促进南方红壤丘陵区农业可持续发展的复合农业生态系统研究

探明了多年蔬菜连作对土壤氮素转化功能的影响及其微生物作用机制，并提出相应调控措施，为蔬菜土氮素的调控提供强有力理论依据和技术支持

我国的蔬菜种植面积达 3 亿亩，约占世界蔬菜种植面积的 35%，在农业生产中占重要地位。然而，蔬菜生产中普遍存在不合理施肥的现象，单位面积肥料施用量一般是其他主要农作物的数倍。大量化肥施用导致氮素在蔬菜和土壤中的残留量高，一方面造成了蔬菜硝酸盐含量超标和蔬菜品质下降，另一方面也造成了温室气体（N₂O）排放和 NO₃⁻淋失等环境污染问题。由于蔬菜土壤种植强度高、化肥投入量大以及氮肥利用效率低，那么在这种长期种植蔬菜的土壤中，氮肥的转化过程和功能是否与大田作物土壤不同？土壤微生物在这些过程中扮演了什么角色？它们的作用机制又是什么？类似问题还不清楚。针对这些问题，通过系统采集河流冲积物发育的种植年限不同的蔬菜土壤样品，利用分子生物学技术分析了土壤硝化功能微生物种群多样性、群落组成的变化与硝化作用的偶联关系。结果发现，长期蔬菜连作显著使得土壤中硝化细菌（AOB）优势种群富集，土壤硝化能力增强。土壤 pH 值以及 Olsen-P 含量的变化是影响 AOB 群落结构的主要土壤因素。土壤中氨氧化古细菌（AOA）丰度明显高于 AOB，平均为 AOB 丰度的 6 倍，但土壤硝化势（PNF）与土壤中 AOB 丰度成显著的正相关，而与 AOA 没有显著的相关性。

针对长期不合理高化肥投入量导致城郊区菜地土壤环境恶化的现状，为探讨氮肥减施对城郊区菜地土壤氮磷累积及蔬菜产量品质的影响，我们应用田间小区试验，研究了长沙市郊 2 种不同菜地土壤中不同减氮处理：①氮肥减施 20%（80% N）；②施缓释尿素并减氮 20%（80% N(CRU)）；③氮肥减施 20% 并添加脲酶抑制剂/硝化抑制剂（80% N+QD）；④氮肥减施 20% 并添加土壤调理剂（80% N+SC）的环境和农学效应。结果表明：与常规施肥处理相比，采用缓释尿素减施 20% 化学氮肥（80% N+QD）有效降低了菜地土壤 Olsen-P 和 NO₃⁻-N的含量，减少了其面源污染风险，但该法处理后的蔬菜可食部分容易累积硝酸盐，也增加了食用风险。通过添加脲酶抑制剂/硝化抑制剂减施 20% 化学氮肥（80% N+QD），生育中期土壤 NH₄⁺-N 含量和蔬菜鲜样产量分别增加了 69.2% 和 262.0%，对土壤 Olsen-P、NO₃⁻- N以及可食部分硝酸盐含量影响不显著；减施 20% 化学氮肥配以添加土壤调理剂（80% N+SC）在 2 种种植年限的菜地中效果欠稳定。兼顾经济、食用风险、生态环境等效益，建议在高肥力菜地土壤中，氮肥减量与脲酶抑制剂、硝化抑制剂配合施用。

为进一步探明硝化抑制剂对氮素转化过程及功能微生物的影响，我们选取长沙黄兴镇蔬菜基地 2 种蔬菜土，设置室内土壤培养试验，设置单施尿素（CK）和尿素与硝化抑制剂双氰胺配合施用（DCD）2 个处理，通过系统监测培养过程中土壤中 NH₄⁺-N、NO₃⁻- N含量变化以及土壤中氮素转化功能微生物的响应发现，在培养过程中 DCD 处理使 2 个供试土壤的 NH₄⁺浓度稳定在较高水平，而 NO₃⁻浓度则明显低于对照。施用 DCD 导致土壤中硝化基因 amoA 丰度显著减少，而对 16S rRNA 和反硝化基因 nirK 丰度没有产生明显影响。因此，DCD 在菜地土壤中主要通过抑制氨氧化细菌的繁衍来抑制硝化作用。

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