【毕业学位论文】（Word原稿）人类活动对农业土壤中氮的影响

兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 1 第一章 绪论 言 全球环境变化是目前人类面临的重大和亟待解决的环境问题之一。这个问题很大程度上与人类活动有关，并且与全球碳、氮、磷、硫等元素的循环密切相关。氮是最重要的温室气体组分之一（ 001），因此氮循环成为全球变化研究中的热点问题 之一 。随着人类农业活动的增加，如化肥和农药的大量使用，氮化合物越来越多地被释放到陆地环境中。陆地表面生物氮的增加对水质、生物多样性 、生态系统的功能都具有很大的负面效应（ 997； 003； 陈建耀 ，等， 2006） 。大量 的 调查 资料显示，从工业革命以来，由于人类的生产和社会活动使大气中的温室气体的含量持续增加。 为 重要的温室气体 之一 ，增温作用大，并且在大气中的滞留时间长（平均寿命为 150 年），可以破坏臭氧层，威胁人类健康。人类活动排放的 占 放 总量的 44%，而农牧业活动排放的 占人为源 总排放量 的 75%，其中农业土壤排放的 占人为源 总排放量 的 46%（ et 1998），其释放通量主要受土壤性状、农业活动、气候和周围环境条件的影响。 同时氮肥的大量施用和硝化作用产生的 地下水系统 就很有可能造成水污染，进而威胁饮水安全 。 该研究区域 位于干旱荒漠地区，常年干旱少雨，蒸发量比较大，多年平均降水量大约为 158被覆盖率低，土壤表层有机质含量较低，土壤 8以下。 在这样的生物气候条件下， 农作物 的氮 主要 来自土壤，每年进入土壤的来自生物固定的氮和降水氮很少 (梁东丽等 ,2002)，所以只能通过大量施用化肥来保障粮食生产 。 但是化肥的过量施用又进一步改变着土壤的性质， 从而 又反过来 影响着农业生产，也对研究区的农业生态系统产生很大的影响。因此 荒漠地区 人类活动对农业 土壤 中氮 的 影响 研究， 不 仅有利于当地的经济可持续发展，而且对有效地减少土壤贫瘠化、地下水污染及遏制干旱区农业生态环境的恶化提供可靠依据。 循环 氮 以无机态氮（硝 态氮、铵态氮 等）、 有 机态氮 (土壤中氮素的 主要存在形式 )、兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 2 分子态氮（氮气，在大气中含量极高，大约占 79%） 三种形态存在 。无机氮化合物、有机氮化合物、氮气在自然界中相互转化 构成氮循环 。 氮循环过程主要 包 括硝化作用、反硝化作用、氨化作用、固氮作用及 同化作用 。 图 1土壤中氮的转化过程 (et 2003) of in 在地球系统 中 的循环 过程： 首先是 通过生物 或植物 的 固氮作用 将大气中的氮气 转化成有机氮化合物 并 储存 在 植物或固氮微生物体内 ，或大气中的 沉降和湿沉降）进入土壤 。生物固定的氮、作为肥料的动物排泄物 中的 氮、化学氮肥和植物残体等，经过微生物 的 一系列的 生物化学 作用 将 有机氮转化成 矿化过程 ， 化 成 及 含氮 气体的反硝化过程 。 反硝化 作用 形成的这些含氮气体又回到大气圈，进入 氮的下一轮循环 （如图 1。这一 循环 过程还包括其他 的 物理吸附、解吸和化学转化过程。氮循环过程中氮微生物起了主要作用 。 兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 3 土壤中的氮素循环是一个动态的循环过程 。一般认为， 其循环 过程 始于矿化作用 有机氮化物转变为能 被 植物吸收利用的 在这个过程中会释放出 气体 ）；上一过程产生的 外源输入的 大气沉降中的人造肥料中的 ， 一 部分 直接 被植物根系吸收， 其他的则 通过硝化作用转变为 进而再次 被植物吸收 利用。 在硝化作用发生的同时 ，反硝化作用 使土壤中的 硝酸盐 还原成氮气回归大气。 这些作用过程中有些会产生动力学分馏，有些会产生平衡分馏。许多的生物作用一般由多个 步骤完成 ， 每一 步 都有可能产生分馏 。 