【毕业学位论文】（Word原稿）长江三角洲地区菜地系统氮肥利用与土壤质量变异研究植物营养学博士论文

密级 论文编号 中国农业科学院 学位论文 长江三角洲地区菜地系统氮肥利用与 土壤质量变异研究 of o. N he of I 摘 要 近年来，我国农业种植结构发生了很大的变化，蔬菜种植 面积大幅度发展。在蔬菜栽培中，为追求生产效益菜农大量施用肥料尤其是氮肥，造成肥料利用率降低、土壤质量下降，生态环境恶化等问题。在我国经济快速发展地区，上述问题尤为严重。因而，研究该地区氮肥在蔬菜 少农业环境污染以及促进社会经济的可持续发展具有重要意义。 本论文通过对 2 个蔬菜保护地的大田试验、结合 3 个保护地的定位监测试验以及盆栽试验，采用常规方法和示踪技术（利用无机、有机肥交叉标记），研究常规施肥条件下有机肥氮、无机肥氮在蔬菜保护地中的转化和去向； 并通过不同种植类型土壤以及不同种植年限的保护地进行土壤质量监测试验，对保护地土壤质量下降的原因进行了探索。主要结果如下： 常规田间定位试验结果表明：氮肥用量 225机肥比例为 0条件下，氮肥当季利用率小于 10%。两季作物的利用率也仅有 5作物未吸收的肥料氮主要以 N 的形态存留在剖面 0体之内，残留率为 34有机肥比例较高，土壤累积的矿质氮较低，氮肥利用率较高。大田的示踪试验的结果表明：蔬菜吸收的氮素 2%11%来自于肥料 ，约 90%的氮素是从土壤中吸收。由于受降雨的影响，化肥淋洗损失严重，总损失率高达 70%。而施用有机肥增加了氮肥在土壤中的回收率。有机肥与化肥配施条件下化肥氮的土壤回收较单施化肥高，即便如此，配施条件下损失的氮素 97%来自化肥氮，仅有 3%来自有机肥氮。 通过对三种类型菜地，即菜稻轮作 3 年保护地 0 年保护地 着土壤氮含量水平的提高，土壤生产力提高，蔬菜生物量和吸氮量均有明显的增加。而在三种土壤上施用相同量的氮肥后，土壤生产力随土壤肥力增加的幅度降低。在低、中 氮土壤上，施肥均比对照处理增加蔬菜生物量和吸氮量，而在高氮土壤上，施肥较对照降低生物量；随着土壤肥力水平的提高，氮肥的利用率、残留率呈下降趋势，而损失率却呈上升趋势；差减法氮肥利用率为 2%14%、残留率为 25%61%、损失率为 23%72%。 盆栽试验结果表明，在氮肥用量为 75300mg件下，随着氮肥用量的增加，肥料利用率降低，损失率增加。化肥较有机肥氮的当季利用率高，而残留率却低于有机肥。示踪法和差减法有一定的差异，当土壤肥力较低时，由于激发效应，施肥处理较对照吸收了更多的土壤氮素，差 减法大于示踪法利用率；当土壤含有足够的氮素供植物吸收时，示踪法利用率大于差减法。 土壤质量监测试验表明，轮作类型对土壤理化性状和微生物区系有显著的影响。总体看来，保护地的微生物区系结构最不理想，盐分含量最高。相比之下，菜稻轮作对降低土壤盐分以及改善微生物区系有重要的作用。不同种植年限保护地土壤质量也有很大差异，随着蔬菜种植年限的增加，耕层土壤中 量显著增加，土壤 重显著降低。细菌和放线菌数量随种植年限呈先增加后降低的趋势，真菌却呈一直增加的趋势。初步结果表明 高肥料用量 导致土壤盐分增加、酸化趋势明显以及养分非均衡加剧，造成对土壤微生物和作物生长的胁迫，可能是导致土壤质量障碍的主要原因之一。 关键词：蔬菜保护地，氮肥，去向，示踪技术，土壤质量 n of a in a In a of of to of of of to So to of in in is to to of as as of to of in 5N in In we of of of as of 0% of 25of 100 of 22%. in as N 40cm of 490%. In N of 11% of by 0% of 0% of of 7% of % at on of 0so of of in In of of of