【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）長江三角洲地區(qū)菜地系統(tǒng)氮肥利用與土壤質(zhì)量變異研究植物營養(yǎng)學博士論文

密級 論文編號 中國農(nóng)業(yè)科學院 學位論文 長江三角洲地區(qū)菜地系統(tǒng)氮肥利用與 土壤質(zhì)量變異研究 of o. N he of I 摘 要 近年來，我國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，蔬菜種植 面積大幅度發(fā)展。在蔬菜栽培中，為追求生產(chǎn)效益菜農(nóng)大量施用肥料尤其是氮肥，造成肥料利用率降低、土壤質(zhì)量下降，生態(tài)環(huán)境惡化等問題。在我國經(jīng)濟快速發(fā)展地區(qū)，上述問題尤為嚴重。因而，研究該地區(qū)氮肥在蔬菜 少農(nóng)業(yè)環(huán)境污染以及促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 本論文通過對 2 個蔬菜保護地的大田試驗、結(jié)合 3 個保護地的定位監(jiān)測試驗以及盆栽試驗，采用常規(guī)方法和示蹤技術(shù)（利用無機、有機肥交叉標記），研究常規(guī)施肥條件下有機肥氮、無機肥氮在蔬菜保護地中的轉(zhuǎn)化和去向； 并通過不同種植類型土壤以及不同種植年限的保護地進行土壤質(zhì)量監(jiān)測試驗，對保護地土壤質(zhì)量下降的原因進行了探索。主要結(jié)果如下： 常規(guī)田間定位試驗結(jié)果表明：氮肥用量 225機肥比例為 0條件下，氮肥當季利用率小于 10%。兩季作物的利用率也僅有 5作物未吸收的肥料氮主要以 N 的形態(tài)存留在剖面 0體之內(nèi)，殘留率為 34有機肥比例較高，土壤累積的礦質(zhì)氮較低，氮肥利用率較高。大田的示蹤試驗的結(jié)果表明：蔬菜吸收的氮素 2%11%來自于肥料 ，約 90%的氮素是從土壤中吸收。由于受降雨的影響，化肥淋洗損失嚴重，總損失率高達 70%。而施用有機肥增加了氮肥在土壤中的回收率。有機肥與化肥配施條件下化肥氮的土壤回收較單施化肥高，即便如此，配施條件下?lián)p失的氮素 97%來自化肥氮，僅有 3%來自有機肥氮。 通過對三種類型菜地，即菜稻輪作 3 年保護地 0 年保護地 著土壤氮含量水平的提高，土壤生產(chǎn)力提高，蔬菜生物量和吸氮量均有明顯的增加。而在三種土壤上施用相同量的氮肥后，土壤生產(chǎn)力隨土壤肥力增加的幅度降低。在低、中 氮土壤上，施肥均比對照處理增加蔬菜生物量和吸氮量，而在高氮土壤上，施肥較對照降低生物量；隨著土壤肥力水平的提高，氮肥的利用率、殘留率呈下降趨勢，而損失率卻呈上升趨勢；差減法氮肥利用率為 2%14%、殘留率為 25%61%、損失率為 23%72%。 盆栽試驗結(jié)果表明，在氮肥用量為 75300mg件下，隨著氮肥用量的增加，肥料利用率降低，損失率增加?；瘦^有機肥氮的當季利用率高，而殘留率卻低于有機肥。示蹤法和差減法有一定的差異，當土壤肥力較低時，由于激發(fā)效應，施肥處理較對照吸收了更多的土壤氮素，差 減法大于示蹤法利用率；當土壤含有足夠的氮素供植物吸收時，示蹤法利用率大于差減法。 土壤質(zhì)量監(jiān)測試驗表明，輪作類型對土壤理化性狀和微生物區(qū)系有顯著的影響?？傮w看來，保護地的微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)最不理想，鹽分含量最高。相比之下，菜稻輪作對降低土壤鹽分以及改善微生物區(qū)系有重要的作用。不同種植年限保護地土壤質(zhì)量也有很大差異，隨著蔬菜種植年限的增加，耕層土壤中 量顯著增加，土壤 重顯著降低。細菌和放線菌數(shù)量隨種植年限呈先增加后降低的趨勢，真菌卻呈一直增加的趨勢。初步結(jié)果表明 高肥料用量 導致土壤鹽分增加、酸化趨勢明顯以及養(yǎng)分非均衡加劇，造成對土壤微生物和作物生長的脅迫，可能是導致土壤質(zhì)量障礙的主要原因之一。 