农田生态系统大气氮、硫湿沉降通量的观测研究

2007年10月至2008年9月,借助自动降雨收集器(APS-2A)及自动气象观测站(VSALA-M52),在中国科学院红壤生态实验站(江西鹰潭)农田区内定位采集雨水样本,探讨了大气氮、硫湿沉降特征,估算了大气氮、硫的湿沉降向农田生态系统的输入通量.结果表明,雨水中氮、硫素的月质量浓度变异较大,全氮(T-N)、铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3~--N)和硫(SO_4~(2-)-S)的月质量浓度,即ρ(T-N)、ρ(NH_4~+-N)、ρ(NO_3~-N)和ρ(SO_4~(2-)S)分别为1.09～7.84、0.64~6.25、0.34～1.83和0.95～7.64mg·L~(-1),均与降水呈负相关,其中ρ(T-N)、ρ(NH_4~+-N)、ρ(SO_4~(2-)-S)与降水的相关性达到比较显著水平(n=11,p<0.10).湿沉降月通量F(T-N)、F(NI_4~+N)、F(NO_3~--N)和F(SO_4~(2-)-S)分别为1.0～7.84、0.64～6.25、0.17～1.54和1.22～9.15 kg·hm~(-2),均与降水呈正相关,其中F(T-N)、F(NH_4~+-N)和F(SO_4~(2-)-S)与降水的相关性均达到显著水平(n=11,p<0.05).季节上,雨水氮、硫浓度及湿沉降氮、硫通量均呈冬春>夏秋的特性.湿沉降向农田生态系统输入N 35.94 kg·hm~(-2)·a~(-1)和S45.93 kg·hm~(-2)·a~(-1),其中NH4~+-N的年沉降通量为22.92 kg·hm~(-2),占湿沉降氮总量的63.75%.     

长三角地区典型稻作农业小流域氮素平衡及其污染潜势

江苏省句容市陈武镇水库流域是以稻作为主的农业小流域,在长三角地区颇具典型性。于2007年5月至2008年4月在该流域进行定位观测与现场调查,通过估算氮素平衡来分析预测流域农田氮污染潜势。结果表明,研究时段内流域氮素输入量为1 589.1 t,输出量为1 168.4 t。化肥氮输入是农田氮素的最主要来源,占氮输入总量的67.2%;而作物收获是农田氮输出的主要方式,占氮输出总量的46.7%。水田和旱地氮平衡均处于盈余状态,盈亏率分别为20.5%和52.4%,氮素利用率分别为33.6%和34.9%,利用率较低。水田47.8%的氮素以气态形式损失,气态氮和储存在土壤中的氮素极易导致大气和水体污染。     

大气氮湿沉降对青山湖富营养化的影响

针对大气湿沉降氮的区域通量问题,通过2008年春、夏季对临安青山湖区湿沉降中氮素化学形态的分析,揭示了大气氮湿沉降的时间分布特征,通过估算大气氮湿沉降的输入通量,研究湿沉降对湖区水体富营养化的贡献.结果表明,春季青山湖降水总氮浓度范围为(1.30±0.02)—(9.80±0.85)mg.L-1,其中铵态氮占总氮比例最高,为40.7%,硝态氮和有机氮的比例分别为33.5%和25.8%;雨水氮浓度随着降雨强度的增大呈显著下降趋势,铵态氮和硝态氮所占的比例随着降雨的进行会逐渐升高,而有机氮的比例却有不断降低的趋势;青山湖春季大气氮沉降负荷为6.64 kg.hm-2,雨水中平均的氮浓度为(4.86±0.65)mg.L-1,严重超过了水体富营养化0.2 mg.L-1的阈值,对青山湖水生生态系统造成潜在的威胁.     

