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(yǎng)分時空異質(zhì)性研究

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

《科學(xué)報告》，第6卷，文章編號27064，2016年

 

摘要

這篇論文指出，熱帶地區(qū)的淹水稻田生態(tài)系統(tǒng)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(chǎn)的最主要營養(yǎng)因素。然而，關(guān)于稻田土壤對氮肥施用的動態(tài)響應(yīng)，特別是在氮素分布和轉(zhuǎn)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(qū)（江西鷹潭和湖北潛江）的稻田土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)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(jié)果表明，在微尺度上，氮斑塊內(nèi)的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮表現(xiàn)出劇烈的時空分布特征。研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH在土壤表面以下1.0-3.5毫米深度趨于穩(wěn)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(nèi)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(tài)氮 > 水體溶氧量 > 硝態(tài)氮 > 土壤溶氧量。論文討論了決定氮斑塊內(nèi)養(yǎng)分異質(zhì)性程度的土壤性質(zhì)，并認為這些知識對于科學(xué)評估田間養(yǎng)分利用效率至關(guān)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(nèi)，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、硝化活性、pH和氧氣的時空變化特征及其相互關(guān)系。目標是深入了解對水稻氮營養(yǎng)至關(guān)重要的微生物硝化過程，以及控制該過程的關(guān)鍵因素，從而揭示稻田土壤中氮素轉(zhuǎn)化的微觀機制。

 

研究思路

研究選取了兩種具有不同母質(zhì)（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(yǎng)箱進行室內(nèi)模擬培養(yǎng)，在中間隔室集中施用尿素形成氮斑塊，兩側(cè)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(chǎn)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(tǒng)計方法，量化各土壤性質(zhì)對硝化活性的直接和間接影響。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度：數(shù)據(jù)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(nèi)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的劇烈時空變化格局。銨態(tài)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(tài)氮在土壤中主要通過擴散遷移。硝態(tài)氮則未表現(xiàn)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(guān)。這些數(shù)據(jù)揭示了兩種氮素在淹水環(huán)境下的不同行為。

 

 

2.  短期硝化活性：數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)YT土壤中硝化活性在氮斑塊內(nèi)較高且隨距離增加而降低，而QJ土壤中無明顯斑塊現(xiàn)象。這表明土壤本身的性質(zhì)（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(shù)據(jù)來自圖4。研究意義在于通過微電極實現(xiàn)了毫米級精度的pH剖面測量。發(fā)現(xiàn)土壤pH在淺表層（1.0-3.5毫米）即趨于穩(wěn)定，并接近中性。施肥提高了斑塊區(qū)的pH。這些精細數(shù)據(jù)有助于理解化學(xué)環(huán)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(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)氧氣濃度在土壤表面以下幾毫米內(nèi)迅速下降至無法檢測。施肥降低了斑塊區(qū)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(zhì)與通徑分析結(jié)果：數(shù)據(jù)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(yīng)。發(fā)現(xiàn)水體pH對硝化活性有最顯著的正向直接效應(yīng)，而土壤pH有顯著的負向直接效應(yīng)。雖然溶氧量與硝化作用簡單相關(guān)顯著，但其影響主要通過其與pH的強關(guān)聯(lián)間接產(chǎn)生。這突破了簡單相關(guān)分析的局限，明確了因果關(guān)系。

 

 

 

 

結(jié)論

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

2.  土壤母質(zhì)和固有性質(zhì)（尤其是pH）對硝化活性的影響巨大，不同土壤對施肥的響應(yīng)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(huán)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(qū)的氧氣。

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

5.  本研究強調(diào)了對土壤微環(huán)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(zhuǎn)化、提高氮肥利用率提供了新的視角和理論基礎(chǔ)。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)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(nèi)的化學(xué)微環(huán)境進行了原位、高分辨率的測量。這一技術(shù)手段帶來了重要的研究意義：首先，它實現(xiàn)了對傳統(tǒng)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(nèi)部pH和氧氣濃度的細微梯度變化。例如，研究發(fā)現(xiàn)土壤pH在深度1.0-3.5毫米處趨于穩(wěn)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)的破壞和化學(xué)環(huán)境的擾動，所獲數(shù)據(jù)更真實地反映了田間實際情況。通過比較施肥區(qū)與對照區(qū)，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(huán)境（如提高pH、降低溶氧）。這些高精度數(shù)據(jù)為后續(xù)的通徑分析提供了可靠的基礎(chǔ)，使得能夠準確量化各環(huán)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(guān)鍵結(jié)論?？傊琔nisense微電極技術(shù)的應(yīng)用，使研究從傳統(tǒng)的“整體土壤”分析推進到了“微環(huán)境”解析的層面，極大地增強了對稻田土壤氮素轉(zhuǎn)化微觀過程的理解，對指導(dǎo)精準農(nóng)業(yè)施肥實踐具有重要價值。