每一个作用过程产生的分馏效应 取决于环境条件，包括作用过程的中间步骤、相应 的反应物 存储量、土壤的 生物种类等条件。其中最为缓慢的步骤对整个作用过程所产生的分馏效应起着主要作用。因此，一般选用最为缓慢的步骤所 产生 的分馏效应来评估整个过程的分馏效应。同时， 馏公式能够有效地模拟对分馏作用起着控制作用的单步控 制的多步骤过程所产生的分馏净效应。 化 作用 过程 硝化作用 （ 是微生物把铵氧化为亚硝酸和硝酸盐，或微生物 使氮的氧化态 增加 的过程 。 能够 进行硝化作用的微生物有自养型和异养型两种，其中自养硝化细菌是硝化作用的主要作用者，但异养微生物的作用也不容忽视(986;966)。自养硝化细菌的硝化作用由两个阶段构成（图 1第一阶段是由亚硝酸细菌将 化为 这个过程中亚硝酸细菌以 酸或重碳酸为碳源，从 氧化 过程 中获得能 源。第二阶段是由硝酸细菌将 一转化过程是 而氧化成为过程。 胺 )，是 化成 图 1知， 化成 需要的 2氧化成 化剂是氨单加氧酶，该酶的抑制剂是乙炔、氟甲烷（ 现在已经证明，硝化过程中也可以产生 是否是通过 酰）产生还有待研究。下一步反应时 化剂是羟胺氧化还原酶，该酶的抑制剂是肼。接着 个氮原子失去 2为电子受体但是并不结合到产物中去，最终 与 H+结合生成 一过程中的催化剂是亚硝酸还原酶，该酶的抑制剂是氯酸盐和高浓度的 整个过程中，一般而言， 化成 以，土壤中的亚硝酸氮的含量很低。 兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 4 图 1壤硝化作用示意图 of in 养微生物进行硝化作用时，不需要从 氧化过程中获得能量。其反应式为（ et 980） ： 虽然异养微生物的硝化能力大大不如自养微生物，但是在土壤中它们的数量很多，特别是土壤中自养菌、异养菌的连续硝化作用，更是不容忽视。 在自然条件下，亚硝酸盐能 被 快速氧化成硝酸盐，而 铵氧化成亚硝酸 的过程却是十分缓慢的。因此在整个硝化作用过程中产生分馏效应的控制步骤是铵氧化成亚硝酸盐的过程。在土壤中，硝化作用引起的分馏效应系数一般为 应的富集度为 （ 986）。在受 N 限制的土壤中，硝化作用产出的 分馏效应一般很小。 但是， 土壤一旦获得大量的铵（ 施用 铵肥），硝化作用就会 对 N 产生很大的分馏效应。 一般认为，在硝化作用过程 中 如果 不 发生 1818 同位素 分馏和交换作用，硝化作用过程中所结合的O 原子将 有两个来源于 一个来源于 水中的 18O 通常为 +4 ，而土壤中的氧气来自于大气，其相应的 18O 为 +。土壤的原位实验表明在土壤中硝化作用所形成的 1810 +10 之间。 但是， 蒸发作用使土壤水中的 18O 更高（ et 1997） ； 降水中 18O 的季节性变化(995)；或者 更多的 O 原子来自于氧气（ 1/3） （ et 1993）等原因可能 使 实测的 18 兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 5 硝化 作用 过程 反硝化作用（ 指将硝酸盐还原成氮气的过程。 土壤中的反硝化作用，包括生物反硝化和化学反硝化两种。其中 以生物反硝化为主，这个过程是 主要来源 。 反硝化 作用 可以导致土壤和肥料 的氮素损失以及污染环境等问题，因此对氮循环过程中的反硝化作用开展了较为广泛 研究。生物反硝 化作用是指在厌氧条件下，由兼性好氧的微生物利用同一个呼吸电子传递系统，以其逐步还原成 异化过程。 反硝化作用的化学反应式如下： 从上式可知，第一步 中的 中间产物，最终产物是 些气态产物均可从土壤中排放到大气或水体中去。因为还原 以保证 原酶的活性较低，能够还原 微生物又很少，因此反硝化过程中产生的 对较多。 化学反硝化是 指土壤中的含氮化合物通过纯化学反应而生成 氮氧化物的过程。研究表明（ 997）， 其 主要 的 反应途径有两种 ： 一种是 行分解，产物为 一种 是当 于 ， 成 ， 并 最终 分解成 虽然土壤中存在着多种产生 化学途径，但总体来说 要来自于微生物的作用。 