长江经济带农田氮素平衡特征与污染风险评估分析

以长江经济带11省市作为研究对象,利用农田生态系统氮素平衡模型对研究区129个地级市氮素输入输出情况进行估算,分析了氮素盈余的空间分布特征。在此基础上耦合坡度、年度侵蚀性降雨量、侵蚀性降雨天数、距离河流距离、农田氮素盈余量等因子确定了农田氮素污染风险等级。结果表明:2015年研究区农田生态系统氮素输入总量为1.809×10~7t,输出总量1.392×10~7 t,盈余量为4.177×10~6 t,平均盈余态氮养分负荷为87.5 kg·hm~(-2);湖北、云南、四川等省盈余总量均超过5.0×10~5 t,而上海、江西、安徽等省份较小;单位面积盈余量较大区域主要分布在云南省、湖北省大部、江苏省北部及湖南省中南部地区。氮素利用效率结果显示研究区氮素利用效率较低,与世界农业发达国家相比仍停留在过去粗放式发展的模式中。从风险等级角度来看,研究区整体处于氮素污染高风险状态,高风险及极高风险区占比达64.1%,尤其以重庆、贵州、云南等省市为甚。通过与北方地区氮素污染潜势结果对比分析,可以看出研究区内由于河网密集、侵蚀性降水强度大以及坡度较大等因素的影响而导致其污染等级远高于北方地区。该研究明确了2015年长江经济带氮养分平衡状况以及污染风险等级的空间分布特征,对于解决农业面源氮污染防治具有重要的理论和现实意义。     

太湖流域典型稻-麦轮作农田区氮素流失过程研究

太湖地区经济高度发达,劳动力紧缺,种植小麦(Triticum aestivum)经济效益不高,而且小麦-水稻(Oryza sativa)轮作中,麦季氮素淋洗损失高于稻季,为探讨和揭示太湖流域典型稻-麦轮作农田区氮素流失过程及平衡特征,选取典型太湖流域农田系统为研究对象,采用径流小区的研究方法,在太湖流域典型稻-麦轮作种植模式下,对太湖流域典型稻-麦轮作区进行连续3年(2007─2010年)原位监测,阐明了太湖流域典型稻麦轮作区氮素流失过程及其影响因素,分析了该区域氮素平衡特征,结果表明:大气氮干沉降量冬春季较多且分布较均匀;总氮(P0.001***)及铵态氮(P=0.02*)的大气湿沉降量和降雨量呈现极显著的相关性。地表径流中氮素的主要流失形态为可溶性氮素,同时,径流水量是引起氮素径流流失的主要驱动因子(P0.01)。雨水是驱动小麦季氮素下渗的唯一动力。铵态氮是氮素淋失的主要形态,在稻作期,铵态氮渗漏流失量约占总渗漏流失量的70%。太湖流域稻麦轮作区,各项氮素年平均流失去向分别为:作物收割290 kg·hm-2,占总输入量55.98%;反硝化流失130 kg·hm-2,占总输入量25.10%;径流流失59.5 kg·hm-2,占总输入量11.49%;氨气挥发22.28kg·hm-2,占总输入量4.30%;渗漏流失16.1 kg·hm-2,占总输入量3.11%。全年平均氮素流失总量为518 kg·hm-2,氮素的盈余量为91.9 kg·hm-2。该研究结果对于指导太湖农流域农田水肥管理,控制农业面源污染具有积极意义。     

鼎湖山降水有机酸的变化特征及影响因素分析

针对2009年3月至2010年2月于鼎湖山采集的大气湿沉降进行分析,旨在了解鼎湖山森林生态系统有机酸湿沉降变化特征及其影响因素.结果表明,研究期间鼎湖山甲酸、乙酸和乙二酸的当量平均浓度分别为4.12μeq.L-1、3.39μeq.L-1、2.51μeq.L-1,分别占已测定有机酸的41.1%、33.9%和25.0%;有...     

