1、本文在綜述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)大型原狀土柱模擬試驗(yàn)和田間小區(qū)試驗(yàn)，以武漢城郊典型菜地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，定量研究了施用氮肥對(duì)菜地土壤氮素?fù)p失的影響，深入探索了氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程和淋失機(jī)制，揭示了大量施用氮肥對(duì)蔬菜、土壤、地下水及大氣等造成的影響，提出了有效降低城郊菜地生態(tài)系統(tǒng)硝態(tài)氮污染的技術(shù)和途徑，為維持城郊菜地土壤的可持續(xù)生產(chǎn)能力、提高經(jīng)濟(jì)效益、確保食品和環(huán)境安全等提供了科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。主要研究結(jié)果如下：
　　

2、 1.利用大型原狀土柱模擬系統(tǒng)研究了菜地生態(tài)系統(tǒng)中氮肥用量對(duì)蔬菜、土壤和地下水硝酸鹽污染的影響。結(jié)果表明，氮素的淋失損失量和地下水中NO3--N的濃度與氮肥用量呈顯著正相關(guān)，過(guò)量施用氮肥導(dǎo)致地下水中NO3--N含量超過(guò)安全飲用標(biāo)準(zhǔn)。施用氮肥顯著增加了土壤淋失液中NO3-離子及土壤全氮、堿解氮和硝態(tài)氮的含量。隨氮肥用量的增加土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，土壤的pH值則呈顯著降低趨勢(shì)，說(shuō)明過(guò)量施用氮肥顯著地影響了土壤質(zhì)量和氮的淋失

3、量。
　　 2.對(duì)武漢城郊菜地的定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明，土壤剖面及土壤溶液NO3--N積累量的高低與氮肥用量、作物生長(zhǎng)情況以及水分輸入量有直接關(guān)系，NO3--N在土壤剖面的遷移量和遷移速度取決于土壤的物理性質(zhì)和水分輸入量。菜地生態(tài)系統(tǒng)中，地下水中的NO3--N含量變化與本區(qū)域的作物種植習(xí)慣和土壤質(zhì)地相關(guān)。因土壤質(zhì)地不同，土壤NO3--N在正常范圍內(nèi)且能夠滿(mǎn)足蔬菜安全生產(chǎn)時(shí)，地下水可能已受到嚴(yán)重的NO3--N污染。因此，必須嚴(yán)格控制氮肥

4、的施用量來(lái)保護(hù)土壤和地下水體免受農(nóng)業(yè)活動(dòng)造成的氮素污染。
　　 3.原狀土柱模擬系統(tǒng)和15N同位素示蹤的研究表明，隨著氮肥用量的增加，蔬菜體內(nèi)的NO3-含量逐漸增加，土壤淋失液中NO3--N的淋失損失量和平均濃度顯著地增加。土壤淋失液NO3--N的淋失損失量(Y1)和平均濃度(Y2)與N肥施用量(X)的相關(guān)關(guān)系分別為：Y1=0.2882X+33.66(R2=0.9940)和Y2=0.0114X+1.24(R2=0.9928)。說(shuō)

5、明氮肥的大量施用造成了肥料資源過(guò)度浪費(fèi)，顯著降低了蔬菜品質(zhì)和導(dǎo)致土壤及地下水受到NO3--N污染。
　　 在城郊菜地生態(tài)系統(tǒng)中，蔬菜種類(lèi)不同，其根系長(zhǎng)度和生長(zhǎng)周期長(zhǎng)短的不同，導(dǎo)致氮素在土壤中的淋失速率和淋失量產(chǎn)生顯著的差異。葉菜類(lèi)蔬菜能夠提高氮肥利用效率，但是葉菜類(lèi)蔬菜不能利用較深土層氮素，容易造成下層土壤及地下水受到NO3--N污染。茄果類(lèi)蔬菜和根莖類(lèi)蔬菜能夠利用較深土層氮素，但其生長(zhǎng)前期需肥量較少，容易導(dǎo)致NO3--N大量淋

6、失。在菜地生態(tài)系統(tǒng)中，不同蔬菜輪作種植模式間氮素?fù)p失量和氮素利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明蔬菜種類(lèi)和種植模式能夠影響?zhàn)B分的吸收和利用，進(jìn)而影響其氮肥的利用效率。
　　 4.隨著氮肥施用水平的增加，土壤中脲酶活性逐漸增加，蛋白酶和硝酸還原酶的活性則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。說(shuō)明適宜的氮肥施用量有利于改善與氮轉(zhuǎn)化過(guò)程相關(guān)的土壤酶的活性，有利于蔬菜作物對(duì)氮素的吸收利用，同時(shí)降低氮素的損失量。土壤中各種菌的數(shù)量規(guī)律是：細(xì)菌>放線(xiàn)菌>真菌，隨著

7、氮肥用量的增加，細(xì)菌數(shù)量和放線(xiàn)菌數(shù)量有先增大又急劇降低的趨勢(shì)，真菌的數(shù)量則逐漸降低。從細(xì)菌數(shù)量與真菌數(shù)量比值可以看出，適宜的氮肥施用有利于提高土壤的質(zhì)量，過(guò)量施肥則會(huì)造成土壤質(zhì)量下降。通過(guò)BIOLOG碳素利用法對(duì)土壤微生物的研究表明，在氮肥用量不同時(shí)，土壤微生物的代謝活性整體上基本相似，微生物多樣性指數(shù)變化不大。但是，從對(duì)土壤樣品測(cè)定結(jié)果的主成分分析表明，土壤微生物在氮肥用量不同時(shí)利用碳源的方式和種類(lèi)存在差異，其中低氮水平和高氮水平各分