反硝化作用能够产生很强的动力学分馏效应。由于富含 14N 的 以土壤 富集 15且成指数增长，同时伴随 壤酸度减 小。 硝酸盐被最终还原成氮气的整个反硝化过程所产生的富集度为 。因此， 反硝化作用产生 氮气的 15 低于土壤中硝酸盐的15解在土壤水中大量氮气的 15 我们提供了大量关于反硝化作用的有用信息。大量研究表明反硝化作用过程使 1518：1 的比例增加（ 987;990）。 化作用过程 氨化作用 （ 是指含氮 有机物经微 生物分解产生 铵 的过程。这个过程又称为有机氮的矿化作用。来自动物、植物、微生物的蛋白质、氨基酸、尿素、几丁质等含氮有机物，均可通过氨化作用而释放 铵 。产生的铵， 一部分 供植物和微生物 同化，一部分被转化为硝酸盐 。 兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 6 氨化作用 通常 只会产生很小的分馏 效应 （ 1 ）。相应的产生较大的分馏作用是 铵 的硝化作用，而不是氨化作用过程。 氮作用 固氮作用 （ 是指将 分子态氮 转化为 其他 含 氮 化合物 的过程。 在 自然界 中 氮的固定有两种方式，一是非生物固氮，即通过雷电、火山爆发和电离辐射等 固 氮，此外还包括人类发明的以 铁作催化剂，在高温 (500 )、高压(的 工业 固氮，非生物固氮形成的氮化物很少。二是生物固氮，即通过微生物的作用固氮，大气中 90%以上的分子态氮，只能由微生物固定成氮化物。能够固氮的微生物，均为原核生物，主要包括细菌、放线菌和蓝细菌。在固氮生物中，贡献最大的是与豆科植物 结合 的 瘤菌属，其次是与非豆科植物共生的放线菌弗兰克氏菌属，再次是各种蓝组菌，最后是一些自生固氮菌。化学固氮曾为农业生产 起了 巨大的贡献 。 但是，它的生产需要高温条件和高压设备，材料和能源消耗过大，因此产品价格高且不断上涨。对 自然界氮素循环中的 固 氮作用具有决定意义的是生物固氮作用。 每年 的 生物固氮 量大约为 90 130人类活动所增加的氮约为 140 998） 。同时，专家推测 到 2020 年 化石燃料的燃烧和化肥的使用 将使 人为的固氮速率增加 60%。 生物固氮作用所产生的有机物中的 15N 值稍小于 0% 。 993)的研究表明生物固氮作用 产生的分馏效应 为 +1 。因为 生物固氮作用所产生的有机物中的 15N 值要比其他方式形成的有机物中的 15N 低，所以一般认为含有较低 15N 的有 机物通常来自于 生物 固氮作用。 化作用 同化作用 （ 是指将含氮化合物结合在生物体内 形成含氮有机物的过程。 铵盐和硝酸盐是植物和微生物良好的无机氮类营养物质，它们可被植物和微生物吸收利用，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其他含氮有机物。 究目的和意义 长期研究显示，高浓度硝酸盐污染物对全球水质、生物多样性、生态系统的功能都具有非常大的负效应。准确理解这些效应就需要研究氮的来源、迁移、储存和循环速率。干旱区沙漠或荒漠化地带氮的循环对全球变暖与水体污染、大气污染的作用尤为突出 ，因此已经成为氮循环研究的核心地带之一。近年来世界不同沙漠地区开展的研究发现深层包气带水中存在高浓度硝酸盐。这反映了天然条兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 7 件下硝酸盐可能向深层包气带迁移并影响地下水水质。 随着现代农业的发展， 合成 肥料在农业生产中得到广泛的应用，且在不断增长。这 可能使农田土壤和相应区域的地下水中 的 硝酸盐增加，从而给农业生产和地下水带来潜在的威胁。同时 ， 氮 素 作为农作物必 需 的营养 元素之一 ，影响着作物的生长、产量，从而 影响 当地 的农业 经济。 在干旱地区特定的地理和气候条件下，大量氮肥的施用对土壤和地下水的影响尤为突出。基于此，本 文利用硝酸盐的同位素特征来识别干旱区农业土壤中氮的来源和迁移情况，同时结合地下水中硝酸盐的同位素特征来反映地下水中硝酸盐的来源及其与土壤中硝酸盐之间的联系，进而揭示人类活动对农业土壤中氮的影响。