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

水稻田中氮素斑塊的微尺度分析：微尺度時(shí)空養(yǎng)分異質(zhì)性分析

來源：Scientific Reports, Volume 6, 2016, Article number 27064

《科學(xué)報(bào)告》，第6卷，2016年，文章編號(hào)27064

 

摘要：

這篇論文的摘要討論了水稻土中氮素斑塊的微尺度分析。研究針對淹水水稻田生態(tài)系統(tǒng)，氮素可用性是限制水稻生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。論文使用微電極技術(shù)分析了兩種中國亞熱帶水稻土（來自鷹潭和潛江）中銨（NH4+）、硝酸鹽（NO3-）、硝化作用、氧（O2）和pH的微尺度剖面。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮素斑塊中這些參數(shù)存在顯著的時(shí)空異質(zhì)性，例如pH在1.0-3.5毫米深度穩(wěn)定，氧在1.7-4.0毫米深度不可檢測。施肥增加了pH、降低了氧濃度，路徑分析顯示影響硝化作用的因素順序?yàn)樗畬觩H > 土壤pH > 銨濃度 > 水層氧 > 硝酸鹽濃度 > 土壤氧。研究強(qiáng)調(diào)了微尺度養(yǎng)分異質(zhì)性對田間養(yǎng)分利用效率評估的重要性。

 

研究目的：

本研究旨在調(diào)查水稻田中氮肥施用后氮素斑塊的微尺度異質(zhì)性，包括氮分布和轉(zhuǎn)化過程的時(shí)空變化。具體目的是通過微尺度分析，理解銨和硝酸鹽的斑塊現(xiàn)象、硝化作用、氧和pH的動(dòng)態(tài)，并評估這些因素如何影響氮循環(huán)和作物養(yǎng)分利用。

 

研究思路：

研究采用實(shí)驗(yàn)方法，選擇兩種代表性水稻土（鷹潭YT和潛江QJ），通過集中施用尿素模擬氮素斑塊。使用微電極（如pH和氧微電極）在微尺度上測量參數(shù)剖面，包括水平距離和垂直深度。思路包括時(shí)空采樣（1至70天后），測量銨、硝酸鹽濃度、硝化活性、pH和氧濃度，并進(jìn)行路徑分析以確定關(guān)鍵影響因素。實(shí)驗(yàn)在控制條件下進(jìn)行，避免水稻種植以簡化系統(tǒng)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1 銨濃度數(shù)據(jù)：來自圖1。數(shù)據(jù)顯示銨濃度在施肥點(diǎn)最高，隨距離增加而降低，YT土壤中濃度高于QJ土壤，斑塊范圍隨時(shí)間擴(kuò)大，70天后消失。研究意義是直接證明氮素斑塊的存在和動(dòng)態(tài)，顯示銨的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化過程，有助于理解氮素在土壤中的遷移和植物可利用性。

 

2 硝酸鹽濃度數(shù)據(jù)：來自圖2。硝酸鹽濃度沒有顯著斑塊現(xiàn)象，分布較均勻，YT土壤中濃度較低，QJ土壤中較高。研究意義是表明硝酸鹽在淹水土壤中易于擴(kuò)散，不易形成斑塊，突出了銨作為主要氮源的重要性，并反映硝化-反硝化過程的平衡。

 

3 硝化活性數(shù)據(jù)：來自圖3。YT土壤中硝化活性在斑塊內(nèi)較高，隨距離降低，而QJ土壤中活性高且均勻；活性在YT土壤中隨時(shí)間增加后穩(wěn)定，QJ土壤中始終較高。研究意義是揭示硝化作用的微尺度異質(zhì)性，關(guān)聯(lián)到土壤類型和環(huán)境因素，如pH和氧可用性，影響氮損失和作物吸收。

 

4 pH剖面數(shù)據(jù)：來自圖4。水層pH隨距離施肥點(diǎn)增加而降低，YT土壤pH較低（約5.5），QJ較高（約8.3）；土壤中pH在1.0-3.5毫米深度趨近中性。研究意義是表明施肥調(diào)節(jié)土壤酸堿度，影響微生物活性和氮轉(zhuǎn)化，為優(yōu)化施肥策略提供依據(jù)。

 

5 氧濃度剖面數(shù)據(jù)：來自圖5。水層氧濃度恒定（YT約220 μmol/L，QJ約244 μmol/L），土壤中氧濃度隨深度快速下降，在1.7-4.0毫米深度不可檢測；施肥降低氧濃度。研究意義是證實(shí)淹水土壤的缺氧環(huán)境，突出氧對硝化作用的關(guān)鍵限制，并顯示施肥加劇缺氧，影響氮循環(huán)。

 

6 路徑分析數(shù)據(jù)：來自表1。路徑分析顯示水層pH對硝化作用的直接效應(yīng)最強(qiáng)（P=1.234），其次為土壤pH（P=-0.154），其他因素間接作用顯著。研究意義是通過統(tǒng)計(jì)模型量化各因素影響，強(qiáng)調(diào)pH和氧的主導(dǎo)作用，為理解氮轉(zhuǎn)化機(jī)制提供因果見解。

 

結(jié)論：

本研究得出結(jié)論，水稻田中氮素斑塊存在顯著的微尺度時(shí)空異質(zhì)性，銨濃度在施肥點(diǎn)附近最高，形成明顯斑塊，而硝酸鹽分布均勻。硝化作用受pH和氧濃度調(diào)控，水層pH是最關(guān)鍵因素。施肥通過改變pH和氧環(huán)境影響氮轉(zhuǎn)化，可能導(dǎo)致氮損失或效率降低。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)微尺度分析對優(yōu)化氮肥管理、提高水稻田養(yǎng)分利用效率的重要性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（如pH微電極和氧微電極）測量數(shù)據(jù)的研究意義在于其高空間分辨率（尖端直徑25μm）和精度，允許在微尺度上原位測量土壤參數(shù)，而不破壞樣品。這些電極揭示了傳統(tǒng)方法無法檢測的梯度，例如氧濃度在土壤表層毫米級內(nèi)的急劇下降和pH的垂直變化，直接證明了淹水土壤的缺氧特性和化學(xué)異質(zhì)性。通過提供連續(xù)剖面數(shù)據(jù)，Unisense電極幫助量化了氮素斑塊的邊界和動(dòng)態(tài)，驗(yàn)證了硝化作用受微環(huán)境因素控制。這種技術(shù)增強(qiáng)了我們對土壤氮循環(huán)機(jī)制的理解，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和環(huán)境管理提供了工具，例如通過優(yōu)化施肥減少氮損失。此外，路徑分析依賴這些高精度數(shù)據(jù)，確認(rèn)了pH和氧的主導(dǎo)作用，突出了微電極在生態(tài)研究中的價(jià)值。