8、為一類(lèi)，氮肥用量適中的土壤分為一類(lèi)，說(shuō)明施用氮肥顯著地影響了土壤微生物的多樣性。
　　 5.在長(zhǎng)期不同氮肥施用水平條件下，土壤的narG、nirK、nirS、nosZ等反硝化功能基因群落被分成3-4個(gè)有差異的部分，說(shuō)明氮肥的施用改變了土壤微生物的群落組成。指數(shù)分析結(jié)果表明，適量施用氮肥有利于增加narG、nirS和nosZ型的多樣性，但過(guò)量施用氮肥則會(huì)降低narG、nirK、nirS和nosZ型反硝化細(xì)菌的多樣性。施用氮肥使反硝

9、化基因narG，nirK，nirS，qnor和nosZ的拷貝數(shù)逐漸增加，顯著地改變了土壤反硝化作用功能基因的數(shù)量。施用氮肥使菜地土壤中的16S rDNA的數(shù)量也呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是不同氮素水平處理之間的差異沒(méi)有反硝化功能基因的基因拷貝數(shù)間的差異顯著。同時(shí)，菜地土壤中的不同反硝化基因拷貝數(shù)差異顯著，其數(shù)量順序(narG>(nirK+nir S》qnor>nosZ)與反硝化過(guò)程一致。氮肥既能影響反硝化功能基因種群，也能影響整個(gè)微生物群體的

10、變化，但是與整個(gè)微生物群體相比，反硝化功能基因種群對(duì)氮肥施用水平的不同響應(yīng)更敏感。
　　 6.原狀土柱模擬試驗(yàn)和田間小區(qū)試驗(yàn)的研究表明，在菜地生態(tài)系統(tǒng)中施用硝化抑制劑雙氰胺(DCD)對(duì)蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)、土壤及地下水硝酸鹽污染均有顯著的影響。DCD能顯著地增加蔬菜的產(chǎn)量(6.2%-43.96%)，其增產(chǎn)效應(yīng)與蔬菜的生長(zhǎng)期長(zhǎng)短成正比，與溫度的高低呈反比。同時(shí)，DCD可以顯著降低蔬菜體內(nèi)的硝酸鹽含量(5.3%-39.7%)，降低程度則

11、因蔬菜種類(lèi)和生長(zhǎng)季節(jié)及環(huán)境條件不同而異。施用DCD后，蔬菜干物質(zhì)的氮素含量顯著地提高，蔬菜從土壤中攜出的氮量顯著地增加(12.9%-61.23%)，從而有效地提高了蔬菜的氮肥利用效率。
　　 施用DCD后，土壤剖面中的NH4+-N含量顯著地提高，NO3--N含量顯著地降低，氮素淋失量、淋失液中NO3--N的濃度以及N2O的排放量顯著地降低。硝化抑制劑DCD既可以提高肥料的利用效率，又能降低由氮素過(guò)量施用引起的土壤質(zhì)量下降以及地下

12、水體和大氣污染，不但具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義，還具有一定的環(huán)境效益。
　　 7.通過(guò)原狀土柱模擬試驗(yàn)和田間小區(qū)試驗(yàn)，研究了城郊菜地生態(tài)系統(tǒng)中不同蔬菜輪作種植模式中蔬菜生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益以及氮素的利用和損失情況。結(jié)果表明，在不同蔬菜輪作種植模式之間，蔬菜的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益、土壤剖面中的NO3-含量、土壤溶液中的NO3--N素含量以及氮素淋失量之間差異顯著。蔬菜種類(lèi)的不同，導(dǎo)致其對(duì)氮素的吸收和利用有一定的差異，葉菜類(lèi)蔬菜能夠大量地吸收利

13、用表層土壤中氮素，肥料利用效率較高；茄果類(lèi)等根系較長(zhǎng)的蔬菜則能利用更深層土壤剖面中的氮素。根據(jù)生態(tài)位理論，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)作物根系長(zhǎng)短和種類(lèi)的不同，通過(guò)合理搭配蔬菜的種植來(lái)增加作物的生物量和菜農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益，降低土壤硝酸鹽的淋失量，提高氮肥利用率，減少或避免施用氮肥引起土壤和地下水環(huán)境受到的NO3--N污染。
　　 8.基施和噴施微量元素硼鋅鉬肥對(duì)提高城郊菜地生態(tài)系統(tǒng)中的蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)、氮素含量和氮肥利用率，降低土壤溶液和土壤

14、剖面中的NO3--N含量具有顯著的影響。結(jié)果表明，基施和噴施微量元素硼鋅鉬肥，分別使蔬菜的產(chǎn)量提高了15.9%-42.4%和4.4%-16.5%，使蔬菜體內(nèi)的NO3-含量降低了21.6%-31.2%和10.7%-44.3%，使蔬菜干物質(zhì)的氮素含量提高了9.6%-19.3%和0.4%-25.9%，蔬菜攜出的氮素量提高了27.1%-83.7%和4.6%-9.6%，顯著提高了蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)及氮肥利用率。而且，基施和噴施微量元素硼鋅鉬肥后土壤