开展干旱区的农业土壤中氮的循环研究，不仅有利于当地经济可持续发展，而且对有效地减少土壤贫瘠化、地下水污染及遏制干旱区农业生态环境的恶化有重要意义！ 内外研究现状 同位素技术作为一种成熟的 技术，被广泛应用在各个领域。 相关方面取得的进步主要包括 ： 实验检测技术的不断发展 ； 研究趋于精细化，相应的过程研究更深入 ； 研 究 领域的不断拓展。 在过去的几十年里，同位素测试技术得到了很大地提高。以硝酸盐的 N、 O 同位素为例。传统的 N 同位素测定方法有： 学湿法、真空热解法、真空磨球法、还原热解法 。 et 990）使用 备氮气； 2000）等对 进行改进 使用 备氮 气。除此外，还有负热电离质谱法、正热电离质谱法、发光谱法等。而近 年来细菌反硝化法被广泛使用。由于工作气体为 以在 转化为 源的添加和 O 的转化问题。 （ 1987）以 2 作为 度为 5 。 1995）使用 替 2 作为C 源，以避免 为一种有毒物质在燃烧时释放 并 进入高度真空的制样系统。该法使 生的 化率提高到 90 100%，精度也提高到 3 。而相继的 细菌反硝化法均使 O 同位素的检测进一步提高。技术的不断进步，使得 氮的循环过程中的各个作用过程的研究更为精细。例如以通过研究硝酸盐的N、 O 同位素特征来分析硝化作用与反硝化作用的 反应 程度，同时实现了从过程的定性研究到定量 研究的飞跃。 并且，现在 N、 O 同位素技术广泛应用于 各种环境条件下和生态系统中。其中包括应用于小规模的森林生态系统的径流、城市河流、湿地、河口海岸及大流域等环境条件。 18 人类活动对农业土壤中氮的影响 8 量小型森林系统中来自大气和土壤的 相对组成。同时 ， 17反应来自于大气的 为理论上所有的非大气来源的 17，同时生化作用过程不会对 17O 的值 产生影响（ et 2004）。 基于氮的相关方法在世界各地 的农业生态系统中 开展了广泛的研究。在我国的西北干旱地区也开展了关于干旱区土壤中 氮 的 相关研究。其中包括：河西走廊灌漠土不同肥力水平下 种植 玉米氮素适宜用量的研究，得到了 在不同肥力土壤中的最佳施肥量；河西走廊绿洲灌区灌漠土肥料利用率的研究，得到了施肥方式影响着土壤中 肥料的利用效 率；长期施肥对河西灌漠土有机氮组分的影响，得到了不同的施肥方式 对土壤全氮和土壤有机氮组成有显著 影响。 农业区内存在的浅层地下水硝酸盐污染往往是含氮肥料的广泛使用造成的。 周爱国等 率先利用阴离子交换树脂取样法对河南安阳和林州地下水中 5N 和 18O 进行了研究 , 研究结果显示该地区地下水中的硝酸盐 主要来 自于 农家肥和化肥。 有 研究结果表明 : 只有不到 50% 的氮肥可被植物吸收 , 其余绝大部分 滞留于土壤中 , 或从 农田 的地表或地下 排入地下及地表水体 (李彦茹等 ,1996) , 另外的 部分直接以气体的形式 返回大气。 1992 年邵益生等在我国率 先利 用环境氮同位素方法 , 通过绘制地下水 15 讨论了北京郊区污水灌溉对地下水 硝酸盐 污染。从 20 世纪中叶 开始国外 就 在 农业生态系统中 开展了大量的 关于 氮的相关研究。早期的研究 主要围绕 农业生 态系统中 氮的收支平衡 来开展 。随着新技术的发展，研究趋于精细化，新技术有利于更好地揭示氮循环的各个过程。 （ 2006）发现通过农业优势管理机制能有效的控制农业生态系统含水层 中 的 硝酸盐 污染，同时表明含水层 中的硝酸盐 主要来自无机肥 。 2002）讨论了地下水的补给 情况 ，同时对 农业污染做了具体而详细的综述，阐明了农业生产活动 对地下水的补给速率和地下水的成分以及生物化学作用有直接或 间接的影响 。 1995）同时 利用地下水 测年 、水化学和同位素方法开展 了相关研究 ，表明地下水中的氮浓度随时间增大主要是由于研究区氮肥使用量 的 增加，同时地下水中 20 35%硝酸盐来自于氮肥的氧化 作用 和渗漏 。 