蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 1 第一章 緒論 言 全球環(huán)境變化是目前人類面臨的重大和亟待解決的環(huán)境問題之一。這個問題很大程度上與人類活動有關(guān)，并且與全球碳、氮、磷、硫等元素的循環(huán)密切相關(guān)。氮是最重要的溫室氣體組分之一（ 001），因此氮循環(huán)成為全球變化研究中的熱點問題 之一 。隨著人類農(nóng)業(yè)活動的增加，如化肥和農(nóng)藥的大量使用，氮化合物越來越多地被釋放到陸地環(huán)境中。陸地表面生物氮的增加對水質(zhì)、生物多樣性 、生態(tài)系統(tǒng)的功能都具有很大的負面效應(yīng)（ 997； 003； 陳建耀 ，等， 2006） 。大量 的 調(diào)查 資料顯示，從工業(yè)革命以來，由于人類的生產(chǎn)和社會活動使大氣中的溫室氣體的含量持續(xù)增加。 為 重要的溫室氣體 之一 ，增溫作用大，并且在大氣中的滯留時間長（平均壽命為 150 年），可以破壞臭氧層，威脅人類健康。人類活動排放的 占 放 總量的 44%，而農(nóng)牧業(yè)活動排放的 占人為源 總排放量 的 75%，其中農(nóng)業(yè)土壤排放的 占人為源 總排放量 的 46%（ et 1998），其釋放通量主要受土壤性狀、農(nóng)業(yè)活動、氣候和周圍環(huán)境條件的影響。 同時氮肥的大量施用和硝化作用產(chǎn)生的 地下水系統(tǒng) 就很有可能造成水污染，進而威脅飲水安全 。 該研究區(qū)域 位于干旱荒漠地區(qū)，常年干旱少雨，蒸發(fā)量比較大，多年平均降水量大約為 158被覆蓋率低，土壤表層有機質(zhì)含量較低，土壤 8以下。 在這樣的生物氣候條件下， 農(nóng)作物 的氮 主要 來自土壤，每年進入土壤的來自生物固定的氮和降水氮很少 (梁東麗等 ,2002)，所以只能通過大量施用化肥來保障糧食生產(chǎn) 。 但是化肥的過量施用又進一步改變著土壤的性質(zhì)， 從而 又反過來 影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也對研究區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。因此 荒漠地區(qū) 人類活動對農(nóng)業(yè) 土壤 中氮 的 影響 研究， 不 僅有利于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，而且對有效地減少土壤貧瘠化、地下水污染及遏制干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的惡化提供可靠依據(jù)。 循環(huán) 氮 以無機態(tài)氮（硝 態(tài)氮、銨態(tài)氮 等）、 有 機態(tài)氮 (土壤中氮素的 主要存在形式 )、蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 2 分子態(tài)氮（氮氣，在大氣中含量極高，大約占 79%） 三種形態(tài)存在 。無機氮化合物、有機氮化合物、氮氣在自然界中相互轉(zhuǎn)化 構(gòu)成氮循環(huán) 。 氮循環(huán)過程主要 包 括硝化作用、反硝化作用、氨化作用、固氮作用及 同化作用 。 圖 1土壤中氮的轉(zhuǎn)化過程 (et 2003) of in 在地球系統(tǒng) 中 的循環(huán) 過程： 首先是 通過生物 或植物 的 固氮作用 將大氣中的氮氣 轉(zhuǎn)化成有機氮化合物 并 儲存 在 植物或固氮微生物體內(nèi) ，或大氣中的 沉降和濕沉降）進入土壤 。生物固定的氮、作為肥料的動物排泄物 中的 氮、化學(xué)氮肥和植物殘體等，經(jīng)過微生物 的 一系列的 生物化學(xué) 作用 將 有機氮轉(zhuǎn)化成 礦化過程 ， 化 成 及 含氮 氣體的反硝化過程 。 反硝化 作用 形成的這些含氮氣體又回到大氣圈，進入 氮的下一輪循環(huán) （如圖 1。這一 循環(huán) 過程還包括其他 的 物理吸附、解吸和化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。氮循環(huán)過程中氮微生物起了主要作用 。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 3 土壤中的氮素循環(huán)是一個動態(tài)的循環(huán)過程 。一般認為， 其循環(huán) 過程 始于礦化作用 有機氮化物轉(zhuǎn)變?yōu)槟?被 植物吸收利用的 在這個過程中會釋放出 氣體 ）；上一過程產(chǎn)生的 外源輸入的 大氣沉降中的人造肥料中的 ， 一 部分 直接 被植物根系吸收， 其他的則 通過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)?