我国南方地区不同纬度水稻土有机氮组分研究

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水稻土是我国重要的农业土壤资源,其可持续高效利用与粮食安全密切相关。在陆地生态系统中,氮素为最重要养分,其存在的形态及迁移转化与土壤氮素供应和生态环境质量密不可分。通常,土壤中90%以上的氮是以有机形态存在,且成分非常复杂,包括有机残体中的氮和土壤有机质或腐殖质中的氮。目前,对不同区域及气候环境因素所引起的水稻土有机氮组分的研究仍然缺乏。为此,本研究选取了我国南方不同种植区域的典型水稻土,采集了由南到北的广州、龙岩等地的土壤样品,通过封管水解Bremner法以及RP-HPLC法分析了土壤有机氮组分及氨基酸氮,探讨了不同纬度对我国水稻土有机氮及氨基酸氮的影响,以期为揭示在区域空间尺度上水稻土有机氮变化规律和氮素生物地球化学循环提供参考依据。论文主要包括以下四个部分:  1、水稻土有机氮组分随纬度梯度的变化规律。不同区域样品的分析结果表明,水稻土全氮含量为1524~2391 mg kg-1,总酸解氮941~1613 mg kg-1,氨基酸378~714 mg kg-1,铵态氮186~375 mg kg-1,氨基糖氮96~106 mg kg-1,未知态氮260~389 mg kg-1。其中土壤全氮、总酸解氮及氨基酸氮以位于中间位置的衢州的水稻土为最高,各样地之间差异显著。铵态氮以衢州与位于最北端的常熟最高,氨基糖氮各样地无差异,而未知态氮则是位于最南端的广州为最高。总的来看,在不同纬度地区的水稻土中,土壤全氮及有机氮组分含量与纬度梯度之间没有相关性。水稻土中非水解氮所占全氮比例从南到北是逐渐增加的(23.4%至40.4%)(R2=0.453, P=0.15),而总酸解率是下降的(76.6%至59.6%)(R2=0.453,P=0.15)。在水解氮中,未知态氮所占比例随纬度增加是下降的,从龙岩的28.5%下降到常熟的13.6%(R2=0.691,P<0.05);氨基酸氮所占比例较为接近,无明显变化规律,约为25%~30%,建瓯最高为33.5%;铵态氮比例为12.0%~18.5%,并且有随纬度增加而增加的趋势(R2=0.449,P=0.18);土壤氨基糖比例变化范围为4.9%~6.8%,所占比例较小,且变化范围小,但从南到北,随着纬度增加而有下降的趋势(R2=0.636,P<0.05)。从有机氮组分比例特征可以看出,很大程度上,气候环境决定了有机氮的结构组成。  2、水稻土水解性氨基酸随纬度梯度的变化规律。各组氨基酸所占氨基酸总量比例大小顺序均为:中性氨基酸>碱性氨基酸>酸性氨基酸。中性氨基酸是土壤水解性氨基酸的主要部分,所占比例从南到北是逐渐增加的(R2=0.807,P<0.01),即从广州的52.3%增加到常熟的69.0%。相反,碱性氨基酸所占氨基酸总量的百分比则有下降的趋势(R2=0.765,P<0.02),即从广州的43.8%下降到常熟的26.8%。由于酸性氨基酸所占氨基酸总量比例较小(约4%),各种土壤之间差异较小,在地理纬度上的变化规律不明显。因此,气候环境决定了水解性氨基酸氮的结构与组成。  3、水稻土游离氨基酸随纬度梯度的变化规律。各水稻土中游离氨基酸组成结构虽然各不相同,但总体上来说,各组氨基酸所占氨基酸总量比例大小顺序均为:中性氨基酸>碱性氨基酸>酸性氨基酸。与水解性氨基酸组成相比,中性氨基酸所占游离氨基酸总量百分比更高,约79%~93%,是土壤游离氨基酸的最主要部分。与水解性氨基酸类似的是,中性氨基酸所占游离氨基酸总量所占比例从南到北是逐渐增加的(R2=0.733, P<0.05),即从广州的79.4%增加到常熟的92.6%。相反,碱性氨基酸所占氨基酸总量的百分比则有下降的趋势(R2=0.641,P<0.05),即从广州的16.6%减少到常熟的2.6%。酸性氨基酸所占氨基酸总量比例在地理纬度上的变化规律不明显。这表明,气候环境对游离氨基酸氮的结构与组成具有重要影响。  4、土壤供氮能力与有机氮组分之间的关系。通过选择不同温度进行恒温培养发现,随着培养温度的增加,不同纬度地区水稻土的矿化速率均有增加的趋势,且差异显著。将土壤氮矿化量与土壤基本指标进行相关分析发现,土壤氮矿化量与土壤全氮、全磷、pH、交换性钠、钙显著相关。矿化量与水稻土总酸解氮、氨基酸氮以及铵态氮的相关性常在培养温度为15℃和25℃条件下达到显著性。而在不同温度条件下,矿化量与土壤水解性氨基酸总量以及游离氨基酸总量无显著相关关系。可见水稻土的供氮能力更多地与样地土壤性质相关,而与地理分布没有显著相关性,说明人为的管理措施对水稻土的供氮能力有着更主要的影响。
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