对 英格 部三叠纪砂岩含水层中地下水硝酸盐氮同位素组成 进行了分析 , 在确定该含水层中没有显著的反硝化作用和混合作用发生的前提下 , 判断该 含水层中 农业用地有关 , 即含水层中 物排泄物、铵 肥和土壤有机氮硝化作用产物以及含 （ 1971）通过测定氮浓度和 15N 的丰度 ， 表明 1970 年氮浓度 在春天 达到最大值，且该流域的地表水中 的氮 至少 有 50 60%来自于肥料 。 兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 9 目前，结合水文、化学信息，利用多同位素、多示踪的方法能够 帮助我们 很好的理解并区分 N 的来源、迁移和转化规律。 例如利用 3418999）；化肥源（ et 2004）等信息。 1997） 最早使用 B 同位素作为 时他和1994）还报道了农业来源的硝酸盐源的同位素组成的输入特征，并结 合使用 N、 B 同位素来区分地下水、地表水中的不同 优点 在于 B 作为受反硝化作用的影响，只在粘 土矿物的吸附过程中才可能发生分馏现象（ et 2005）。 同时， 2 1811B、 87同位素也广泛用于理解 N 的生物化学作用与人类活动对 N 的来源和循环过程 。 而目前尚需要进一步研究的问题包括： 1） 干、湿沉降中的 1815 17其原因； 2） 能否运用同位素方法来区分和定量不 同大气来源的 N 源 ； 3） 包气带土壤中 1815是由于土壤剖面中湿润层的移动导致硝化作用和反硝化作用出现快速 震荡； 4） 溪流中的硝酸盐分子多大程度是来自于溪流周围的环境。 兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 10 第二章 材料与方法 究区概况 腾格里沙漠是中国第四大沙漠，面积大约为 04 于阿拉善地区的东南部，南越长城，东界贺兰山，西北以雅布赖山为界，介于北纬 3730至40，东经 10220至 106。 全年多西北风，温 度 变化较大， 降雨 量小，属于典型的内陆 干旱气候。研究区位于甘肃省武威市， 隶属 河西走廊东端，地势南高北低，由西南向东北倾斜。研究区海拔 1020m 4874m,面积约 33 万 口 191万左右，下设凉州区、民勤县、古浪县和天祝藏族 自治县等。 研究区内荒漠化土地面积占总土地面积的 31%，北部的荒漠区风沙线长达132漠化土地主要分布在凉州区东部以及东北部的八十里大沙和二十里大沙，民勤县周边的沙漠和境内的低山丘以及古浪县北部的沙漠区。 祁连山山前绿洲平原区是研究区内的主要绿洲灌溉区，东至古浪的土门、大靖，中为武威山前平原，西至永昌水磨关和民勤的 平原地带。地处石羊河流域的中、下游，地形平坦，是河西区重要产粮基地之一。 研究区处于武威市东部，属 绿洲灌区，东临腾格里沙漠 南缘 （图 2。 研究点位上 的农田为开垦不久的农田，土壤主要以砂土为主，土壤的有机质低。该地区的农民为 了保证生产，在植物的生长过程中使用了合成肥料，主要是尿素、 二铵和 过磷酸钙 ，施用方式多采用表施 。其使用量分别为 80、 15、 15。 灌溉方式多采用漫灌。 候条件 研究区平均降雨量较小 ，蒸发量较大，地处中温带内陆干旱荒漠气候区。根据武威气象站观测资料统计分析 ，研究区内降水具有较明显的垂直分布性，随着海拔高度的降低，降水量也随之减少，平均海拔高度每降低 100m，年降水量约减少 20 50鞘岭站和古浪站的多年平均降水量分别为 威站 勤站的降水量更少仅有 究区内总体干旱少雨，年降雨量仅为 176雨集中于 7，占全年降水量的 43%左右，月最大降水量可达 132雨在水平面上的分布为从东至西逐渐减少。研究区内降雪较少，最大积雪深度仅为 170比较而言，区内蒸发作用较强，年均蒸发量在 2000上，大约是平均降水量的 10 倍。 各地年内蒸发量最小值出现在 1 月或 12 月，为 37 67内蒸发量在水平分布上的趋势与兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 11 降雨量相反，从东至西逐渐增大，民勤绿洲的年平均蒸发量高达 2644究区内全年的空气相对湿度 为 40%，平原区大部分为干旱或特干旱 区 。 