進而再次 被植物吸收 利用。 在硝化作用發(fā)生的同時 ，反硝化作用 使土壤中的 硝酸鹽 還原成氮氣回歸大氣。 這些作用過程中有些會產(chǎn)生動力學(xué)分餾，有些會產(chǎn)生平衡分餾。許多的生物作用一般由多個 步驟完成 ， 每一 步 都有可能產(chǎn)生分餾 。 每一個作用過程產(chǎn)生的分餾效應(yīng) 取決于環(huán)境條件，包括作用過程的中間步驟、相應(yīng) 的反應(yīng)物 存儲量、土壤的 生物種類等條件。其中最為緩慢的步驟對整個作用過程所產(chǎn)生的分餾效應(yīng)起著主要作用。因此，一般選用最為緩慢的步驟所 產(chǎn)生 的分餾效應(yīng)來評估整個過程的分餾效應(yīng)。同時， 餾公式能夠有效地模擬對分餾作用起著控制作用的單步控 制的多步驟過程所產(chǎn)生的分餾凈效應(yīng)。 化 作用 過程 硝化作用 （ 是微生物把銨氧化為亞硝酸和硝酸鹽，或微生物 使氮的氧化態(tài) 增加 的過程 。 能夠 進行硝化作用的微生物有自養(yǎng)型和異養(yǎng)型兩種，其中自養(yǎng)硝化細菌是硝化作用的主要作用者，但異養(yǎng)微生物的作用也不容忽視(986;966)。自養(yǎng)硝化細菌的硝化作用由兩個階段構(gòu)成（圖 1第一階段是由亞硝酸細菌將 化為 這個過程中亞硝酸細菌以 酸或重碳酸為碳源，從 氧化 過程 中獲得能 源。第二階段是由硝酸細菌將 一轉(zhuǎn)化過程是 而氧化成為過程。 胺 )，是 化成 圖 1知， 化成 需要的 2氧化成 化劑是氨單加氧酶，該酶的抑制劑是乙炔、氟甲烷（ 現(xiàn)在已經(jīng)證明，硝化過程中也可以產(chǎn)生 是否是通過 酰）產(chǎn)生還有待研究。下一步反應(yīng)時 化劑是羥胺氧化還原酶，該酶的抑制劑是肼。接著 個氮原子失去 2為電子受體但是并不結(jié)合到產(chǎn)物中去，最終 與 H+結(jié)合生成 一過程中的催化劑是亞硝酸還原酶，該酶的抑制劑是氯酸鹽和高濃度的 整個過程中，一般而言， 化成 以，土壤中的亞硝酸氮的含量很低。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 4 圖 1壤硝化作用示意圖 of in 養(yǎng)微生物進行硝化作用時，不需要從 氧化過程中獲得能量。其反應(yīng)式為（ et 980） ： 雖然異養(yǎng)微生物的硝化能力大大不如自養(yǎng)微生物，但是在土壤中它們的數(shù)量很多，特別是土壤中自養(yǎng)菌、異養(yǎng)菌的連續(xù)硝化作用，更是不容忽視。 在自然條件下，亞硝酸鹽能 被 快速氧化成硝酸鹽，而 銨氧化成亞硝酸 的過程卻是十分緩慢的。因此在整個硝化作用過程中產(chǎn)生分餾效應(yīng)的控制步驟是銨氧化成亞硝酸鹽的過程。在土壤中，硝化作用引起的分餾效應(yīng)系數(shù)一般為 應(yīng)的富集度為 （ 986）。在受 N 限制的土壤中，硝化作用產(chǎn)出的 分餾效應(yīng)一般很小。 但是， 土壤一旦獲得大量的銨（ 施用 銨肥），硝化作用就會 對 N 產(chǎn)生很大的分餾效應(yīng)。 一般認為，在硝化作用過程 中 如果 不 發(fā)生 1818 同位素 分餾和交換作用，硝化作用過程中所結(jié)合的O 原子將 有兩個來源于 一個來源于 水中的 18O 通常為 +4 ，而土壤中的氧氣來自于大氣，其相應(yīng)的 18O 為 +。土壤的原位實驗表明在土壤中硝化作用所形成的 1810 +10 之間。 但是， 蒸發(fā)作用使土壤水中的 18O 更高（ et 1997） ； 降水中 18O 的季節(jié)性變化(995)；或者 更多的 O 原子來自于氧氣（ 1/3） （ et 1993）等原因可能 使 實測的 18 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 5 硝化 作用 過程 反硝化作用（ 指將硝酸鹽還原成氮氣的過程。 土壤中的反硝化作用，包括生物反硝化和化學(xué)反硝化兩種。其中 以生物反硝化為主，這個過程是 主要來源 。 反硝化 作用 可以導(dǎo)致土壤和肥料 的氮素損失以及污染環(huán)境等問題，因此對氮循環(huán)過程中的反硝化作用開展了較為廣泛 研究。生物反硝 化作用是指在厭氧條件下，由兼性好氧的微生物利用同一個呼吸電子傳遞系統(tǒng)，以其逐步還原成 異化過程。 反硝化作用的化學(xué)反應(yīng)式如下： 從上式可知，第一步 中的 中間產(chǎn)物，最終產(chǎn)物是 些氣態(tài)產(chǎn)物均可從土壤中排放到大氣或水體中去。因為還原 以保證 原酶的活性較低，能夠還原 微生物又很少，因此反硝化過程中產(chǎn)生的 對較多。 化學(xué)反硝化是 指土壤中的含氮化合物通過純化學(xué)反應(yīng)而生成 氮氧化物的過程。