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稻田污灌增强的土壤反硝化及菜地淹水导致的硝氮(NO3--N)淋溶不仅导致了农田土壤氮(N)素损失,而且对大气和水环境造成了污染。硝酸根异化还原为铵(DNRA)是微生物利用硝酸根(NO3-)作为电子受体将其还原为铵根(NH4+)的过程,是除反硝化外NO3-异化还原的另一条途径。由于DNRA过程减小了NO3-库而增大了NH4+库,从而有利于土壤N素的保持。目前,关于农田土壤中DNRA过程发生程度的认识尚不足。本研究采用15N示踪分析法,探究了养殖尾水灌溉对稻田土壤DNRA潜势的影响,定量了施用液态粪肥稻田土壤的原位及淹水设施菜地土壤的室内DNRA潜势,初步探讨了发酵和硫驱动DNRA途径之间的关系。取得的主要结果如下:
以太湖地区湖白土和乌栅土为研究对象,在室内研究了添加了不同量养猪场处理尾水(0,30和60 kg总氮hm-2)的土壤厌氧培养1天(d)后的DNRA潜势。根据15NO3-在NH4+和有机氮(ON)中的回收所得的乌栅土和湖白土DNRA总速率分别为0.57-0.74和0.09-0.13 mg N kg-1干土d-1,对NO3-总异化还原的贡献(DNRA相对潜势)分别为20.28%-26.21%和3.22%-5.54%。结果表明,乌栅土的DNRA潜势高于湖白土,这与乌栅土具有较高的溶解有机碳/硝态氮(DOC/NO3--N)和较低的氧化还原电位(Eh)有关;低浓度养猪场处理尾水对乌栅土和湖白土的DNRA潜势没有明显影响。
液态粪肥(LCW)施用前1d及施用后7d,在正常水位(CW)和低水位管理(LW)稻田中原位测定了日本灰色低地土壤DNRA潜势。根据15NO3-在NH4+的回收而获得的原位土壤DNRA净速率为3.06-10.4 mg N kg-1干土d-1。5 cm土壤Eh在230-414 mV和-225--65 mV时,DNRA分别占所添加15NO3-消耗的8.55%-12.4%和3.88%-25.4%。CW和LW稻田土壤的DNRA净速率没有明显差异,尽管LCW施用前1d、施用后5d和7d时CW稻田土壤的Eh和DOC更有利于DNRA过程,其原因有待进一步深入研究。
以太湖地区设施菜地土壤为研究对象,采用2种15N示踪分析法研究了其在室内厌氧培养6小时(h)和12 h后的DNRA潜势。根据15NO3-在NH4+和ON的回收而获得的DNRA总速率和相对潜势分别为15.21-26.22 mg N kg-1干土d-1和4.15%-7.05%;通过NH4+滞留时间而获得的DNRA总速率为0.02-0.34 mg Nkg-1干土d-1,占NO3-总消耗的0.002%-0.025%,可以忽略。由于设施菜地土壤中NO3-含量过高,NH4+对NO3-同化的抑制可能不明显,从而导致根据15NO3-在NH4+和ON库的回收所获得的DNRA潜势远高于通过NH4+滞留时间所获得的潜势。两种方法中DNRA潜势并不总是随有机物料对土壤DOC/NO3-的提高而提高,这可能与研究方法、培养时间及DNRA潜势很低等都有关系。
以太湖地区湖白土为研究对象,向土壤中添加不同量九水硫化钠(Na2S-9H2O,0(NS和C+NS)、25(低添加量,LS和C+LS)和100 mg S kg-1干土(高添加量,HS和C+HS))和葡萄糖(0(NS、LS和HS)和500 mg C kg-1干土(C+NS、C+LS和C+HS))后在室内厌氧培养6h和12 h,根据15NO3-在NH4+和ON中的回收表征DNRA潜势,研究了自由硫化物和葡萄糖-碳(C)对DNRA潜势的交互影响。前6h培养中,添加葡萄糖显著提高了不添加(n=6,p<0.05)及添加低量自由硫化物(n=6,p<0.05)的土壤DNRA相对潜势,对添加了高量自由硫化物的土壤DNRA相对潜势影响很小;添加高量自由硫化物显著提高了不添加葡萄糖的土壤DNRA相对潜势(n-6,p<0.05),对添加了葡萄糖的土壤DNRA相对潜势影响很小。然而,后6h培养中葡萄糖和自由硫化物的添加没有促进土壤DNRA相对潜势,其原因有待进一步研究。结果表明,太湖地区湖白土中发酵和硫驱动的DNRA类型之间是否存在相互抑制作用因培养时间和自由硫化物输入量而异。土壤灭菌实验表明,湖白土中硫驱动的NO3-生成NH4+的转化由微生物过程主导,化学作用可以忽略。
本研究有助于丰富对DNRA过程发生的程度及环境条件的认识,并有助于深化认识农田土壤氮素转化过程。