人類農(nóng)業(yè)活動對土壤活性氮庫的影響及其環(huán)境效應.pdf

1、人類活動特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動極大地推動了全球的氮固定和氮循環(huán)，但同時也引起了嚴重的環(huán)境問題?；钚缘鳛槟軌虮蛔匀唤缟镏苯永玫闹匾匦螒B(tài)，對滿足人類生存所需的食物生產(chǎn)具有普遍意義，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用，然而在此之后出現(xiàn)的許多環(huán)境問題也越來越多地引起了人們對其環(huán)境行為的關注。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，輸入土壤中的活性氮主要是指氮肥，進入土壤中的氮肥基本有三種去向，即作物吸收、在土壤中殘留、通過各種途徑損失。其中，殘留活性氮以硝態(tài)氮為主

2、，而且以這種形態(tài)的活性氮對環(huán)境的影響最為嚴重。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地發(fā)展，出于提高作物產(chǎn)量的考慮，過量施用氮肥的現(xiàn)象廣泛存在，由此而導致作物收獲后土壤剖面中殘留了大量的硝態(tài)氮。這些殘留的硝態(tài)氮一部分可能被下季作物吸收利用，一部分淋洗到深層次甚至淺層地下水，一部分發(fā)生反硝化以N2O或N2的形式逸出土壤。淋洗的硝態(tài)氮是造成地下水硝酸鹽污染的主要原因，而反硝化釋放的N2O也是引起全球氣候變暖的重要溫室氣體之一。與集約化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不同，森林和草原等天

3、然生態(tài)系統(tǒng)由于沒有受到人為活動的直接擾動而保持了自然的生產(chǎn)狀態(tài)。以往的研究很少有人依據(jù)天然生態(tài)系統(tǒng)土壤中氮素的循環(huán)轉(zhuǎn)化規(guī)律來探討人為農(nóng)業(yè)活動對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤中活性氮庫的影響，以揭示其產(chǎn)生的環(huán)境效應。因此，本文選取了中國東北地區(qū)天然生態(tài)系統(tǒng)(森林和草原)土壤作為參照，研究人為農(nóng)業(yè)活動所引起的典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(農(nóng)田、大棚和長期定位試驗田)土壤剖面的活性氮庫容及其幾種重要組分(NH4+-N和NO3--N、可礦化氮、微生物氮和固定態(tài)銨)偏離自

4、然的程度、原因及對環(huán)境的影響；同時對典型生態(tài)系統(tǒng)(森林、草原、農(nóng)田、大棚和長期定位試驗田)中土壤活性氮庫的礦化及硝化潛力進行研究，評價不同生態(tài)系統(tǒng)的硝態(tài)氮供應能力、人為活性氮的轉(zhuǎn)化機制及環(huán)境效應。主要研究結(jié)果如下： 在人為耕作、施肥、灌水等不同農(nóng)業(yè)管理措施的干預下，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的各類型土壤其剖面中NO3--N的累積量已經(jīng)達到相當高的程度。其中大棚土壤剖面0～200cm中NO3--N的累積量最高，平均達717kghm-2，相當于普

5、通農(nóng)田土壤氮肥年施用量的3倍。而農(nóng)田黑土、黑鈣土和白漿土中的NO3--N的累積量分別達到了78.3kghm-2、124.6kghm-2和20.6kghm-2。這相對于自然狀態(tài)下的森林和草原，分別為3.2kghm-2和13kghm-2的累積量而言，已經(jīng)嚴重偏離了自然的狀態(tài)。為NO3--N進一步向土壤以外環(huán)境中的遷移留下了隱患。 表層土壤中NO3--N的生成量受礦化和硝化作用這兩個連續(xù)過程作用特征的影響。森林表層土壤礦化速率最高，達

6、到10.7kghm-2d-1，然而由于其硝化速率僅為礦化速率的30％，即單位時間內(nèi)礦化產(chǎn)生的無機氮中只有1/3左右能夠轉(zhuǎn)化成NO3--N，因此森林表層土壤中雖然能夠礦化產(chǎn)生大量的無機氮，但NO3--N的累積量卻很少。因此，對環(huán)境造成壓力的可能性較小。而大棚表層土壤中無論氮素的礦化量、礦化速率還是硝化速率都很高，而且礦化和硝化速率基本相同，礦化產(chǎn)生的無機氮幾乎能夠全部轉(zhuǎn)化成NO3--N，這是大棚土壤NO3--N累積的重要機制。草原表層土壤

7、的硝化速率雖然超過了其礦速率，但由于其凈礦化量低，因此草原表層土壤中NO3--N的生成量不高。農(nóng)田三種類型土壤其各自表層的礦化速率和硝化速率大致相等，且都不同程度的超過了草原土壤，從這角度出發(fā)，其表層NO3--N的生成量必然要超過草原。因此，可以認為，人為農(nóng)業(yè)活動干擾改變了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤礦化和硝化作用的特征，從而導致NO3--N的大量生成，進而將對環(huán)境產(chǎn)生可能的負面影響。 長期施用無機氮肥能夠增加表層土壤中無機氮、微生物量N

8、和固定態(tài)銨的相對含量，同時降低可礦化氮的相對含量及其礦化和硝化的潛力。通過對表層土壤活性氮庫中幾個重要組分其相對含量的綜合比較，發(fā)現(xiàn)長期施用氮肥會影響氮素在各組分之間的重新分配。但就無機氮、微生物量N、固定態(tài)銨和可礦化氮這四者之和與全氮的比值來看，不同施肥處理由高到低的排列順序為：PK＞NK＞NP＞NPK＞N＞K＞CK＞P。此分析說明，氮肥施用從總體上增加了表層土壤活性氮庫的庫容。 鑒于以上研究結(jié)果，本研究認為對于大棚土壤應通過