關(guān)鍵詞：蔬菜保護地，氮肥，去向，示蹤技術(shù)，土壤質(zhì)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 錄 第一章 文獻綜述 1 問題的提出及立題意義 1 農(nóng)田中的氮素循環(huán) 2 氮素循環(huán)引發(fā)的環(huán)境問題 2 氮素的循環(huán)途徑 3 保護地氮素循環(huán) 4 保護地氮素循環(huán)與土壤質(zhì)量問題 5 保護地氮素循環(huán)與蔬菜品質(zhì) 7 保護地氮素循環(huán)與水環(huán)境污染 8 保護地氮素循環(huán)與大氣污染 10 降低氮肥損失提高利用率的措施 12 氮肥利用率的主要 研究方法 13 試驗地區(qū)概況 14 第二章 研究思路與主要研究內(nèi)容 16 研究思路 16 研究內(nèi)容 16 第三章 冬春季 (青菜 輪作體系中氮肥利用率 18 材料與方法 18 試驗基地基本概況 18 試驗設(shè)計 19 試驗方法 19 結(jié)果與討論 20 不同施肥當季氮肥的去向動態(tài)變化 20 不同施肥后茬蔬菜中氮的去向及動態(tài) 24 有機氮的礦化 30 小結(jié) 32 第四章 夏季蔬菜氮肥利用率 33 材料與方法 33 有機肥的標記 33 試驗設(shè)計 35 結(jié)果與討論 38 有機肥的標記 38 蔬菜 40 無機氮在剖面中的分布 45 小結(jié) 46 第五章 蔬菜種植類型及種植年限對菜地氮肥利用率的影響 47 V 材料與方法 47 試驗地塊基本狀況 47 試驗設(shè)計 48 取樣及測定方法 48 結(jié)果與討論 49 蔬菜對肥料氮的吸收利用 49 不同類型菜地氮肥去向 52 不同類型土壤氮的表觀礦化 54 小結(jié) 55 第六章 施肥用量及有機、無機配比對氮肥利用率的影響 56 材料與方法 56 供試材料 56 試驗設(shè)計 57 測定方法 58 結(jié)果與討論 58 肥料用量對蔬菜氮素吸收的影響 58 肥料配比對蔬菜氮素吸收的影響 62 施肥對土壤全氮含量和 15N 豐度的影響 64 氮肥在蔬菜 66 土壤氮素的礦化 71 氮肥在土壤中的殘留形態(tài) 72 小結(jié) 73 第七章 集約化農(nóng)田土壤質(zhì)量問題及其影響因素初探 75 材料與方法 75 試驗方案 75 測定方法 77 結(jié)果與討論 78 不同輪作類型對土壤理化性狀和微生物區(qū)系的影響 78 不同蔬菜種植年限對土壤理化性狀和微生物區(qū)系的影響 82 相同栽培年限保護地正常棚和障礙棚比較 86 氮肥用量對土壤微生物區(qū)系的影響 87 小結(jié) 89 第八章 主要結(jié)論和展望 91 主要結(jié)論 91 研究展望 92 參考文獻 94 致謝 107 作者簡介 108中國農(nóng)業(yè)科學院博士學位論文 第一章 文獻綜述 1 第一章 文獻綜述 題的提出及立題意義 隨著我國農(nóng)產(chǎn)品購銷體制和價格體系的改革和完善以及人民生活水平的提高，農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和種植業(yè)結(jié)構(gòu)合理化調(diào)整，蔬菜 種植面積日益增加。根據(jù) 布的數(shù)據(jù)，發(fā)展中國家蔬菜收獲面積 40 年來呈現(xiàn)明顯上升的趨勢，而中國在其中起著非常重要的作用，即中國蔬菜收獲面積的變化決定了發(fā)展中國家的變化趨勢。其中蔬菜保護地栽培在農(nóng)業(yè)及農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中的作用和地位越來越突出，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。在很多地方蔬菜保護地栽培已成為當?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)，為我國有效提高單位面積產(chǎn)值提供了重要模式（李文慶等， 1996）。蔬菜保護地栽培是指在外界的環(huán)境條件不能滿足當?shù)厥卟松L的季節(jié)里，利用人為制造的保護設(shè)備，為蔬菜的生長發(fā)育創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件而進行持續(xù)生 產(chǎn)的一種栽培形式。