黔中黄壤坡耕地区域降水及其氮磷输入特征

黄壤坡耕地不仅具有“黏、酸、瘦”的特点,而且水土、养分流失普遍严重,引起一系列农业面源污染环境问题。以黔中黄壤坡耕地氮磷流失长期定位监测基地为平台,于2008─2012年连续5年进行观测,研究了降水及氮磷湿沉降浓度、总量及季节性变化等特征,探明了降雨带入的氮磷养分对黄壤坡耕地养分流失的贡献,为农业生产、农业面源污染防治对策提供科学依据。结果表明：2008─2012年间,年降雨次数变幅为46~109次,年均64次;年降雨量变幅为558.4~901.5 mm,年均695.7 mm;频次降雨量变幅为6.5~15.5 mm,平均10.9 mm。5年湿沉降TN、NO3--N、NH4+-N、TP浓度变幅,分别为1.57~3.31、0.17~0.79、0.10~0.94和0.06~0.48 mol·L-1,平均值分别为1.91、0.42、0.28、0.14 mol·L-1,均与降水量呈负相关,但未达到显著水平;5年湿沉降TN、NO3--N、NH4+-N、TP输入量变幅,分别为11.19~18.47、0.96~5.47、1.22~6.65和0.42~1.34 kg·hm-2·a-1,平均值分别为14.32、3.37、2.77、1.09 kg·hm-2·a-1,TN、TP输入量与降雨量呈正相关(相关系数分别为0.774、0.707,P值分别为0.0003、0.0015)。输入量季节性变化5─8月最为集中,5─7月TN输入量为6.95 kg·hm-2,占全年TN输入量的比例高达51.1%;6─8月TP输入量为0.49 kg·hm-2,占全年TP输入量的比例高达47.4%,即冬、春季较低,夏、秋季较高。湿沉降TN、TP输入量相当于当地施肥投入的氮、磷素总量的7.54%、1.14%,因此在农业生产中制定施肥方案时,可考虑坡耕地湿沉降养分的输入,尤其是氮养分的输入。     

四川盆地西缘都江堰大气氮素湿沉降特征

大气氮沉降已成为全球性环境问题,对陆地生态系统结构与功能产生显著影响.于2015年8月-2016年7月,在都江堰灵岩山森林生态系统开展定位观测,分析大气降水中各形态氮素浓度;结合都江堰全年降水数据,估算当地湿氮沉降量的季节动态特征.结果显示,观测期间全年降水量为1 073.4 mm,降水中可溶性总氮(TDN)、可溶性有机氮(DON)、铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)平均浓度分别为5.9、2.9、1.6和1.4 mg/L,各形态氮浓度具有明显的季节变化特征,均表现为冬春季高于夏秋季.湿氮沉降中各形态氮沉降量与降水量和降水频次呈显著正相关(P0.05).全年TDN湿沉降量为36.2 kg hm~(-2) a~(-1),其中NH_4~+-N、NO_3~--N和DON分别为16.4、10.0和9.8 kg hm~(-2) a~(-1).可溶性无机氮(DIN)沉降量占TDN沉降量的72.8%,DIN中有62.1%来自NH_4~+-N.综上所述,都江堰地区湿氮沉降显著,且以无机氮为主,这可能对区域植被生长有一定促进作用.     

重庆市壁山县双碑四组肥料施用与农田生态氮素循环初探

本文从农田生态系统中氮素循环出发,比较了双碑四组1976—1980年的肥料施用和粮食生产中的氮素输入和输出。结果表明,土壤氮素消耗大于积累(-33_34％——+11.0％);有机与无机肥料施用比例明显失调(1.00:1.02);化学氮肥投资(不变价格)占农业总投资的比例以平均2.5％的递增率逐年上升。只有广辟肥源,生物固氮,科学施肥,强化农田氮素输入,才能保持农田生态系统中氮素平衡。只有提高氮肥利用率和肥料经济效益,才能达到增产增收。     

