【毕业学位论文】(Word原稿)苏北沿海不同土地利用方式对土壤氮矿化的影响-森林资源与环境学

1 南京林业大学 本科毕业设计（论文） 题 目： 苏北沿海不同土地利用方式对土壤氮矿化的影响 学 院： 森林资源与环境学院 专 业： 林 学 学 号： 080101220 学生姓名： 杨珺 指导老师： 阮宏华 职 称： 教授 二 0 一二年五月 2 苏北沿海不同土地 利用方式对土壤氮矿化的影响 摘 要 氮素是作物生长发育所需的重要营养元素，是农业生 产中最重要的养分限制因子，而多数土壤的含氮量较低，施用氮肥为作物补充氮素是保证作物高产的重要措施。但氮肥的过量施用会造成利用率降低，经济效益下降，并引起地下水、地表水和大气的污染，影响人体健康。根据土壤供氮能力确定合理施肥量，是保证作物高产、提高氮肥利用率、减少环境污染的基本途径。 氮的矿化是土壤氮循环中的重要环节之一。本文通过在苏北地区选取四种不同利用方式的土壤， 通过室内土壤分析试验研究了这四种不同土地利用方式下土壤含水量、水溶性氮、微生物量氮以及培养前后硝态氮和铵态氮的量的不同。研究结果表明： 不同土地利 用类型含水率大小依次 为草地杨树杨农农田 ； 不同土地利用类型水溶性氮大小依次为 杨农农田杨树草地 ； 不同土地利用类型微生物量氮大小依次为 杨农杨树农田草地 ； 不同土地利用类型硝态氮（培养前） 杨农草地农田杨树 ；不同土地利用类型硝态氮（培养后） 杨农农田杨树草地 ； 不同土地利用类型铵态氮（培养前） 杨农杨树农田草地 ；不同土地利用类型铵态氮（培养后 ）杨树杨农农田草地。 关键词 土地利用 土壤氮矿化 3 on in is a is in of is of is an to of in to to a of is to N is an of In to of in of , of in of of in of of of (of (is of ( of ( 4 目 录 1. 前言 . 5 2. 研究地概况与研究方法 . 11 究地概况 . 11 究方法 . 11 品的采集 . 11 壤基本理化性质的测定 . 12 3. 研究结果 . 13 同土地利用方式对含水率的影响 . 13 不同土地利用方式对水溶性氮的影响 . 14 同土地利用方式对微生物量氮的影响 . 14 同土地利用方式对硝态氮（培养前后）的影响 . 15 同土地利用方式对铵态氮（培养前后）的影响 . 15 壤总矿质氮含量表 和净矿化表 . 讨论与建议 . 18 5. 致 谢 . 20 参考文献 . 21 5 1. 前言 氮素是作物生长发育所需的重要营养元素，是农业生产中最重要的养分限制因子，而多数土壤的含氮量较低，施用氮肥为作物补充氮素是保证作物高产的重要措施。但氮肥的过量施用会造成利用率降低，经济效益下降，并引起地 下水、地表水和大气的污染，影响人体健康。根据土壤供氮能力 确定合理施肥量，是保证作物高产、提高氮肥利用率、减少环境污染的基本途径。土壤向作物供应的氮素，一部分来自作物种植时土壤中的 N，一部分来自作物生长期间土壤有机态氮的矿化。土壤中的矿质氮是较容易测定的，而土壤有机态氮的矿化量却是很难预测的。土壤氮矿化的过程受到土壤质地、温度、水分、耕作方式、氮肥和有机物质投入等多种因素的影响。因此了解土壤氮矿化过程对合理推荐施肥、提高氮肥利用率、充分发挥其增产效益以及防止氮素损失所造成的环境污染等都有着积极的意义。 目前国内外的研究人员对 不同土地利用方式 对土壤氮矿化的 研究较多，他们分别用不同的实验方法进行测定。其中包括： 室内矿化培养法是一种已被广泛使用的方法，室内矿化培养法分为好气培养法和淹水培养法。