农田土壤N_min量和速率存在差异 (表1)，土壤N_min量和速率分别为2.98–5.52 mg· kg–1和0.10–0.17 mg·kg^–1·d^–1。土壤年矿化量在74.5–127.1 kg·ha^–1之间（表1），其中，菜地E最高，烤烟地D、玉米地C、玉米地B次之，玉米地A最低（表1）。不同农田土壤硝化速率变化范围为434.5–827.1 µg·kg^–1·h^–1 ，烤烟地D最高，菜地E、玉米地C和B次之，玉米地A最低 (表2)。土壤N_min速率随土壤NH₄₊-N和DOC含量的增加而线性增加 (图1)。特别地，土壤N_min速率与Nit有很好的线性关系 (图2)。

表1 不同农田表层土壤氮矿化量和矿化速率

表2 不同农田表层土壤硝化速率

图1 土壤氮矿化与可溶性有机碳和铵态氮的关系。

图2 土壤氮矿化与硝化速率的关系。

　　▎讨论

　　（1）农田土壤N_min的空间差异

　　有研究表明，不同农业生态系统的土壤N_min潜力随着纬度和海拔的增加而显著降低。在本研究中，土壤N_min速率在不同农田土壤表现差异较大，遵循随海拔降低而增高趋势，表现为菜地最高，烤烟田次之，玉米地最低。在野外试验中观察到，随着海拔的升高，土壤的活性有机碳逐渐减少，而在高海拔地区，土壤的N_min由于底物有效性的降低而减少。结果表明，土壤C/N随海拔的降低而降低，可能是促进土壤的N_min增强的原因。

　　（2）影响土壤Nmin的关键因素

　　有研究发现不同生态系统土壤N_min和Nit存在显著差异，其影响因素包括pH、土壤湿度、土壤质地、有机质质量、土壤TN、TC、土壤C/N等。Springob等研究表明土壤C/N越高，氮素释放速率越低。Colman和Schimel研究证明N_min的变化很大程度上是基于土壤有机质 (SOM) 的质量。本文研究结果表明，土壤N_min与土壤TN、DOC和NH₄₊-N相关。同样，Nit率的增加与土壤TN、DOC、NH₄₊-N和NO_3–-N含量的增加相关。本研究结果着重阐明，在空间 (海拔) 变化条件下，土壤参数对土壤N_min的重要影响。

　　（3）土壤Nmin对水质的潜在影响

　　本研究提出了农区土壤N_min的区域评价方法，并基于不同农田土壤N_min的年含量，探讨了土壤N_min对水环境质量的潜在影响。本研究表明，土壤N_min与Nit之间存在良好的正相关关系，这表明有机N_min产生的土壤NH4+-N可以通过微生物Nit过程被氧化成NO_3–-N。因此，较强的NO_3–-N可能会促进大量NH₄₊-N转化为NO_3–-N，这些NO_3–-N可以通过地表径流携带或淋滤到地下水中，从而威胁水质。综上所述，本研究结果表明，在空间和时间变化显著的种植背景下，应更多地关注土壤N_min。

·结 论 与 展 望·

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　　本研究对典型集约化农业区农田土壤N_min进行了评价，探讨了在海拔变化的空间尺度下，影响农田土壤N_min的关键土壤因子。本研究发现，土壤N_min和Nit速率在不同的采样区存在空间差异。总体而言，土壤N_min速率和Nit随海拔升高而降低，并与土壤全氮、有效碳氮等关键土壤参数相关。研究结果表明，在典型集约化农业区域尺度上评价面源污染时应考虑农田土壤N_min的贡献。

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