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：微尺度時空養分異質性分析

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

《科學報告》，第6卷，2016年，文章編號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系統，氮素可用性是限制水稻生產的關鍵因素。論文使用微電極技術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。結果發現氮素斑塊中這些參數存在顯著的時空異質性，例如pH在1.0-3.5毫米深度穩定，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為水層pH > 土壤pH > 銨濃度 > 水層氧 > 硝酸鹽濃度 > 土壤氧。研究強調了微尺度養分異質性對田間養分利用效率評估的重要性。

 

研究目的：

本研究旨在調查水稻田中氮肥施用后氮素斑塊的微尺度異質性，包括氮分布和轉化過程的時空變化。具體目的是通過微尺度分析，理解銨和硝酸鹽的斑塊現象、硝化作用、氧和pH的動態，并評估這些因素如何影響氮循環和作物養分利用。

 

研究思路：

研究采用實驗方法，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剖面，包括水平距離和垂直深度。思路包括時空采樣（1至70天后），測量銨、硝酸鹽濃度、硝化活性、pH和氧濃度，并進行路徑分析以確定關鍵影響因素。實驗在控制條件下進行，避免水稻種植以簡化系統。

 

測量的數據及研究意義：

1 銨濃度數據：來自圖1。數據顯示銨濃度在施肥點最高，隨距離增加而降低，YT土壤中濃度高于QJ土壤，斑塊范圍隨時間擴大，70天后消失。研究意義是直接證明氮素斑塊的存在和動態，顯示銨的擴散和轉化過程，有助于理解氮素在土壤中的遷移和植物可利用性。

 

2 硝酸鹽濃度數據：來自圖2。硝酸鹽濃度沒有顯著斑塊現象，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 硝化活性數據：來自圖3。YT土壤中硝化活性在斑塊內較高，隨距離降低，而QJ土壤中活性高且均勻；活性在YT土壤中隨時間增加后穩定，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性，關聯到土壤類型和環境因素，如pH和氧可用性，影響氮損失和作物吸收。

 

4 pH剖面數據：來自圖4。水層pH隨距離施肥點增加而降低，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節土壤酸堿度，影響微生物活性和氮轉化，為優化施肥策略提供依據。

 

5 氧濃度剖面數據：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。研究意義是證實淹水土壤的缺氧環境，突出氧對硝化作用的關鍵限制，并顯示施肥加劇缺氧，影響氮循環。

 

6 路徑分析數據：來自表1。路徑分析顯示水層pH對硝化作用的直接效應最強（P=1.234），其次為土壤pH（P=-0.154），其他因素間接作用顯著。研究意義是通過統計模型量化各因素影響，強調pH和氧的主導作用，為理解氮轉化機制提供因果見解。

 

結論：

本研究得出結論，水稻田中氮素斑塊存在顯著的微尺度時空異質性，銨濃度在施肥點附近最高，形成明顯斑塊，而硝酸鹽分布均勻。硝化作用受pH和氧濃度調控，水層pH是最關鍵因素。施肥通過改變pH和氧環境影響氮轉化，可能導致氮損失或效率降低。這些發現強調微尺度分析對優化氮肥管理、提高水稻田養分利用效率的重要性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（如pH微電極和氧微電極）測量數據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，而不破壞樣品。這些電極揭示了傳統方法無法檢測的梯度，例如氧濃度在土壤表層毫米級內的急劇下降和pH的垂直變化，直接證明了淹水土壤的缺氧特性和化學異質性。通過提供連續剖面數據，Unisense電極幫助量化了氮素斑塊的邊界和動態，驗證了硝化作用受微環境因素控制。這種技術增強了我們對土壤氮循環機制的理解，為精準農業和環境管理提供了工具，例如通過優化施肥減少氮損失。此外，路徑分析依賴這些高精度數據，確認了pH和氧的主導作用，突出了微電極在生態研究中的價值。