土壤供氮特征与甜菜(Beta vulgaris L.)碳代谢关系研究

摘要

黑土是东北地区糖料作物甜菜(Beta vulgaris L.)的主栽土壤类型，其最显著的特点是有机质含量高且土层深厚，但目前东北黑土区已经出现水土流失、黑土退化等问题，其退化最突出的表现之一就是土壤氮素养分的调控能力减退，最终导致氮肥利用率和土壤供氮能力下降。因此，如何根据土壤供氮特征，有效进行氮素调控，达到甜菜高产、高糖、优质的效应是目前急需解决的问题。本文以甜菜主产区黑土为研究对象，在2010～2014年利用田间及室内试验研究了黑土有机氮构成及供氮特征，甜菜生长季内土壤不同形态氮素的迁移和转化动态变化，通过室内试验研究了温度和水分对有机氮矿化和迁移转化的影响，同时利用15N示踪技术分析了肥料氮在土壤有机氮库中的迁移和转化及对环境因子变化的响应，通过盆栽试验探索了甜菜生长季内不同形态氮对甜菜碳代谢影响，本项研究对于合理施肥、提高土壤氮供氮能力、通过生理调控改善甜菜产质量，丰富甜菜氮素营养理论具有重要意义。主要研究结果如下：
　　1、土壤有机氮的矿化特征
　　甜菜主产区黑土有机氮组分中的主体是酸解有机氮，其中各组分含量及比例的顺序为氨基酸态氮＞氨态氮＞未知态氮＞氨基糖态氮。施氮肥处理(NPK)土壤酸解有机氮组分含量及比例有所增加，其中以氨基酸态氮和氨基糖态氮含量增加的幅度最高。
　　甜菜生长季内土壤矿化氮以硝态氮为主，土壤累积矿化氮量呈指数函数增加，施氮肥提高了土壤供氮能力。两阶段一级反应动力学方程（Two pool模型）能够很好地描述甜菜黑土有机氮矿化过程。
　　施用氮肥既可以土增加壤氮素矿化势(N0)，同时有利于易矿化有机氮(N1)的形成，可以改善甜菜黑土有机氮的品质。土壤氮矿化势(N0)与土壤有机氮各组分均关系密切，其中氨基酸态氮是土壤矿化势的主要贡献者。
　　温度和水分是影响土壤有机氮矿化的重要因子。温度与水分对土壤氮矿化速率的单一作用大于二者的交互作用，温度为30℃，水分在30％是甜菜黑土有机氮矿化的适宜温度和水分水平。
　　2、土壤不同形态氮的时空分布特征
　　甜菜幼苗期施氮肥处理(NPK)可以增加0-30cm土壤铵态氮含量，促进块根糖分增长期（7月）0-70cm土壤硝态氮的吸收。在甜菜生长季内，施氮肥(NPK)可以提高0-30cm土壤氨态氮和氨基酸态氮的含量，同时非酸解态氮在甜菜生长后期（7-9月）出现深层残留。除氨基糖态氮和氨基酸态氮外，土壤有机氮其他组分含量随甜菜生育时间变化规律遵循三次曲线方程的分布规律。甜菜生长过程中，土壤有机氮组分中氨态氮和氨基酸态氮对无机氮贡献较大。
　　在甜菜幼苗期，施入化肥氮主要残留在0-50cm土层中，并以氨态氮、氨基酸态氮和酸解未知态氮为主要方式结合到土壤有机氮库中，在50-70cm土层以酸解未知态氮和非酸解态氮方式结合在土壤有机氮库中;到甜菜收获期（9月），0-50cm土层化肥氮的残留量明显下降，但仍有5.29％～33.92％的化肥氮残留在土壤中，造成了氮肥资源浪费的现象，并主要结合到氨态氮和酸解未知态氮有机氮库中，而50-90cm土层化肥氮固持到难以分解的非酸解态氮的有机氮库中。
　　土壤各有机氮组分与化肥氮之间存在相互转化关系。氨态氮对化肥氮在土壤有机氮组分中的转化直接贡献最大，其次是酸解未知态氮。当土壤氮供应不足时，化肥氮固持在氨基酸态氮和氨基糖态氮可以通过矿化作用转化为植物可吸收的氮。化肥氮在土壤有机氮组分中酸解未知态氮和非酸解态氮的转化间接通过氨态氮起到暂时积累作用。在收获期，植物吸收氮-15N与非酸解态氮-15N和氨基酸态氮-15N关系密切，因此氨基酸态氮作为甜菜可吸收的有机氮源具有重要作用。
　　3、土壤不同形态氮的迁移和转化对温度和水分变化的响应
　　不施肥(CK)处理0-90cm土层之间NH4+-N、NO3--N含量随温度和水分变化差异不显著，施肥(NPK)后，NH4+-N在土柱内的迁移距离主要发生在0～15cm土层内，NO3--N迁移距离主要发生在0～50cm土层内，对温度和水分变化响应显著。
　　不施肥(CK)处理0-30cm土层转化速率（矿化速率、硝化速率和氨化速率）随温度的增加而增加，矿化速率和硝化速率随水分的增加而降低，而在30-90cm土层以20℃为转折点，土壤转化速率随温度增加显著上升，硝化速率随水分的增加变化显著;施肥(NPK)处理0-30cm土层土壤矿化速率、硝化速率和氨化速率显著高于不施肥(CK)处理。在高水分条件下，土壤转化速率随温度的升高而升高。30-50cm土层在低含水量时矿化速率、氨化速率对温度变化的响应显著，在设定温度范围内，硝化速率随水分的增加而增加，50-90cm土层矿化速率、硝化速率与氨化速率在高含水量时，随着温度的升高先升高后降低，在5～20℃范围内，矿化速率、氨化速率和硝化速率随水分的增加而增加，氨化速率受水分变化的响应不显著。在不同的温度和水分条件下，不施肥和施肥土壤不同土层氮素转化速率存在显著差异，各因子之间具有不同程度的交互作用。
　　4、土壤氮素形态与甜菜碳代谢的关系
　　无机氮配施一定比例有机态氮可以促进甜菜生长，增加甜菜地上和地下的干物质积累;增加全生育期内甜菜叶片的叶绿素含量，提高光合能力;在糖分增长期之后，无机氮配施高比例有机氮（占总施氮量67％）处理甜菜块根和叶片氮积累量最大，说明氨基酸态氮也可以成为甜菜生长的良好氮源;可以提高甜菜叶片蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)活性和转化酶活力，维持块根营养生长所需的碳源和能源;块根中可溶性糖、蔗糖含量明显增加，还原糖含量降低，对块根蔗糖的积累有促进作用;有助于甜菜产量和产糖量的提高。