广东韶关地区大气氮干湿沉降特征研究

2012 年4 月-2013 年9 月利用自动分离干湿沉降的采样器对广东省韶关市降雨和干沉降进行采集,分析样品降雨量、降尘量及氮营养盐干湿沉降浓度,计算各指标干湿沉降通量,利用沉降通量分析其影响因素及季节性变化趋势,为该地区大气氮沉降的通量预测及其环境管理提供支持,并为其生态环境中污染物的控制与减排提供科学依据.结果表明,观测期间总氮干沉降通量、湿沉降通量和总沉降通量平均值分别为47.73、295.7 和310.5 kg·km^-2·month^-1.氨态氮、硝酸盐氮与有机氮干沉降通量平均值分别为17.39、12.98 和17.37 kg·km^-2·month^-1,其湿沉降通量平均值分别为132.4、117.0 和46.23kg·km^-2·month^-1.总氮湿沉降通量占总氮总沉降通量平均比例为83.19%,说明总氮沉降通量以湿沉降为主.影响因素方面,总氮干沉降通量与降尘量无相关性;湿沉降受降雨量影响较大,所以受雨季影响,韶关地区4-6 月总氮湿沉降负荷较大.成分组成上,干沉降中氨态氮平均占总氮比例35.48%,硝酸盐氮平均占27.96%,有机氮平均占36.55%,因此该地区氮营养盐干沉降中以氨态氮和有机氮为主;氮营养盐湿沉降以氨态氮和硝酸盐氮为主,氨态氮平均占总氮比例46.87%,硝酸盐氮平均占40.64%,有机氮平均比例为12.49%,说明该地区湿沉降同时受到农业活动和工业活动的影响.季节变化上,氮营养盐干沉降通量由大到小依次为冬季、春季、秋季、夏季,湿沉降通量春季较高,夏秋两季较低.     

不同施氮水平对玉米产量、氮素利用效率及土壤无机氮含量的影响

通过研究不同施氮水平对玉米产量、氮素利用率及土壤硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)残留量的影响,为氮肥的合理利用提供依据.在黑龙江省农业科学院科技园区布置田间小区试验,结果显示:玉米产量随施氮量增加而增加,施氮量为165 kg·hm-2时,氮肥利用率最高,当施氮量高于165 kg·hm-2,产量反而有降低的趋势,过量施氮也并不能增加玉米对氮素的吸收,因而氮素利用率也随施氮量的增加而降低.玉米收获后土壤剖面无机态氮质量分数的变化因施氮量的不同而表现出差异,0~80 cm土层硝态氮积累量随氮肥输入量的增加而显著增加,以表层(0~40 cm)硝态氮质量分数最高,中间层(60~80 cm)质量分数最低,100 cm以下土层以施氮量为165 kg·hm-2的处理土壤硝态氮积累量最低,降低了硝态氮淋溶风险;铵态氮的质量分数相对较低,不同的施氮量对土壤铵态氮质量分数的影响主要在0~20 cm土层,铵态氮质量分数与施氮量并无显著的相关关系.综合考虑玉米产量、氮素利用率与生态环境效益,以165 kg·hm-2(优化施氮量)为最佳氮肥施用量.     

氮输入对沼泽湿地植物生长和氮吸收的影响

氮是湿地植物生长必不可少的营养元素之一,但当外源氮输入超出植物生长需要时,氮素将抑制植物生长。不同植物对氮输入的响应不同,同一植物不同器官对氮输入的响应也不一致。为了探讨氮输入对湿地植物生长和氮吸收的影响机制,本文选取滇西北典型湖泊湿地纳帕海湖滨挺水植物茭草（Zizania caduciflora）和水葱（Scirpus validus）为对象,通过控制实验,研究了3个不同氮输入水平[0 g·m-2·a-1（对照,CK）、20 g·m-2·a-1（N20）、40 g·m-2·a-1（N40）]对茭草和水葱生物量积累、根冠比、氮吸收的影响。结果表明：培养期内,茭草地上生物量始终表现为N40〉N20〉CK,即氮输入促进茭草地上生物量积累;而水葱地上生物量随培养时间不同而发生变化,培养早期N20处理促进水葱地上生物量积累,N40处理抑制水葱地上生物量积累。茭草地下生物量表现为N40〉CK〉N20,即氮输入不足抑制茭草地下生物量积累,足够氮输入促进茭草地下生物量积累;水葱地下生物量表现为CK〉N20〉N40,即氮输入抑制水葱地下生物量积累。植物地上部分和地下部分生长对氮输入的响应也不一致,导致植物根冠比发生变化,茭草根冠比表现为N20     