好气性培养法是将土壤在保持通气条件下进行培养，测定培养期间产生的 再加上 N 和 气性矿化培养法又可分为短期培养及长期培养间歇淋洗两种测定土壤氮矿化位势的方法。常用的短期通气培养法有两类，一类是在土壤中不加改良剂，根据土壤有机质、质地等特性加水，控制一定含水量。另一类是在土壤中加石英或蛭石，改善土壤通气状况 ,并用加压抽气控制含 水量。好气培养法以 间歇淋洗法 1使用最为广泛，它适用于大批样品培养测定，快速，简便，并可用于连续培养测定。 20. 00g 过 2的风干土壤和等量石英砂 ( 12置于研钵中 , 加少量蒸馏水湿润后充分混匀 , 使其形成具有良好结构的土砂混合物。然后 , 小心地转入预先铺有一层玻璃丝和 1000m 再在其上铺少量玻璃丝 , 以免淋洗时 , 淋洗液直接冲击土砂混合物 , 使其分离 。装好后轻振几下 , 然后用 100液分 4次淋洗土壤 , 淋洗后加入 25 营养液由 0. 2 2成。加盖橡皮塞 , 多余的营养液用抽气泵在 0. 02 以保持良好的通气。淋洗管的底端用橡皮塞塞住 , 放入恒温培养箱中在 35条件下进行培养 , 培养期间用重量法维持土壤水分。在培养的 1、 2、 4、 6、 8、 10和12周取出淋洗管按上述方法进行淋洗 , 并收集淋洗液 , 用蒸馏法测定淋洗液中- N 和 土壤全 N 用开氏消化半微量定 N 法 ; 土壤有机质、活性有机质和易氧化有机质采用不同浓度重铬酸钾消煮法 2 。所有数据采用 氮素矿化动力学用 . 2进行模拟。 土壤氮素矿化势反映了土壤中易矿化有机氮释放的最大潜力。朱兆良曾指出长期施用氮肥和有机肥料可以提高 从而提高土壤的供氮能力 3 。红壤丘陵坡地开垦后 , 经过 8年经 营管理 ,不同利用方式的土壤供氮能力发生了明显的变化 , 旱农经营方式由于每年施用氮肥和部分秸秆还田 , 土壤的 月 5日较低外 , 其他两个时期均为最高 ,标志着土壤活性有机氮库较大 ; 退化利用方式由于没有施用氮肥和每年从系统中移出所有的生物物质 , 导致土壤中氮素不能得到有效补充 , 土壤 表示土壤的活性氮库较小 , 土壤供氮潜力较低 ; 园地经营方式在 (落叶果园、常绿果园、茶园 )虽然在不同时期土壤供氮潜力略有差异 但三者之间并无显著差异。 淹水培养法的发展迟于好气培养法，淹水培养法 是在厌气 (渍水 )条件下培养土壤并测定所释放的 N。首先由 等提出在 30 ，进行 2周淹水培养。后来 5， 40 ， 7天比 30 ， 2周淹水培养矿化的铵态氮与盆栽黑麦草吸氮量关系更密切。与通气培养法相比，淹水培养法具有不需要调节水分 ,培养温度高，矿化速率大等优点 , 且通常只需测定 N，测定更简便，更便于应用，其测定结果也更加稳定，而且也适用于水稻土以外的土壤。 土壤学界对土壤矿化培养法进行了大量研究，肯定了培养矿化法的基本可靠性。这种方法的优点 是培养条件 （ 温度、水分 ） 是可控制的，且能够保持一致，为研究土壤氮素释放规律提供了便利。缺点是实验室内的培养条件与田间条件存在着较大的差异，大多数的培养试验都对土样进行了混匀、过筛、冷藏、解冻、风干、重新湿润等处理，这些处理对土壤中好气和厌气的微生物活性及土壤有机质的易分解性产生了不同的影响，从而影响了土壤矿化过程。 7 风干后再湿润本身对土壤中氮素的矿化有放大作用，而且物理过程如研磨和过筛等同样可能增加土壤氮素的矿化量。土壤的前处理 （ 如风干 ） 和存在的少量不稳定有机物质对矿化过程有突出影 响，用这种土壤进行培养得到的结果不能反映正常的矿化过程，需要通过预培养以消除这些因子的影响。