On in of of of N of % 4%, 5%61%, 3%72%. of of in to of In as 5N is of of so of in to t so of In of we a on of C, of pH of a as at at in of of of to of is of in of 录 第一章 文献综述 1 问题的提出及立题意义 1 农田中的氮素循环 2 氮素循环引发的环境问题 2 氮素的循环途径 3 保护地氮素循环 4 保护地氮素循环与土壤质量问题 5 保护地氮素循环与蔬菜品质 7 保护地氮素循环与水环境污染 8 保护地氮素循环与大气污染 10 降低氮肥损失提高利用率的措施 12 氮肥利用率的主要 研究方法 13 试验地区概况 14 第二章 研究思路与主要研究内容 16 研究思路 16 研究内容 16 第三章 冬春季 (青菜 轮作体系中氮肥利用率 18 材料与方法 18 试验基地基本概况 18 试验设计 19 试验方法 19 结果与讨论 20 不同施肥当季氮肥的去向动态变化 20 不同施肥后茬蔬菜中氮的去向及动态 24 有机氮的矿化 30 小结 32 第四章 夏季蔬菜氮肥利用率 33 材料与方法 33 有机肥的标记 33 试验设计 35 结果与讨论 38 有机肥的标记 38 蔬菜 40 无机氮在剖面中的分布 45 小结 46 第五章 蔬菜种植类型及种植年限对菜地氮肥利用率的影响 47 V 材料与方法 47 试验地块基本状况 47 试验设计 48 取样及测定方法 48 结果与讨论 49 蔬菜对肥料氮的吸收利用 49 不同类型菜地氮肥去向 52 不同类型土壤氮的表观矿化 54 小结 55 第六章 施肥用量及有机、无机配比对氮肥利用率的影响 56 材料与方法 56 供试材料 56 试验设计 57 测定方法 58 结果与讨论 58 肥料用量对蔬菜氮素吸收的影响 58 肥料配比对蔬菜氮素吸收的影响 62 施肥对土壤全氮含量和 15N 丰度的影响 64 氮肥在蔬菜 66 土壤氮素的矿化 71 氮肥在土壤中的残留形态 72 小结 73 第七章 集约化农田土壤质量问题及其影响因素初探 75 材料与方法 75 试验方案 75 测定方法 77 结果与讨论 78 不同轮作类型对土壤理化性状和微生物区系的影响 78 不同蔬菜种植年限对土壤理化性状和微生物区系的影响 82 相同栽培年限保护地正常棚和障碍棚比较 86 氮肥用量对土壤微生物区系的影响 87 小结 89 第八章 主要结论和展望 91 主要结论 91 研究展望 92 参考文献 94 致谢 107 作者简介 108中国农业科学院博士学位论文 第一章 文献综述 1 第一章 文献综述 题的提出及立题意义 随着我国农产品购销体制和价格体系的改革和完善以及人民生活水平的提高，农村经济结构和种植业结构合理化调整，蔬菜 种植面积日益增加。根据 布的数据，发展中国家蔬菜收获面积 40 年来呈现明显上升的趋势，而中国在其中起着非常重要的作用，即中国蔬菜收获面积的变化决定了发展中国家的变化趋势。其中蔬菜保护地栽培在农业及农村经济发展中的作用和地位越来越突出，具有很好的经济效益和社会效益。在很多地方蔬菜保护地栽培已成为当地的支柱产业，为我国有效提高单位面积产值提供了重要模式（李文庆等， 1996）。蔬菜保护地栽培是指在外界的环境条件不能满足当地蔬菜生长的季节里，利用人为制造的保护设备，为蔬菜的生长发育创造适宜的环境条件而进行持续生 产的一种栽培形式。这种蔬菜促成栽培单产高、上市早，能增加淡季的蔬菜品种和供应量，满足人民的需要，增加了菜农的收入，提高人民的生活水平。 而蔬菜具有生长快、生长期短、根系弱、产量高等特点，因此需肥量较大，需要多施速效肥料。众所周知化肥在农业生产中一直起着举足轻重的作用。据报道，在农业增产的诸多因素中，化肥的作用占 50%左右（曹志宏， 1998）。