研究区 年平均气温约为 ，温差较大，最高温度为 42 ，。研究区光照充足，热量丰富， 日照时数约为 2200h 3030h， 其中 4 9月日照时间较长，平均每天日照在 9h 以上。 无霜期 在 85 165 天 不等 ，太阳辐射量 127平均风速约为 2. 6m/s，春季风速最大，夏季风速最小，最大瞬时风速为 23m/s，盛行西北风。年平均沙尘暴时间约为 36 天，多集中在春季。 图 2研究区概况及采样点分布 植被概况 研究区内的土地利用情况和植被覆盖状况主要受自然因素和人文因素的影响，地表覆盖类型主要包括以下几种：人工植被、人工绿洲、自然植被、荒漠景观、裸地、固定和半固定沙丘等。 人工植被 主要包括农田林网、农作物、小面积 的片林和防风固沙林等。其中兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 12 研究区内农田种植的主要粮食作物有玉米、 小麦、啤酒大麦、马铃薯、大豆、豌豆、糜子、谷子、豌豆等；经济主要经济作物有胡麻、棉花、油菜、葵花、白兰瓜、籽瓜、茴香、甜菜等；此外，还有紫花苜蓿、草木樨、毛苕子等绿肥饲料作物。人工造树林主要包括柠条、沙枣（ 花棒 (梭梭 (沙拐枣（ ，同时栽 植了柳树、杨树、榆树等经济树木。 天然植被按照地形、土壤和植被特征分为荒漠化草甸植被、盐生荒漠植被、沙质荒漠植被等。荒漠化草甸植被主要分布在绿洲内部及其边缘地带，主要有耐旱灌丛，如珍珠（ 盐爪爪（ 。草甸草本主要有冰草（ 苔草（ 、芦苇（ 岌岌（ 。沙质荒漠植被主要分布在荒漠土区域，一般土壤含盐 较少，生长及其稀疏，如灌木主要有白刺（ 红砂（ 珍珠等。草本植被主要有沙蒿（ 沙蓬（ 猪毛菜（ 戈壁针茅（ 沙生针茅（ 。盐生荒漠植被一般分布在典型的盐土地区，在这种区域一般极少生长草木，只生长白刺等盐生小灌木。 壤概况 研究区降水 少、蒸发作用较强烈，气候干旱、温差大，植被稀少等，导致土壤形成过程中具有母质影响明显、生物作用微弱、铁质化现象发育明显、易溶性盐类积累较强和亚表层粘化等特点。研究区的土壤类型分类如表 2示。 表 2研究区土壤类型 in 壤类型 棕漠土 甸土 洲灌耕土 土 沙土 类 砾质灰棕漠土 草甸土 绿洲灌耕土 典型 盐土 流动风 沙土 沙砾质石膏 灰棕漠土 盐化草甸土 半潮绿洲 灌耕土 草甸 盐土 半固定 风沙土 龟类状灰棕漠土 荒漠化草甸土 潮绿洲 灌耕土 矿质盐土 固定风 沙土 盐化灰棕漠土 沼泽草甸土 盐化绿洲 灌耕土 残余盐土 灌耕灰棕漠土 林灌草甸土 沙化盐土 兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 13 其中，在研究区内地带性土壤以灰棕漠土、草甸土、风沙土和草甸沼泽土为主。非地带性土壤以绿洲灌耕土为主。在 研究区内的耕作土壤 绿洲灌耕土，是经过长期灌溉、淋溶、耕作施肥等人为作用演变而成的。其他类型土壤均为自然成土作用而形成的自然土壤。其中风沙土是沙丘的主要土壤类型，有机质含量低、质地疏松和肥力差。 文地质条件 腾格里沙漠其下垫层 是中、上更新统或上新统的沙砾石（岩）及亚沙土类的松散、半 松散含水层。研究区含水层以淡黄的细粉砂为主。第四系厚 200 250m，水位埋深 120 150m，含水层厚度在 80 100m 以上。腾格里沙漠为阿拉善台地东南 部一 断陷盆地，东界贺兰山，西北以雅布赖山为界与巴丹吉林沙漠相 隔，北部以哈拉乌山为界，南部与祁连山山前洪积扇前缘相接。据物探资料研究，区内有厚达数千米的侏罗纪、白垩纪与第三系的内陆湖相沉积 层 。地质构造上属潮水 腾格里边缘 拗陷的一部分， 在 加里东期本区连同祁连山产生褶皱隆起，同时伴有深大断裂产生，经海西运动再度褶皱断裂，岩浆侵入，从而完成基本外貌。燕山运动时古老断裂复活，两侧山区急剧上升，盆地下陷接受了侏罗、白垩纪第三纪的内陆湖沉积 相 ，沉积厚度达 3500 4000m， 从而构成山间自流水构造盆地。