土壤矿质氮和可矿化氮对当季作物的贡献

从土壤矿质氮-硝态氮和铵态氮、土壤可矿化氮3个指标研究了土壤剖面不同层次有效氮对作物吸氮的贡献.结果表明,不同指标反映土壤供氮能力状况不一.土壤硝态氮和土壤可矿化氮与作物吸氮有较好的相关关系,而土壤铵态氮与作物吸氮关系不密切.在深度120cm之上的土层的土壤可矿化氮对作物吸氮有较大的贡献.在考虑土壤供氮能力时,建议应该考虑120cm深层以上的土壤.     

农业生态系统的氮素循环研究进展

在自然和人为作用的双重驱动下,地球表面氮素的生物地球化学过程及其环境效应成为当前全球变化中区域研究的重要内容。探讨了氮素循环各个过程及其数量特征,对氮素循环模型进行了介绍,并对当前生态系统中氮素循环的研究热点进行了简要的论述。     

减量施氮对苦荞产量形成及氮代谢酶活性的影响

为明确减量施氮对苦荞强弱势粒及产量形成的影响,以苦荞品种晋荞2号为试验材料,研究在225 kg/hm2(N1)、135 kg/hm2(N2)、45 kg/hm2(N3)、0 kg/hm2(N4,对照)4个氮肥处理下苦荞强弱势粒的灌浆动态、根系形态生理、叶片中叶绿素含量及氮代谢相关酶活性、农艺性状和产量的差异.结果显示:...     

关于氮肥利用率的思考

应用作者近10年在华北地区冬小麦／夏玉米中氮肥转化与去向的研究资料，对施氮量、产量、氮肥利用、残留、损失关系进行分析；认为简单的氮肥利用率很难反映不同农业生产水平条件下的氮肥利用状况；要准确反映氮肥利用状况，应综合考虑产量水平、氮肥利用、残留及损失的情况。论证了我国氮肥利用率具有很大的变幅，平常所说的30％-35％只是一个整体概念，不能以此来说明我国氮肥损失量大，对环境的污染严重。在我国农业生产中，必须研究解决既能获得尽可能高的产量，又能最大限度地减轻对环境压力的氮肥施用技术及其理论基础，而不应该一味追求多么高的氮肥利用率。     

Microbial nitrogen limitation increases decomposition

With anthropogenic nutrient inputs to ecosystems increasing globally, there are long-standing, fundamental questions about the role of nutrients in the decomposition of organic matter. We tested the effects of exogenous nitrogen and phosphorus inputs on litter decomposition across a broad suite of litter and soil types. In one experiment, C mineralization was compared across a wide array of plants individually added to a single soil, while in the second, C mineralization from a single substrate was compared across 50 soils. Counter to basic stoichiometric decomposition theory, low N availability can increase litter decomposition as microbes use labile substrates to acquire N from recalcitrant organic matter. This "microbial nitrogen mining" is consistently suppressed by high soil N supply or substrate N concentrations. There is no evidence for phosphorus mining as P fertilization increases short- and long-term mineralization. These results suggest that basic stoichiometric decomposition theory needs to be revised and ecosystem models restructured accordingly in order to predict ecosystem carbon storage responses to anthropogenic changes in nutrient availability.     

氮沉降增加对土壤微生物的影响

综述了国外氮沉降对土壤微生物的影响研究现状，主要从土壤微生物群落结构组成及功能等方面对氮沉降的响应进行了综述，并从微生物对底物的利用模式及碳分配状况，pH值的变化方面初步探讨了土壤微生物对过量氮沉降的响应机制。研究表明，过量氮沉降会给土壤微生物在以下几个方面带来负影响：首先，改变微生物群落结构组成，表现为土壤真菌细菌相关丰富度发生改变，真菌生物量的减少，真菌／细菌生物量比率的减少，土壤微生物量的减少，微生物群落结构发生改变；其次，改变微生物功能，表现为减少土壤呼吸率，土壤酶活性的降低，改变微生物对底物的利用模式等等。此外，文章还指出出未来该方面研究重点和方向。     