因此由培养矿化法得到的土壤氮矿化量在应用于田间自然条件前必须经过校正。运用这种方法所得出的适宜的温度和水分很少在田间条件下起主导作用，所以通过培养矿化法得出的矿化量通常高于田间的测定值，与田间研究的相关性较差。许多研究试图通过采用原状土柱培养来减少土壤样品前处理的影响，但是这样又会受到空间异质性的影响，使用原状土柱培养要进行大量的重复才能保证结果的可靠性，而且存留在土块中的根系等有机物质也会影响矿化结果。 最常用实验 室土壤培养的具体方法如下：采样后随机选取几个样品立即作初始 它样品以原状土柱的形式保留在 温度与湿度的正交试验。在土柱中加入适量蒸馏水，调节土壤含水量到不同含水量梯度，在不同温度下的恒温培养箱中培养 30d。每一个温度和湿度做多个重复。为保持土壤样品的湿度和空气流通，将 为保鲜膜具有适度的透气性，并能减少水分的传递过程。 30确定其净氮矿化速率。这种方法在我国的使用比较普遍，周才平等对温 度和湿度对长白山两种主要林型下土壤氮矿化的影响的研究 6、王常慧等对我国内蒙古羊草草原土壤净氮矿化的研究 7以及巨晓棠等在土壤氮素矿化的温度水分效应的研究 8中都使用了这种方法。 通过测定土壤 以得出土壤的氮矿化量，在两次采样之间一部分土壤有机质已经矿化，所得到的矿化量可以反映出不同土壤间矿化能力的差异，而且在整个生长季都会存在这种差异 9。但受到土壤内部氮循环、氮素转化、外部输入和氮素损失等因素的影响，通过计算土壤矿质氮前后差值的方法得到的土壤氮 矿化量是不真实的，而且土壤矿质氮的多少也并不能够反映其重要性。这种方法确定土壤氮矿化量也会受到空间异质性的影响，而且很难对不同时间的测定结果进行比较。目前这种方法已经很少有人使用。 由于室内矿化培养法所采用的培养条件与现场情况有较大的差异，使其不能 8 准确的计算土壤的氮矿化量。为了研究自然条件下土壤的氮矿化过程，进行矿化试验是非常必要的。在原位矿化培养法中，培养土样尽量保持与外界温度和含水量的一致，排除了氮素反硝化损失和淋洗损失的影响，并阻止作物的吸收，通过连续多次的培养可以进行长时间的测定。最初使用的原位矿化 培养法是将采集的土样放入塑料袋中，并重新放回原来的位置，经过一段时间后取出，通过比较土样培养前后矿质氮的差异来计算土壤氮矿化量 10。在这段时间内土壤温度是随周围环境的变化而变化，土壤含水量与开始采集土样时的含水量基本保持一致，土壤中的氮素也不被作物吸收。为了减少土壤前处理对土壤氮矿化造成的影响，以后的原位矿化培养逐渐使用塑料管来采集原状土柱进行培养 11。具体方法是，用 土柱的上端用塑料布封住，以防止氮素的淋洗损失，下端用纱布封住，使 回原来的位置 进行原位培养，一段时间后取出进行测定。例如，李明锐等在对西双版纳不同土地利用方式下土壤氮矿化作用的研究 12中就采用了 6块样地均匀布置 3个大约 44个点，用长 15在原位进行培养。杨小红等在对锡林河流域温带草原土壤的净氮矿化的研究 13中也采用了同样的方法。 考虑到原位培养条件下较强的反硝化损失和淋洗损失，还出现了乙炔密闭培养法 14和 15。乙炔密闭培养 法是在培养容器中加入一定量的乙炔后密封，并放回土壤中，乙炔作为硝化抑制剂能够减少通过硝化 是在培养容器的底部加入阴离子交换树脂，在培养期间原状土柱向下淋洗的 所有的原位矿化培养法都不同程度的改变了土壤的存在状况。由于将原状土柱放置在培养容器中，在培养期间土壤无法与外界环境中的含水量保持一致，而且乙炔密闭法可能会导致培养中土壤氧气浓度的下降影响矿化，因此原位培养的时间不能过长。这类方法在我国的应用较少。 