這種蔬菜促成栽培單產(chǎn)高、上市早，能增加淡季的蔬菜品種和供應量，滿足人民的需要，增加了菜農(nóng)的收入，提高人民的生活水平。 而蔬菜具有生長快、生長期短、根系弱、產(chǎn)量高等特點，因此需肥量較大，需要多施速效肥料。眾所周知化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一直起著舉足輕重的作用。據(jù)報道，在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的諸多因素中，化肥的作用占 50%左右（曹志宏， 1998）。美國著名育種學家 士在向國際學會提交的關(guān)于世界糧食生產(chǎn)的報告指出， 20 世紀世界糧食增產(chǎn)的一半來自施用的化肥，而且在 21世紀這個作用還繼續(xù)增加（ 1994）。聯(lián)合國糧農(nóng)組織多年的統(tǒng)計資料表明，化肥在糧食總產(chǎn)中的貢獻為 30%40%（ 1992），我國為 35%左右。就肥效而言，氮肥在我國糧食生產(chǎn)及糧食安全方面具有重要的地位（張新明等， 2002）。由于氮的損失是不可避免的，單土壤有機氮的礦化又不能滿足蔬菜的需要，因此為了達到蔬菜的正常需要，氮素化肥的施用是非常必要的。尤其是蔬菜栽培的復種指數(shù)高，氮肥的施用就顯得更加重要。 但是由于長期以來不合理的施肥等原因，造成我國蔬菜生產(chǎn)中產(chǎn)量和品質(zhì)降低、氮肥利用率低的不良效果，同 時引起了一系列的環(huán)境問題。不同于磷鉀肥，氮素是非?；钴S的元素，損失途徑也很多。除了被作物吸收、殘留于土壤外，即可以向下淋洗以至于污染地下水，又可以通過徑流損失造成地表水富營養(yǎng)化，還可以通過氣態(tài)損失的途徑污染大氣，而硝酸鹽淋失是蔬菜生產(chǎn)中影響環(huán)境的主要過程。由于蔬菜生產(chǎn)過程中向環(huán)境釋放大量的氮素使得這種栽培方式被認為非可持續(xù)生產(chǎn)（ et 2001）。所以蔬菜栽培中氮肥的施用更為值得關(guān)注。提高氮肥利用率、減少氮素損失是我國乃至全世界過去、現(xiàn)在和將來一直關(guān)注的重要問題。對氮素的研究 歷史悠久，在這方面積累了及其豐富的資料和經(jīng)驗。 從研究層次上講，氮素的研究主要包括兩個方面，一是集中研究單個過程的機理、參數(shù)及其影響因素，如對氮素的吸收、礦化、固定、硝化以及反硝化等過程分別進行研究；二是對某一特定生態(tài)條件下，土壤 態(tài)及多途徑去向的綜合、系統(tǒng)研究。在每一個生態(tài)系統(tǒng)中，氮素遷移轉(zhuǎn)化的各個過程是相互聯(lián)系、密不分割而且是相互影響的。某一過程的變化會引起其它一系列過程的變化。因此，同時監(jiān)測各個過程的動態(tài)，才更有利于我們對氮的轉(zhuǎn)化機理的研究和理解。對某一生態(tài)系統(tǒng)中氮的轉(zhuǎn)化 、動態(tài)及去向的系統(tǒng)研究也是近中國農(nóng)業(yè)科學院博士學位論文 第一章 文獻綜述 2 十幾年來國際上氮素研究的特點和熱點。從研究方法上講，主要有常規(guī)方法和示蹤方法。常規(guī)方法是通過對比試驗來研究氮的轉(zhuǎn)化的一種常用的方法。但是這種方法不能夠精確地跟蹤土壤氮和肥料氮的去向。示蹤方法是通過標記肥料氮來研究追蹤氮素在各個氮庫中的動態(tài)分配及去向的方法，這種方法能夠精確直觀地追蹤氮素行為，獲得合理可靠的結(jié)果。從氮素的研究載體上講，國際上用示蹤方法一般對大田作物、森林、草原等研究的比較多（徐興良等， 2003）。對于高水、高肥的菜地生態(tài)系統(tǒng)研究報道很少。在我國，以中國科學院南京土壤 研究所朱兆良先生為首的研究小組對南方地區(qū)水稻土中化肥氮的遷移、轉(zhuǎn)化等各個過程進行了系統(tǒng)深入的研究（朱兆良， 1992）。中國農(nóng)業(yè)大學對我國北方地區(qū)的主要輪作方式冬小麥 /夏玉米輪作體系中氮的遷移、轉(zhuǎn)化進行了系統(tǒng)研究（巨曉棠， 2000）。