美国著名育种学家 士在向国际学会提交的关于世界粮食生产的报告指出， 20 世纪世界粮食增产的一半来自施用的化肥，而且在 21世纪这个作用还继续增加（ 1994）。联合国粮农组织多年的统计资料表明，化肥在粮食总产中的贡献为 30%40%（ 1992），我国为 35%左右。就肥效而言，氮肥在我国粮食生产及粮食安全方面具有重要的地位（张新明等， 2002）。由于氮的损失是不可避免的，单土壤有机氮的矿化又不能满足蔬菜的需要，因此为了达到蔬菜的正常需要，氮素化肥的施用是非常必要的。尤其是蔬菜栽培的复种指数高，氮肥的施用就显得更加重要。 但是由于长期以来不合理的施肥等原因，造成我国蔬菜生产中产量和品质降低、氮肥利用率低的不良效果，同 时引起了一系列的环境问题。不同于磷钾肥，氮素是非常活跃的元素，损失途径也很多。除了被作物吸收、残留于土壤外，即可以向下淋洗以至于污染地下水，又可以通过径流损失造成地表水富营养化，还可以通过气态损失的途径污染大气，而硝酸盐淋失是蔬菜生产中影响环境的主要过程。由于蔬菜生产过程中向环境释放大量的氮素使得这种栽培方式被认为非可持续生产（ et 2001）。所以蔬菜栽培中氮肥的施用更为值得关注。提高氮肥利用率、减少氮素损失是我国乃至全世界过去、现在和将来一直关注的重要问题。对氮素的研究 历史悠久，在这方面积累了及其丰富的资料和经验。 从研究层次上讲，氮素的研究主要包括两个方面，一是集中研究单个过程的机理、参数及其影响因素，如对氮素的吸收、矿化、固定、硝化以及反硝化等过程分别进行研究；二是对某一特定生态条件下，土壤 态及多途径去向的综合、系统研究。在每一个生态系统中，氮素迁移转化的各个过程是相互联系、密不分割而且是相互影响的。某一过程的变化会引起其它一系列过程的变化。因此，同时监测各个过程的动态，才更有利于我们对氮的转化机理的研究和理解。对某一生态系统中氮的转化 、动态及去向的系统研究也是近中国农业科学院博士学位论文 第一章 文献综述 2 十几年来国际上氮素研究的特点和热点。从研究方法上讲，主要有常规方法和示踪方法。常规方法是通过对比试验来研究氮的转化的一种常用的方法。但是这种方法不能够精确地跟踪土壤氮和肥料氮的去向。示踪方法是通过标记肥料氮来研究追踪氮素在各个氮库中的动态分配及去向的方法，这种方法能够精确直观地追踪氮素行为，获得合理可靠的结果。从氮素的研究载体上讲，国际上用示踪方法一般对大田作物、森林、草原等研究的比较多（徐兴良等， 2003）。对于高水、高肥的菜地生态系统研究报道很少。在我国，以中国科学院南京土壤 研究所朱兆良先生为首的研究小组对南方地区水稻土中化肥氮的迁移、转化等各个过程进行了系统深入的研究（朱兆良， 1992）。中国农业大学对我国北方地区的主要轮作方式冬小麦 /夏玉米轮作体系中氮的迁移、转化进行了系统研究（巨晓棠， 2000）。而蔬菜生产在南、北方都比较普遍，但是对于蔬菜生态系统尤其是蔬菜保护地栽培中，蔬菜对氮的吸收、肥料氮在土壤中的残留及通过各种途径的损失程度，缺乏系统研究。虽然蔬菜的种植面积仍没有粮食作物的种植面积大，但是自20 世纪 80 年代以来，我国蔬菜的种植面积在日益增加，已成为仅次于粮食作物的第 二大农作物。其中保护地蔬菜面积达到 480 万公顷，占蔬菜面积的 30%，占全国耕地面积的 年产值为 1500 亿元（范丙全， 2002）。而且蔬菜生产中的施肥问题非常严重，对环境污染影响不容忽视（张维理， 1995；刘宏斌， 2002）。 尤其在我国南方 6 省农业生产的氮素平衡中，收入大于支出，造成氮素盈余，有相当部分的氮素进入环境中，对环境造成威胁（鲁如坤等， 2000）。加上我国氮肥的投入存在作物间、地区间的差异，形成了经济发达地区的氮肥施用的浪费，而经济欠发达地区氮肥施用不足的局面，这样就更加剧了农业发达地区特 别是沿海地区氮肥对环境的污染（李勇等， 1998）。