Examining the coupling of carbon and nitrogen cycles in Appalachian streams: the role of dissolved organic nitrogen

Although regional and global models of nitrogen (N) cycling typically focus on nitrate, dissolved organic nitrogen (DON) is the dominant form of nitrogen export from many watersheds and thus the dominant form of dissolved N in many streams. Our understanding of the processes controlling DON export from temperate forests is poor. In pristine systems, where biological N limitation is common, N contained in recalcitrant organic matter (OM) can dominate watershed N losses. This recalcitrant OM often has moderately constrained carbon:nitrogen (C:N) molar ratios (approximately 25-55) and therefore, greater DON losses should be observed in sites where there is greater total dissolved organic carbon (DOC) loss. In regions where anthropogenic N pollution is high, it has been suggested that increased inorganic N availability can reduce biological demand for organic N and therefore increase watershed DON losses. This would result in a positive correlation between inorganic and organic N concentrations across sites with varying N availability. In four repeated synoptic surveys of stream water chemistry from forested watersheds along an N loading gradient in the southern Appalachians, we found surprisingly little correlation between DON and DOC concentrations. Further, we found that DON concentrations were always significantly correlated with watershed N loading and stream water [NO3-] but that the direction of this relationship was negative in three of the four surveys. The C:N molar ratio of dissolved organic matter (DOM) in streams draining watersheds with high N deposition was very high relative to other freshwaters. This finding, together with results from bioavailability assays in which we directly manipulated C and N availabilities, suggests that heterotrophic demand for labile C can increase as a result of dissolved inorganic N (DIN) loading, and that heterotrophs can preferentially remove N-rich molecules from DOM. These results are inconsistent with the two prevailing hypotheses that dominate interpretations of watershed DON loss. Therefore, we propose a new hypothesis, the indirect carbon control hypothesis, which recognizes that heterotrophic demand for N-rich DOM can keep stream water DON concentrations low when N is not limiting and heterotrophic demand for labile C is high.     

Biogeochemistry of a temperate forest nitrogen gradient

Wide natural gradients of soil nitrogen (N) can be used to examine fundamental relationships between plant-soil-microbial N cycling and hydrologic N loss, and to test N-saturation theory as a general framework for understanding ecosystem N dynamics. We characterized plant production, N uptake and return in litterfall, soil gross and net N mineralization rates, and hydrologic N losses of nine Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii) forests across a wide soil N gradient in the Oregon Coast Range (U.S.A.). Surface mineral soil N (0-10 cm) ranged nearly three-fold from 0.29% to 0.78% N, and in contrast to predictions of N-saturation theory, was linearly related to 10-fold variation in net N mineralization, from 8 to 82 kg N.ha(-1) x yr(-1). Net N mineralization was unrelated to soil C:N, soil texture, precipitation, and temperature differences among sites. Net nitrification was negatively related to soil pH, and accounted for <20% of net N mineralization at low-N sites, increasing to 85-100% of net N mineralization at intermediate- and high-N sites. The ratio of net: gross N mineralization and nitrification increased along the gradient, indicating progressive saturation of microbial N demands at high soil N. Aboveground N uptake by plants increased asymptotically with net N mineralization to a peak of approximately 35 kg N.ha(-1) x yr(-1). Aboveground net primary production per unit net N mineralization varied inversely with soil N, suggesting progressive saturation of plant N demands at high soil N. Hydrologic N losses were dominated by dissolved organic N at low-N sites, with increased nitrate loss causing a shift to dominance by nitrate at high-N sites, particularly where net nitrification exceeded plant N demands. With the exception of N mineralization patterns, our results broadly support the application of the N-saturation model developed from studies of anthropogenic N deposition to understand N cycling and saturation of plant and microbial sinks along natural soil N gradients. This convergence of behavior in unpolluted and polluted forest N cycles suggests that where future reductions in deposition to polluted sites do occur, symptoms of N saturation are most likely to persist where soil N content remains elevated.