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南京土壤所在酸性土壤上玉米铵硝偏好方面取得進展

2021-07-27 分享到:

氮肥爲世界糧食增産做出了巨大貢獻,未來很長一段時間內作物高産仍離不開氮肥。然而,過量施用氮肥會引起多個負面的生態環境效應,土壤酸化是其中之一。我國南方紅壤本身呈酸性,氮肥施用加劇了紅壤酸化,這提高了土壤毒性鋁和重金屬活性,制約了作物生産力發揮,降低了植物和微生物多樣性,對國家糧食安全、農産品品質和生態環境構成了嚴重威脅。合理利用氮素對于減緩紅壤酸化和實現酸性土壤可持續利用具有重要意義。玉米適合在南方紅壤地區高溫多雨的氣候條件下生長,但是紅壤的酸性極大限制了玉米生産潛力的發揮。玉米氮肥用量大,氮肥利用率低,氮肥加重的紅壤酸化進一步限制了玉米生産力,在一些極端酸性紅壤上,玉米顆粒無收。提高酸性紅壤上玉米氮肥利用率,減少氮肥用量,對于提升紅壤上玉米生産力、減緩紅壤酸化、降低氮的負面生態環境效應等多個方面具有重要意義。

南京土壤所沈仁芳研究員課題組長期從事酸性土壤可持續利用研究。鋁毒是酸性土壤上植物生長的主要限制因子。铵態氮和硝態氮是對植物有效的兩種主要無機氮源。土壤中铵態氮通過硝化作用轉化爲硝態氮以及植物吸收铵態氮降低土壤pH,相反,植物吸收硝態氮升高土壤pH。該課題組在土壤-植物系統種氮鋁相互作用方面開展了系統深入研究,提出了“協同提升酸性土壤作物耐鋁能力和氮肥利用率”的策略。前期在pH6.5的紅壤上,采用15N标记和土壤灭菌的方法对玉米的研究结果表明,相对于硝态氮,玉米生长偏好铵态氮,而且这种偏好性显著提高了氮肥利用率(Zhang et al., 2019, Plant and Soil),但是在强酸性(pH<5.0)红壤上玉米的铵硝偏好性和氮肥利用率及其机制还不清楚。

此次在pH4.5的紅壤上的研究結果表明,在不添加石灰時玉米偏好硝態氮且氮肥利用率高,但是在添加石灰提高土壤pH時,玉米生長和氮肥利用率在铵態氮與硝態氮之間沒有差異;石灰在供應铵態氮時提高玉米生物量和氮肥利用率,而在供應硝態氮時效果較小。這表明玉米铵硝偏好特性和石灰效果依賴于土壤pH,酸性土壤上玉米偏好硝態氮,而在pH較高的土壤上玉米偏好铵態氮。對玉米根系不同距離的土壤理化性質和微生物群落結構研究表明:硝態氮導致玉米根際pH升高,對非根際pH影響較小,而铵態氮導致整個土體pH降低;硝態氮在玉米根際富集,铵態氮在玉米根際虧缺;玉米根區土壤細菌群落結構在兩種氮源之間差異顯著,而距根系較遠區域差異不明顯;玉米根系在铵態氮下招募耐酸耐鋁菌群,而在硝態氮下招募根際促生菌。依據上述研究結果,解析了不同pH土壤中玉米铵硝偏好的機制(見圖),這爲提高酸性紅壤上玉米生産力和氮肥利用率、減輕紅壤酸化提供了思路。

上述研究工作近期分別發表在Journal of Soils and Sediments和Geoderma上,博士生王嘉林和张昊青分别为論文第一作者,赵学强研究员为通讯作者,梁玉婷研究员和时玉教授参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金和中科院战略性先导科技专项资助。

論文链接:1,2,3

不同pH土壤上玉米铵硝偏好的機制