植物吸收法出现的最早，从 1923年提出的幼苗 吸收法逐步得到改进，常被用来作为评价其他方法的参比标准方法。植物吸收法出现的最早，目前常用的方法是无 量法 16，其基本假设是在没有外源 物吸收 量。植物吸收法确定的土壤矿化 特定的土壤作物环境下各种因素的影响，常被用来作为评价其他方法的参比标准方法。 使用植物吸收法确定土壤矿化 将作物吸收 没有考虑到通过淋洗和反硝化而损失的 N，前季作物的影响，不同作物具有不同 的吸 量，作物收获前通过叶片蒸腾所损失的 过干湿沉降或灌溉进入土壤的 同位素实验是无肥区植物吸 过使用同位素 以区分植物吸收的 样通过计算收获时作物中的未标记 的变化之和，就可以计算施肥条件下土壤的 是同位素试验和无肥区试验确定的土壤 过同位素试验计算的土壤 N 矿化量通常较大 17，因此通过同位素试验来确定土壤的 另外， 不同的耕作管理方式会对土壤的氮矿化产生影响。 林祥明和林煌在 不同土地利用方式下土壤氮矿化状况研究报告中指出，在四种土地利用方式中，蔬菜地的氮矿化强度最强。蔬菜地有别于常规农作物地，由于蔬菜的生长期较短，农民往往收获之后马上翻耕，连续播种下一季蔬菜，与香蕉地、间作地和甘蔗地一年通常少次翻耕相比，蔬菜地土壤的通气状况要好于其他三种土壤。有机氮的矿化是在多种微生物的作用下完成的 ,包括细菌、真菌和放线菌等 ,可以在好气和嫌气条件下进行。研究表明，在通气良好的土壤中，氮矿化的速率较大 18。另外，农民常对蔬菜 地使用农家肥，其中含有大量有机氮，这些有机氮进入土壤增加了土壤中的可矿化氮量，这也可能是蔬菜地的氮矿化强度大于其它三种土地的原因之一。 香蕉地和香蕉 豆间作地的氮矿化强度相当，这与两种地的管理方式相近有关。研究表明，土壤矿质氮初始含量与培养期间矿化氮产量呈负相关，土壤中存在一个控制氮矿化的反馈机制，较高的矿质氮初始值限制了土壤氮矿化 19，香蕉地主要施用无机氮肥，使土壤中矿质氮初始值较高，可能因此限制了土壤中的矿化过程。 甘蔗地的氮矿化强度在这四种土地利用方式中最低，可能与甘蔗地所浇的水 10 较多，土壤湿度较大 有关。 同时， 环境因素对氮矿化也有影响。 在一定的土壤含水量范围内，土壤氮矿化强度与含水量呈正相关。但当土壤含水量超过了其最适含水量，氮矿化强度反而下降。这与唐树梅等对土壤水含量与氮矿化的关系的研究 20结果相一致。 一般认为，当 C/30时，易分解的能源物质丰富，会刺激微生物迅猛活动 ,导致有效氮大量被微生物固持，使矿质氮的生物固持作用就大于有机氮的矿化作用，从而表现为矿质氮的净生物固持。随着能源物质的消耗， C/C/030时，矿质氮的固持速率与有机氮的矿化速率相同，此时，既不表现为矿质氮的净固持，也不表现为有机氮的净矿化。该现象与鲁艳彩等在对有机碳源添加对不同 C/21结果相一致。 11 2. 研究地概况与研究方法 究地概况 苏北即江苏省北部地区之简称。一般地理和社会意义上，将江苏省的长江以北的区域作为苏北。目前当前区域共有扬州，泰州，南通，盐城，淮安，宿迁，连云港，徐州八市。而以上海人为代表吴语地区，则认为苏北一词涵盖所有操江淮官话的地区，包含江苏省长江以南的南京、镇江以及 安徽省 的 皖南 部分地区（包括 芜湖 、 马鞍山 等地），但不包括启东、 海门 等操吴语的江北地区，也不包括徐州、连云港、宿迁等北方地区。苏北是一个地理概念，也是一个经济区域，曾是一个行政区划。传统意义苏北是指江苏 江淮地区 ，以扬州，淮安，盐城，泰州为代表 的区域。