但是，在第三纪末，受喜马拉雅运动影响，产生隆起，经受剥蚀，而西部潮水民勤一带则 相对下降，下更新世至上更新世连续堆积洪积、湖积相碎屑物，而腾格里沙漠内直到中上更新世才有冲积 洪积物堆积。 全新世气候干旱，风沙盛行，广泛堆积成各种形态的沙丘，沙丘间干涸的湖盆中沉积有薄层湖积物。腾格里沙漠南缘北部沙漠是武威、古浪平原及大靖、海子滩、冰草湾平原区的延伸 部分，其下垫层是中、上更新统或上新统的沙砾岩石及亚砂土类的松散、半松散含水层。东西沙漠含水层有差别，东部以细砂、中细砂为主夹砂砾，含水层厚度为 3050m，由西往东变薄，部分地段第四系不含水。西边保疙瘩梁一带地下水位为 80100m，北边大海子、 毛条海子地下水出露地表形成沼泽地； 西部沙漠区含水层以淡黄色细粉砂为主，八十里沙子、白碱槽一带为中细砂、砾砂。据物探资料 ，南疙瘩槽、黑岗一带的第四系厚度达 200 250m，含水层厚度为 80 100m，往北变薄，富水性也减弱。经部分钻探证实，以古山墩以 北的沙漠隆起区，第四系基底为上更新统的半胶结、半松散红色中细砂，砂岩含地下水、 第四系不含水。 究区域内的人类活动 在我国，农村生态环境条件由于 各种原因 近年来呈日益恶化的态势。 这些原因 主要包括化肥施用量的增加； 不同的施肥方式 表施、深施 ； 农药种类的 增多兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 14 及用量的增加；以及对农业土壤的利用和管理方式 耕种制度、灌溉制度、施肥方式等的改变。 我国是世界上施用化肥量较大的国家之一，据国务院发展研究中心国际技术经济研究所统计， 2004年化肥 的 年使用量高达 4 637万 t， 按播种面积计算，平均化肥使用量为 411远超过发达 225国化肥利用率较低，平均约为 35 左右，而且产品结构与施用比例也不尽合理。 1980 年以前我国农田有机肥加化肥的总投入与总产出（农作物带走的养分）相比，氮、磷、钾均为负值。而 1980年以后，由于氮磷肥的大量 使用，农田土壤中氮磷积累急剧增加。 农田土壤中的氮磷随排水或雨水进入河流，使水体富营养化，直接影响了工农业供水和人畜饮水质量， 给人体健康和水产养殖带来 极大的 威胁。化学农药是农业生产中使用量最大、施用面积最广、毒性最高的一类有毒化学品。随着各种农药的大量使用，结果往往是害虫、益虫一 起消灭，而害虫的抗药性越来越强，最后只好不断加大药量。真正作用于 农业害虫的农药仅有10% 30%左右， 进入大气、水体的部分约为 20% 30%，残留在土壤中的约 为50% 60%。大量使用农药，或长期使用同一类农药，能够使许多害虫产生 抗药性，连续使用农药还会杀死益虫、益鸟。所以，不合理的使用农药不但不能彻底解决农业病虫害问题，相反还会使许多原来危害不大或不难防治的虫害变得不易防治。这样就有可能使农药用量越来越多， 形成恶性循环，生态环境的破坏和污染也将逐渐加重。据农业部的统计数据显示： 我国农药年用量为 80 100万 t，其中，使用在农作物、果树、花卉等方面的化学有毒农药约占 95以上。这说明我国农产品农药污染已到了相当严重的程度，必须采取措施加以解决。 同时，不尽科学的管理方式也对农业土壤带来了许多影响。在武威地区 的 农业生产区大多还采用漫 灌的灌溉方式、施肥采用表施、种植作物单一等都改变着当地农业土壤的性质。据访问调查，在武威地区由于玉米、小麦的产量高、售价高，所以玉米和小麦被广泛种植。种植作物单一，没有很好地进行轮种。这就使得土壤变得贫瘠。 同时大量的施用化肥，加之漫灌的灌溉方式 给 地下水的安全 带来严重的威胁 。 究内容 （ 1） 腾格里沙漠包气带中氮的循环规律研究 包气带中表层和深层各种形态氮的空间组合关系及其影响因素 包气带中不同来源氮的同位素识别 (1518（ 2） 地下水硝酸盐的来源、迁移、转化 规律 分析研究区内地表水、泉水、地下水硝酸盐含量及主要离子演化规律，同兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 15 时分析其硝酸盐中 15 18 迁移、转化规律。 （ 3） 不同种植类型土壤中的氮循环规律研究 农田土壤中各种形态氮的空间组合关系及其影响因素 农田土壤不同来源氮的同位素识别 (1518究方法与技术路线 究方法 （ 1） 沙漠包气带土样获取 ： 在腾格里沙漠，利用手摇钻钻取深度为 12m 的剖面 （ (图 2 提取包气带沙土样品，每 个 样 品的长度为 25封装在塑料样品袋中，送回实验室， 并做 前处理和 相关 实验 。 （ 2） 水样获取 ： 在武威地区采集一定数量地表水、泉水、地下水水样。首先用原水冲洗塑料样品瓶三次，再分别取两瓶 500水样，送回实验室， 4以下 无霜 冷冻储藏， 用于相关检测。 （ 3） 农田土壤样品获取： 用手摇钻在 同一点位上 两种不同的 种植作物 (玉米（ 和小麦 (覆盖的农田里 分别钻取两深度均为 剖面。每个样品的长度为 25约为 2封装在塑料样品袋中，送回实验室 ，并做 前处理和 相关 实验 。 （ 4） 样品室 内处理与分析： 自动粒度仪，分析沙样 和农田土样 的机械组成 ,土样的粒度实验结果用 分类方法进行分类 ；用烘干法测 定 含水量 称取适量的土样放入洁净的样品盒中，放入恒温箱中在 105 下进行 12 小时恒温烘干，再称量烘干前后的总量并计算其含水量 ； 离心萃取法测试 50g 样品于 100三角烧杯中，加 50离子蒸馏水， 均匀搅拌约 30 分钟，然后密封静置 24h 后离心、过滤，最后用自动色谱仪测量溶液 取以上 30萃取液送比利时 1518采用反硝化细菌方法 (et et 2002; 毛绪美，罗泽娇，李永勇等， 2005;et 具体的实验 步骤为 ： 1、反硝化菌株的选取：通过反复驯化 菌株 实验，选择缺乏化酶的反硝化细菌 硝化菌的培养： 将含胰蛋白酶的大豆肉汤用 10酸钾、 1酸铵和 1 防沫剂进行改造，取出其 中 40000锥形瓶中进行热压处理，将 株嫁接在热压处理后含胰蛋白酶的大豆琼脂培养基中，封紧锥形瓶，在室温下培养 6 天。 3、转化：将培养液分成每份 40冻离心分离，倒出上层清液至 4兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 16 成两份分别注入 20顶空小瓶中，用聚四氟乙烯硅脂片盖上并拧紧，每个封闭小瓶用 净化 2h 以上，流速控制在 10注射器将水样注入小瓶中，使硝酸盐完全转化为 体。经过一夜嫁接，向小瓶中注入 使 大于 12。 4、 取与同位素分析：用氮载气体将 体从样品瓶中剥离、纯化，然后通过自动进样器送入相连的 质谱仪中测定。 同位素计算：稳定同位素常用 来表示并以千分率来计。 )=( 1000, 15N/14N 或 18O/别为同位素的 15N/14N 或18O/16O 的比率和 15N 、 18O 对应的标准。 15N 的值相对于 2） , 18 ()。 15N、 18O 的分析精度分别为 、 。 土壤样品风干研磨，过 100 目筛，准确称取 于聚四氟乙烯罐中，加入 3酸、 1氯酸、 1氟酸，放于不锈钢外套中于烘箱中 160 加热 4却后取出罐，在电热板上敞口加热去硅及残留的氢氟酸，待大量白烟冒尽，样品呈可流动球珠状时取下，加入 1酸，微热，冷却至常温，用高纯水定容到 10 谱仪测定无机元素含量。 水样送到兰州大学分析测试中心 进行 测试。实验 室测定的阳离子有 K+、 阴离子有 阳离子使用美国 司 离子色谱仪测试。 （ 5） 对比分析： 通过对比分析沙漠包气带和两种作物（玉米和小麦）覆盖条件下的农田土壤中的 及 1518映不同作物覆盖条件下农田 土 壤中硝酸盐的来源及其迁移转化规律，其中着重反映农田耕作管理（包括种植类型、土地利用情况、化肥施用量和施用方式、灌溉制度）对农田土壤中氮的空间分布的影响。 兰州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 17 术路线图 图 2论文技术路线图 of 州大学硕士研究生学位论文 人类活动对农业土壤中氮的影响 18 第三章 研究区土壤中氯离