而蔬菜生產(chǎn)在南、北方都比較普遍，但是對于蔬菜生態(tài)系統(tǒng)尤其是蔬菜保護地栽培中，蔬菜對氮的吸收、肥料氮在土壤中的殘留及通過各種途徑的損失程度，缺乏系統(tǒng)研究。雖然蔬菜的種植面積仍沒有糧食作物的種植面積大，但是自20 世紀 80 年代以來，我國蔬菜的種植面積在日益增加，已成為僅次于糧食作物的第 二大農(nóng)作物。其中保護地蔬菜面積達到 480 萬公頃，占蔬菜面積的 30%，占全國耕地面積的 年產(chǎn)值為 1500 億元（范丙全， 2002）。而且蔬菜生產(chǎn)中的施肥問題非常嚴重，對環(huán)境污染影響不容忽視（張維理， 1995；劉宏斌， 2002）。 尤其在我國南方 6 省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氮素平衡中，收入大于支出，造成氮素盈余，有相當部分的氮素進入環(huán)境中，對環(huán)境造成威脅（魯如坤等， 2000）。加上我國氮肥的投入存在作物間、地區(qū)間的差異，形成了經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的氮肥施用的浪費，而經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)氮肥施用不足的局面，這樣就更加劇了農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)特 別是沿海地區(qū)氮肥對環(huán)境的污染（李勇等， 1998）。尤其是在南方水網(wǎng)地區(qū)由于特殊的氣候條件（降雨量大、水位高），給研究帶來一定的困難，因此對東南沿海典型經(jīng)濟快速發(fā)展地區(qū)菜地系統(tǒng)中氮的轉(zhuǎn)化機理及去向的研究迫在眉睫。 本研究就是在前人研究的基礎(chǔ)上，在東南沿海典型經(jīng)濟快速發(fā)展地區(qū)，以對我國農(nóng)產(chǎn)品與環(huán)境污染影響最大的菜地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，針對蔬菜生產(chǎn)中肥料大量投入造成的對農(nóng)產(chǎn)品、土壤及水環(huán)境的負面效應，應用示蹤實驗和常規(guī)實驗相結(jié)合的方法，通過田間定位、田間觀測等實驗，研究在常規(guī)施肥條件下，氮在菜地 轉(zhuǎn)化、累積規(guī)律，定量研究氮的分配和去向，為蔬菜合理施肥以及安全生產(chǎn)、維護生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。 田生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán) 素循環(huán)引發(fā)的環(huán)境問題 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人為因素影響較大的生態(tài)系統(tǒng)。在自然和人為作用的雙重驅(qū)動下，地球表面營養(yǎng)元素的生物地球化學過程及其環(huán)境效應成為當前全球變化中區(qū)域研究的重要內(nèi)容。而由于氮素的活躍性和重要性，對氮素在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)的研究屢見不鮮（ et 1997;et 994；李志博等， 2002）。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的氮素循環(huán)， 是指氮素通過多種途徑進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，又通過許多相互聯(lián)系的遷移、轉(zhuǎn)化和累積過程離開或殘留在這個生態(tài)系統(tǒng)的過程。 