苏北地区的地势总体上极为低平，为坦荡的 平原 ，大部分地方河道纵横，尤其以 里下河平原 的河网最为密集；同时 京杭运 河 沿 扬州 、淮安和徐州向山东 延伸；苏北地区拥有众多湖泊，包括洪泽湖、 高邮湖 、 骆马湖 、白马湖、宝应湖、 邵伯湖 等。 究方法 样地设置 :在研究区内选择杨树林、农田、林农复合、荒草地四种土地利用类型，分别在这四种土地利用类型中选取三块样地，共计 12 块样地，在每块样地中随机取三个样点混合，共计 36 个土样。 土样采集 :样点选好后，在每样点作土壤剖面，在剖面上按 01010252540层取样，每层取样 200自封袋封装带回实验室处理、分析。同时在每块样地中埋入长 50径 5 ，用于氮矿化量的测定。 室内实验 :土壤样品带回实验室后，分成两份， 1 份鲜样去杂，过 2筛后贮藏于 4 的冰箱内，进行土壤硝态氮（ 土壤微生物量氮（ 土壤水溶性有机氮（ 测定；另一份风干、去杂、过筛后供土壤总有机氮 、全氮、铵态氮（ N）以及土壤其他理化性质的测定。 品的采集 在苏北地区，选择不同土地利 用方式下的杨树、杨农、草地、农田土壤作为 12 研究对象。在每个土地利用类型中选择典型的 4个样点，分 0 10、 10 25、25 40三层采集，然后分层混合，去除石砾、根系和土壤动物等，用四分法采集样品，带回实验室内马上过 2 分成 2份 .。一份作为鲜样，供土壤微生物量氮和水溶性氮的分析；另一份风干后，进一步处理，供土壤铵态氮及硝态氮的分析。 壤基本理化性质的测定 （ 1）土壤总矿质氮（ 量的计算公式： （ N） +W（ 土壤总矿质氮含量（ mg （ 2）土壤氮矿化速率和净氮矿化量计算公式： 土壤氮净矿化速率即为培养后和初始值的差 (李检舟等， 2006)，净矿化速率(mgd - 1)=(培养后 N+(培养前 N+，净硝化速率(mgd - 1)=(培养后 (培养前 ， (3)土壤微生物量的测定采用氯仿熏蒸 取法。称取过筛湿土 25中，将烧杯放入盛有无醇氯仿、底部用水湿润并加入适量 真空后 25 下遮光保持 24 h。移出氯仿，用真空泵抽至无氯仿气味后，将土壤移至 250 入 100.5 - 1 荡 30 25 ， 185 r )， 浸提液上 13 3. 研究结果 同土地利用方式对含水率的影响 从 图 1可以看出 四种不同利用方式三个层面平均的含水率含量都多余 25%，大小依次为草地杨树杨农 农田。 但含水率都相差不多。 说明不同土地利用方式下土壤的湿润程度都基本相同。 树 杨农 草地 农田含水率（%）图 1 不同土地利用方式下 平均 含水率 in 14 同土地利用方式对水溶性氮的影响 图 2是 平均 水溶性氮含量的反应图。 杨农和农田的含量都大于 杨树和草地的含量较少。 杨农和农田的含量基本上市杨树和草地的两倍。 大小依次为杨农农田杨树草地。 农 草地 农田水溶性氮含量（mg/ 2 不同土地利用方式下 平均 水溶性氮 of 同土地利用方式对微生物量氮的影响 从图 3可以看出 杨农 的微生物量氮值显著高于其他 三种 。 杨农的含量几乎是草地的 3倍多。杨树含量略低于杨农而高于农田。 15 农 草地 农田微生物量氮含量（mg/ 3 不同土地利用方式下 平均 微生物量氮 of 同土地利用方式对硝态氮（培养前 后）的影响 由图 4， 硝态氮在培养前后变化很大。培养后的硝态氮明显远远高于培养前的含量。 培养前杨农草地农田杨树，培养后杨农农田杨树草地。 农 草地 农田硝态氮（培养前后）含量（mg/态氮（培养前）硝态氮（培养后）图 4 不同土地利用方式下 平均 硝态氮（培养前 后 ） of (同土地利用方式对铵态氮（培养前后）的影响 16 图 5的 铵态氮与硝态氮一样，培养后比培养前含量增加。 