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中文摘要 Band 53

Roth, Phillip J.(2012): 2000年稻田与700年旱地土壤演化过程中有机氮的循环及老化
Bonner Bodenkundl. Abh. 53 218 S., 28 Abb., 19 Tab. Bonn 2012

 

中文摘要

稻田土壤能积累有机质但氮的植物有效性却很低。本研究旨在深入研究稻田土壤中有机氮(SON) 的来源及去向。在这里我提出以下假设,长期的稻作管理可(1)促进土壤氮、有机质及真菌细菌残留物的积累,(2)肽类氨基酸周转的降低导致蛋白质老化的发生,(3)导致氮以黑碳形态长期存在, (4)通过SON库降低根际沉积物的短期循环。基于以上假设,我在中国浙江省杭州湾采集了一组种植时间0到2000年的稻-旱轮作的土壤,同时采集了相邻连续的非水稻土。对土壤样品分析了SON及几种 生物标记物:微生物残留N的氨基糖, 标识N老化的氨基酸手性化合物,用于有机质碳化标识的苯-多 羧基酸,以及不同CN循环的稳定性同位素。为了评估根际沉积物的短期循环,我还进行了一个微型实验,就是将水稻于种植于50至2000年水稻土中,并添加标记性的13CO2。然后,对13C标的土壤有机质 (SOM)及氨基酸手性化合物进行了示踪。
结果表明(1)在土地围垦后,水稻土及非水稻土积累SON的速率分别为:61及77 kg ha-1 a-1。水 稻田及旱地系统分别在172年和110年后达到氮稳定状态(10.7 及8.1 t N ha–1)。氨基糖的分析表明, 在水稻土中SON(0.3 t 氨基糖N ha-1)很相当大的部分是由微生物细胞壁残留所构成,但其总的有效性 很低。然而,N的积累主要发生在水稻土演化前期,并有着与真菌细菌残留物相似的积累速率。只是在犁底层下,来自细菌残留物N的比率很高。(2)30-46%的上层土壤N是以多肽类氨基酸形态存在,20-38%为非水解性N,10-50%为其它能水解但不可降解成单体的氮(主要是多肽)。在土壤围垦前期,土 壤氨基酸库是下降的,在水稻种植后又开始增加16 kg N ha-1直到203年后的稳定态(2.7 t氨基酸N ha-1)。在非水稻土中,这种稳定态要到达得快(65年后)且量要低(1.5 t N ha-1)。相近的D-丙氨酸和D-胞壁酸量表明微生物细胞壁是以完整的大分子被保留存的。再者,D-赖氨酸及D-冬氨酸化合物含量 随土壤深度而增加,意味着相应SON的老化过程。然而,氨基酸的消旋速率并未受到种植过程的影响。令人惊奇的是,水稻土的15N丰度(4.6‰)要低于非水稻土(5.6‰),反映了有更多的大气固定N进入了水稻土壤,并且表明水稻土壤N的净损失较少,有着更为紧密的N循环。水稻种植中往往有水稻秸秆的焚烧,确实(3)碳化有机质(黑炭BC)在水稻土壤中积累直至307年后达到稳定态。但是,BC仅占土壤总有机质的14%,因为水稻炭的C/N比较小,我认为碳化N的形态(黑N)不可能是土壤中稳定SON的主要部分。因此,我想是短期微生物循环过程而不是长期N固定过程决定了土壤中总
SON的动态变化。
驱动微生物SON循环的关键是根际沉积过程。微型实验表明:(4)根际沉积物可很快地加入到 SON循环中,因为多肽库是根际C沉积的中间体(1-7天)。然而,同位素标记在本体土壤SOM中超 过2周,并随水稻土年龄而增加滞留时间。
总之,现有数据表明SON在水稻土中可积累但不像SOM可无限止积累。SON的积累主要是受低生物有效性的驱动而非SON内在稳定性,并且这些主要局限于人为水耕层,而大量的底土层N并不参与总的N循环。表层与底层N的相关性弱是因为受到致密犁底层的垂直运输的阻碍,并可能导致这类农田生态系统中N有效性低的原因。

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