中國農(nóng)業(yè)科學院博士學位論文 第一章 文獻綜述 3 工業(yè)化以來，由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人口的增長，特別是化學氮肥和化石燃料消耗量的急劇增加，嚴重擾亂了自然界的氮素循環(huán)，導致氮循環(huán)過程中產(chǎn)生的一些氮氧化物和氮氫化物向大氣和水體過量遷移。如 移至大氣，不僅增強溫室效應，而且擾亂臭氧層； 和 向水體遷移，不僅影響飲用水質(zhì)量，而且造成水體富營養(yǎng)化；從陸地遷移到大氣的 降到陸地和海洋，不僅改變了森林作 為氮匯的作用，而且加劇了水體富營養(yǎng)化，由此導致一系列環(huán)境問題的出現(xiàn)。為適應未來人口增長的需要，化學氮肥和能源的消耗量仍將不斷上升，這勢必對環(huán)境造成更大的壓力。氮與食物和能源生產(chǎn)及其引發(fā)的環(huán)境問題，已引起了各國政府和科學家的關(guān)注 。 素循環(huán)的途徑 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的氮素循環(huán)是一個形態(tài)不斷轉(zhuǎn)化、進行多途徑循環(huán)的物質(zhì)流。在這個過程中，土壤是氮素循環(huán)的重要中轉(zhuǎn)庫（見圖 1氮素的投入和支出都是針對于土壤而言的。氮素的投入包括施肥（有機肥和無機肥）、大氣沉降、及生物固氮。而氮素的支出有收獲物的帶走、包括 氨揮發(fā)以及硝化反硝化引起的氮素的氣態(tài)損失、硝態(tài)氮的淋洗、土壤侵蝕等途徑引起的氮素的遷移。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人為影響非常強烈的生態(tài)系統(tǒng)，它以施肥的方式來增加土壤氮素和維持地力，同時以作物收獲的方式來生產(chǎn)對人類有用的農(nóng)產(chǎn)品。李比希的養(yǎng)分歸還學說的提出，正是體現(xiàn)了農(nóng)田養(yǎng)分的循環(huán)原理。 在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，氮以各種有機形態(tài)和無機形態(tài)存在于土壤中，它的各個轉(zhuǎn)化過程是非常復雜的，同時又受到各種氣候、環(huán)境因素的影響，而這些最終都影響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）的遷移、轉(zhuǎn)化、累積規(guī)律以及評價和預測 氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性是國內(nèi)外關(guān)注的熱點之一。而且農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人工生態(tài)系統(tǒng)，它不同于自然生態(tài)系統(tǒng)，在養(yǎng)分循環(huán)中主要依靠人為的控制和補給才能維持生態(tài)系統(tǒng)的延續(xù)。但是不合理的人為活動會破壞生態(tài)系統(tǒng)，造成不良影響，向不利于人類需要的方向發(fā)展。而對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的研究，就是為了了解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)特征，使人類在調(diào)控養(yǎng)分循環(huán)的同時，向有利于人類需要的方向發(fā)展（魯如坤等， 1996）。例如對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)及其影響因素的研究，可以更深入的了解氮素的循環(huán)特征，提高氮肥利用率，防止氮素的損失；而對預測氮素動 態(tài)變化的模擬模型研究同時有了長足的進展（陳明昌等， 1996），為加深對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮的行為的理解提供了良好工具；同時可以解決由于作物的多樣性和其生長條件的多樣性所造成的推薦施肥的困難（ 2001）。 為了估計和預測氮素循環(huán)變化和對全球生命維持系統(tǒng)的影響