和硝态氮相同的是含量大幅增加， 培养前 杨农杨树农田草地，培养后 杨树杨农农田草地。 农 草地 农田铵态氮（培养前后）含量(mg/态氮（培养前）铵态氮（培养后）图 5 不同土地利用方式下 平均 铵态氮（培养前 后 ） of (净矿化表 从表 1可以看出经过培养后，总矿质氮含量 除草地外明显增多。培养前矿质氮含量杨农杨树农田草地，而培养后杨树杨农农田草地 。 杨树培养后明显增多，增量达两倍。而草地却相反的变少。 表 2可以看出净矿 化速率为杨树杨农农田草地。 净矿化速率与总矿质氮含量变化趋势相同。 17 表 1. 不同土地利用方式土壤培养前后矿质氮的变化 (单位 mg利用方式 土壤层（ 培养前 培养后 杨树 005均 农 005均 地 005均 田 005均 2. 不同土地利用方式土壤培养前后净矿化的变化 (单位 mg类型 培养后 培养前 差值 杨树 农 地 田 18 4. 讨论与建议 此次实验比较研究了苏北沿海地区四种土地利用类型对土壤总矿质氮和土壤净矿化速率的影响。结果表明，土地利用变化显著地影响了土壤总矿质氮和土壤氮矿化速率，净矿化速率。不同土地利用类型土壤总矿质氮除了草地和农田25 40他都是培养 后大于培养前。从平均值来看培养后除草地外，都大于培养前。并且杨树杨农农田草地。净矿化速率杨树杨农农田草地。说明在土壤动物和微生物的作用下，土壤有机质中的氮素从难以被植物吸收利用的有机态转化成可被植物直接吸收利用的 无机态的容易 程度为杨树杨农农田草地。此外，土壤微生物量氮和水溶性氮的变化趋势与土壤总矿质氮和土壤净矿化速率的变化趋势基本一致。 氮的矿化是土壤氮循环中（见图 6）的一个重要环节，土壤氮库中的氮主要以有机氮的形式存在，无机氮仅占土壤总氮的 1，而植物所吸收的氮几乎都是无机形式，所以，土 壤氮库中的有机氮必须不断的通过矿化作用转化为植物可吸收的有效态氮。另外，土壤中无机氮的流失也是造成水体富营养化的重要原因之一。 在人工农田生态系统中，即使在大量施用氮肥的情况下，作物中积累的氮素约 50%来自于土壤的有机氮矿化，有些则高达 70%以上 22。如果氮肥施用过量，可能导致硝态氮在土壤的积累，增加地表水和地下水中氮素含量，导致水体富营养化和地下水污染。根据已有数据可知，九龙江流域无机氮、磷流失严重，再加上流域内畜禽养殖污染严重，水体富营养化严重，而且农民盲目施加化肥，导致大量氮磷营养元素浪费，因此对 流域内的土壤氮矿化状况进行研究，可确定流域内农田土壤的供氮能力，作为农田氮肥施用量的参考。 19 图 6 土壤 of of 20 5. 致 谢 本文是在阮老师精心指导下完成的。从最初论文题目的拟定，到文献资料的收集、野外调查方案的制定，再到最后论文的定稿，都凝聚了老师的劳动和心血。在我毕业课题的开展过程中，阮老师的工作作风和他对科研执着追求的态度都给我留下了深刻的印象。阮老师的悉心教导使我受益匪 浅。协助师姐陈书信对论文要点的写作也提出了宝贵意见，并帮助我查找相关资料。通过这次论文写作，我熟悉了野外调查工作的方法，掌握了科学文章的写作要点，这些对我以后的学习和工作都有很大的帮助。在此，我向二位表示衷心的感谢。 21 参考文献 1 J,. of a of . 971,111(4):2282 袁可能 . 土壤有机无机矿质 复合体研究 # 土壤各级团聚体中有机矿质复合体的组成及其氧化稳定性 J . 土壤学报 , 1981,18( 4 ) : 335 - 344. 3朱兆良 . 关于土壤氮素研究中的几个问题 J . 土壤学进展 ,1989, 2: 1- 9.