尤其是在南方水网地区由于特殊的气候条件（降雨量大、水位高），给研究带来一定的困难，因此对东南沿海典型经济快速发展地区菜地系统中氮的转化机理及去向的研究迫在眉睫。 本研究就是在前人研究的基础上，在东南沿海典型经济快速发展地区，以对我国农产品与环境污染影响最大的菜地生态系统为研究对象，针对蔬菜生产中肥料大量投入造成的对农产品、土壤及水环境的负面效应，应用示踪实验和常规实验相结合的方法，通过田间定位、田间观测等实验，研究在常规施肥条件下，氮在菜地 转化、累积规律，定量研究氮的分配和去向，为蔬菜合理施肥以及安全生产、维护生态环境提供理论依据。 田生态系统中氮素循环 素循环引发的环境问题 农田生态系统是受人为因素影响较大的生态系统。在自然和人为作用的双重驱动下，地球表面营养元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。而由于氮素的活跃性和重要性，对氮素在农田生态系统中循环的研究屡见不鲜（ et 1997;et 994；李志博等， 2002）。农田生态系统中的氮素循环， 是指氮素通过多种途径进入农田生态系统，又通过许多相互联系的迁移、转化和累积过程离开或残留在这个生态系统的过程。 中国农业科学院博士学位论文 第一章 文献综述 3 工业化以来，由于工农业生产的发展和人口的增长，特别是化学氮肥和化石燃料消耗量的急剧增加，严重扰乱了自然界的氮素循环，导致氮循环过程中产生的一些氮氧化物和氮氢化物向大气和水体过量迁移。如 移至大气，不仅增强温室效应，而且扰乱臭氧层； 和 向水体迁移，不仅影响饮用水质量，而且造成水体富营养化；从陆地迁移到大气的 降到陆地和海洋，不仅改变了森林作 为氮汇的作用，而且加剧了水体富营养化，由此导致一系列环境问题的出现。为适应未来人口增长的需要，化学氮肥和能源的消耗量仍将不断上升，这势必对环境造成更大的压力。氮与食物和能源生产及其引发的环境问题，已引起了各国政府和科学家的关注 。 素循环的途径 农田生态系统中的氮素循环是一个形态不断转化、进行多途径循环的物质流。在这个过程中，土壤是氮素循环的重要中转库（见图 1氮素的投入和支出都是针对于土壤而言的。氮素的投入包括施肥（有机肥和无机肥）、大气沉降、及生物固氮。而氮素的支出有收获物的带走、包括 氨挥发以及硝化反硝化引起的氮素的气态损失、硝态氮的淋洗、土壤侵蚀等途径引起的氮素的迁移。农田生态系统是人为影响非常强烈的生态系统，它以施肥的方式来增加土壤氮素和维持地力，同时以作物收获的方式来生产对人类有用的农产品。李比希的养分归还学说的提出，正是体现了农田养分的循环原理。 在农田生态系统中，氮以各种有机形态和无机形态存在于土壤中，它的各个转化过程是非常复杂的，同时又受到各种气候、环境因素的影响，而这些最终都影响到氮的有效性和植物的吸收利用。因此，研究氮（肥料氮和土壤氮）的迁移、转化、累积规律以及评价和预测 氮素形态转化及其有效性是国内外关注的热点之一。而且农田生态系统是人工生态系统，它不同于自然生态系统，在养分循环中主要依靠人为的控制和补给才能维持生态系统的延续。但是不合理的人为活动会破坏生态系统，造成不良影响，向不利于人类需要的方向发展。而对农田生态系统养分循环的研究，就是为了了解农业生态系统的养分循环特征，使人类在调控养分循环的同时，向有利于人类需要的方向发展（鲁如坤等， 1996）。例如对农田生态系统氮素循环及其影响因素的研究，可以更深入的了解氮素的循环特征，提高氮肥利用率，防止氮素的损失；而对预测氮素动 态变化的模拟模型研究同时有了长足的进展（陈明昌等， 1996），为加深对农田生态系统中土壤氮的行为的理解提供了良好工具；同时可以解决由于作物的多样性和其生长条件的多样性所造成的推荐施肥的困难（ 2001）。 为了估计和预测氮素循环变化和对全球生命维持系统的影响