目录

摘要

1 绪论

1．1 甜菜与土壤氮素关系研究现状

1．2 土壤有机氮及组分研究进展

1．2．1 土壤有机氮组分及有效性

1．2．2 土壤有机氮组分的影响因素

1．3 土壤有机氮矿化

1．3．1 土壤有机氮与可矿化氮的关系

1．3．2 土壤有机氮矿化研究方法

1．3．3 土壤有机氮矿化主要影响因素

1．4 土壤氮素形态的时空变化

1．5 土壤氮素迁移与转化研究

1．6 肥料氮在土壤氮库中的动态转化

1．7 土壤氮素形态与甜菜碳代谢效应关系研究

1．8 研究背景、目的与意义

1．8．1 研究背景

1．8．2 研究目的和意义

1．9 研究内容与技术路线

1．9．1 研究内容

1．9．2 技沭路线

2 研究区概况与试验方法

2．1 研究地概况

2．2 试验方法

2．2．1 土壤基本理化性质

2．2．2 土壤有机氮组分的测定

2．2．3 叶片光合色素含量的测定

2．2．4 碳代谢酶活性的测定

2．2．5 糖代谢主要产物含量的测定

2．2．6 甜菜块根含糖率的测定

2．2．7 试验数据处理及分析

3 土壤有机氮矿化特征

3．1 材料与方法

3．1．1 试验设计

3．1．2 样品采集

3．1．3 试验方法

3．2 结果与分析

3．2．1 土壤有机氮组分的构成

3．2．2 土壤有机氮矿化过程

3．2．3 土壤氮矿化势与土壤有机氮各组分的关系

3．2．4 温度和水分对土壤有机氮矿化的影响

3．3 本章小结

4 甜菜生长季内土壤不同氮形态时空分布特征

4．1 材料与方法

4．1．1 试验设计

4．1．2 样品采集

4．1．3 试验方法

4．2 结果与分析

4．2．1 甜菜生长季内土壤无机氮时空变异特征

4．2．2 甜菜生长季内土壤有机氮各组分时空变异特征

4．2．3 化肥氮素在土壤中的迁移转化

4．3 本章小结

5 土壤不同形态氮素迁移和转化对温度和水分变化的响应

5．1 材料与方法

5．1．1 试验设计

5．1．2 样品采集

5．1．3 试验方法

5．2 结果与分析

5．2．1 土壤无机氮迁移和转化对温度和水分的响应

5．2．2 化肥氮的迁移和转化对温度和水分的响应

5．3 本章小结

6 土壤氮素形态与甜菜碳代谢关系

6．1 材料与方法

6．1．1 试验设计

6．1．2 样品采集与处理

6．1．3 试验方法

6．2 结果与分析

6．2．1 不同氮形态对甜菜生长的影响

6．2．2 不同形态氮对甜菜全氮的影响

6．2．3 不同形态氮对甜菜碳代谢相关酶(SPS、SS和转化酶)活性的影响

6．2．4 不同形态氮对甜菜体内碳代谢主要产物的影响

6．2．5 不同形态氮对甜菜块根产量、含糖率及产糖率的影响

6．2．6 讨论

6．3 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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