Microprofiling of nitrogen patches in paddy soil: Analysis of spatiotemporal nutrient heterogeneity at the microscale

稻田土壤氮素斑塊的微剖面分析：微尺度下養分時空異質性研究

來源 Scientific Reports, volume 6, article number 27064, 2016

《科學報告》，第6卷，文章編號27064，2016年

 

摘要

這篇論文指出，熱帶地區的淹水稻田生態系統支撐著世界上主要作物水稻的種植，而氮素有效性是限制水稻生產的最主要營養因素。然而，關于稻田土壤對氮肥施用的動態響應，特別是在氮素分布和轉化上的水平和垂直斑塊性，人們知之甚少。本研究對中國亞熱帶兩個代表性稻區（江西鷹潭和湖北潛江）的稻田土壤中銨態氮、硝態氮、硝化作用、氧氣（水體和土壤）和pH（水體和土壤）的微尺度剖面進行了分析。結果表明，在微尺度上，氮斑塊內的銨態氮和硝態氮表現出劇烈的時空分布特征。研究發現，土壤pH在土壤表面以下1.0-3.5毫米深度趨于穩定，而土壤氧氣在1.7-4.0毫米深度以下無法檢測到。施肥顯著提高了氮斑塊內的pH，并降低了氧氣含量。通徑分析顯示，影響硝化作用的因素按重要性排序為：水體pH > 土壤pH > 銨態氮 > 水體溶氧量 > 硝態氮 > 土壤溶氧量。論文討論了決定氮斑塊內養分異質性程度的土壤性質，并認為這些知識對于科學評估田間養分利用效率至關重要。

 

研究目的

本研究旨在通過微尺度分析，探究集中施肥在淹水稻田土壤中形成的氮素斑塊內，銨態氮、硝態氮、硝化活性、pH和氧氣的時空變化特征及其相互關系。目標是深入了解對水稻氮營養至關重要的微生物硝化過程，以及控制該過程的關鍵因素，從而揭示稻田土壤中氮素轉化的微觀機制。

 

研究思路

研究選取了兩種具有不同母質（鷹潭YT土壤來源于第四紀紅粘土，偏酸性；潛江QJ土壤來源于河流沖積物，偏堿性）的代表性稻田土壤。采用特制的有機玻璃培養箱進行室內模擬培養，在中間隔室集中施用尿素形成氮斑塊，兩側隔室為不施肥的土壤。在施肥后的不同時間點（1, 3, 5, 7, 10, 15, 20, 40, 70天），在水平方向上距離施肥點不同距離（0, 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40毫米）處采集土壤樣品，測定無機氮含量和短期硝化活性。同時，在施肥后40天，使用丹麥Unisense公司生產的微電極對水和土壤剖面進行原位、高分辨率的pH和氧氣濃度測量。最后，運用通徑分析統計方法，量化各土壤性質對硝化活性的直接和間接影響。

 

測量的數據及研究意義

1.  銨態氮和硝態氮的濃度：數據來自圖1和圖2。研究意義在于首次直觀展示了淹水稻田土壤中氮斑塊內銨態氮和硝態氮的劇烈時空變化格局。銨態氮濃度在施肥點最高，并隨距離增加而顯著降低，且其斑塊范圍隨時間擴大，這表明銨態氮在土壤中主要通過擴散遷移。硝態氮則未表現出明顯的濃度梯度，與其作為陰離子不易被土壤膠體吸附、擴散更快有關。這些數據揭示了兩種氮素在淹水環境下的不同行為。

 

 

2.  短期硝化活性：數據來自圖3。研究意義在于揭示了兩種土壤硝化活性的巨大差異（QJ土壤遠高于YT土壤），并發現YT土壤中硝化活性在氮斑塊內較高且隨距離增加而降低，而QJ土壤中無明顯斑塊現象。這表明土壤本身的性質（如pH）對硝化微生物活性的影響可能超過了局部氮素濃度的刺激作用。

 

3.  水體和水土界面以下的土壤pH值：數據來自圖4。研究意義在于通過微電極實現了毫米級精度的pH剖面測量。發現土壤pH在淺表層（1.0-3.5毫米）即趨于穩定，并接近中性。施肥提高了斑塊區的pH。這些精細數據有助于理解化學環境對硝化微生物的微域影響。

 

4.  水體和水土界面以下的土壤氧氣濃度：數據來自圖5。研究意義在于精確刻畫了淹水土壤中氧氣的垂直分布，發現氧氣濃度在土壤表面以下幾毫米內迅速下降至無法檢測。施肥降低了斑塊區的氧氣濃度。這直接證實了硝化作用等好氧過程被限制在極薄的表層土壤中。

 

5.  土壤基本性質與通徑分析結果：數據來自表1、表2和圖6。研究意義在于運用通徑分析揭示了各因素對硝化作用的直接和間接效應。發現水體pH對硝化活性有最顯著的正向直接效應，而土壤pH有顯著的負向直接效應。雖然溶氧量與硝化作用簡單相關顯著，但其影響主要通過其與pH的強關聯間接產生。這突破了簡單相關分析的局限，明確了因果關系。

 

 

 

 

結論

1.  集中施肥在稻田土壤中形成了具有顯著時空異質性的氮素斑塊。銨態氮表現出強烈的濃度梯度和斑塊現象，而硝態氮的斑塊現象不明顯。

2.  土壤母質和固有性質（尤其是pH）對硝化活性的影響巨大，不同土壤對施肥的響應模式不同。堿性土壤（QJ）的硝化活性遠高于酸性土壤（YT）。

3.  淹水條件下，好氧環境僅限于土壤表層幾毫米。施肥引起的微生物活動加劇會消耗斑塊區的氧氣。

4.  通徑分析表明，水體pH是影響硝化作用的最關鍵因素，其重要性超過了底物（銨態氮）濃度和氧氣濃度等傳統認為的關鍵因子。

5.  本研究強調了對土壤微環境進行高分辨率測量的重要性，為了解和控制稻田土壤氮素轉化、提高氮肥利用率提供了新的視角和理論基礎。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司生產的尖端直徑僅為25微米的pH和氧氣微電極，對稻田土壤氮斑塊內的化學微環境進行了原位、高分辨率的測量。這一技術手段帶來了重要的研究意義：首先，它實現了對傳統方法難以企及的微米尺度空間分辨率的測量，能夠精確捕捉土壤-水界面附近以及氮斑塊內部pH和氧氣濃度的細微梯度變化。例如，研究發現土壤pH在深度1.0-3.5毫米處趨于穩定，而氧氣在1.7-4.0毫米深度以下已無法檢測，這些精確數據直觀地揭示了硝化作用等好氧過程被嚴格限制在極薄的表層土壤中。其次，微電極的原位測量避免了對土壤結構的破壞和化學環境的擾動，所獲數據更真實地反映了田間實際情況。通過比較施肥區與對照區，以及不同距離處的剖面，研究清晰地展示了施肥如何改變微域環境（如提高pH、降低溶氧）。這些高精度數據為后續的通徑分析提供了可靠的基礎，使得能夠準確量化各環境因子對硝化作用的直接和間接影響，從而得出水體pH是首要影響因子這一關鍵結論。總之，Unisense微電極技術的應用，使研究從傳統的“整體土壤”分析推進到了“微環境”解析的層面，極大地增強了對稻田土壤氮素轉化微觀過程的理解，對指導精準農業施肥實踐具有重要價值。