研究表明（ 997）， 其 主要 的 反應(yīng)途徑有兩種 ： 一種是 行分解，產(chǎn)物為 一種 是當(dāng) 于 ， 成 ， 并 最終 分解成 雖然土壤中存在著多種產(chǎn)生 化學(xué)途徑，但總體來說 要來自于微生物的作用。 反硝化作用能夠產(chǎn)生很強的動力學(xué)分餾效應(yīng)。由于富含 14N 的 以土壤 富集 15且成指數(shù)增長，同時伴隨 壤酸度減 小。 硝酸鹽被最終還原成氮氣的整個反硝化過程所產(chǎn)生的富集度為 。因此， 反硝化作用產(chǎn)生 氮氣的 15 低于土壤中硝酸鹽的15解在土壤水中大量氮氣的 15 我們提供了大量關(guān)于反硝化作用的有用信息。大量研究表明反硝化作用過程使 1518：1 的比例增加（ 987;990）。 化作用過程 氨化作用 （ 是指含氮 有機物經(jīng)微 生物分解產(chǎn)生 銨 的過程。這個過程又稱為有機氮的礦化作用。來自動物、植物、微生物的蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、幾丁質(zhì)等含氮有機物，均可通過氨化作用而釋放 銨 。產(chǎn)生的銨， 一部分 供植物和微生物 同化，一部分被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽 。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 6 氨化作用 通常 只會產(chǎn)生很小的分餾 效應(yīng) （ 1 ）。相應(yīng)的產(chǎn)生較大的分餾作用是 銨 的硝化作用，而不是氨化作用過程。 氮作用 固氮作用 （ 是指將 分子態(tài)氮 轉(zhuǎn)化為 其他 含 氮 化合物 的過程。 在 自然界 中 氮的固定有兩種方式，一是非生物固氮，即通過雷電、火山爆發(fā)和電離輻射等 固 氮，此外還包括人類發(fā)明的以 鐵作催化劑，在高溫 (500 )、高壓(的 工業(yè) 固氮，非生物固氮形成的氮化物很少。二是生物固氮，即通過微生物的作用固氮，大氣中 90%以上的分子態(tài)氮，只能由微生物固定成氮化物。能夠固氮的微生物，均為原核生物，主要包括細菌、放線菌和藍細菌。在固氮生物中，貢獻最大的是與豆科植物 結(jié)合 的 瘤菌屬，其次是與非豆科植物共生的放線菌弗蘭克氏菌屬，再次是各種藍組菌，最后是一些自生固氮菌?；瘜W(xué)固氮曾為農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 起了 巨大的貢獻 。 但是，它的生產(chǎn)需要高溫條件和高壓設(shè)備，材料和能源消耗過大，因此產(chǎn)品價格高且不斷上漲。對 自然界氮素循環(huán)中的 固 氮作用具有決定意義的是生物固氮作用。 每年 的 生物固氮 量大約為 90 130人類活動所增加的氮約為 140 998） 。同時，專家推測 到 2020 年 化石燃料的燃燒和化肥的使用 將使 人為的固氮速率增加 60%。 生物固氮作用所產(chǎn)生的有機物中的 15N 值稍小于 0% 。 993)的研究表明生物固氮作用 產(chǎn)生的分餾效應(yīng) 為 +1 。因為 生物固氮作用所產(chǎn)生的有機物中的 15N 值要比其他方式形成的有機物中的 15N 低，所以一般認為含有較低 15N 的有 機物通常來自于 生物 固氮作用。 化作用 同化作用 （ 是指將含氮化合物結(jié)合在生物體內(nèi) 形成含氮有機物的過程。 銨鹽和硝酸鹽是植物和微生物良好的無機氮類營養(yǎng)物質(zhì)，它們可被植物和微生物吸收利用，合成氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸和其他含氮有機物。 究目的和意義 長期研究顯示，高濃度硝酸鹽污染物對全球水質(zhì)、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)的功能都具有非常大的負效應(yīng)。準(zhǔn)確理解這些效應(yīng)就需要研究氮的來源、遷移、儲存和循環(huán)速率。干旱區(qū)沙漠或荒漠化地帶氮的循環(huán)對全球變暖與水體污染、大氣污染的作用尤為突出 ，因此已經(jīng)成為氮循環(huán)研究的核心地帶之一。近年來世界不同沙漠地區(qū)開展的研究發(fā)現(xiàn)深層包氣帶水中存在高濃度硝酸鹽。這反映了天然條蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 7 件下硝酸鹽可能向深層包氣帶遷移并影響地下水水質(zhì)。 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展， 合成 肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，且在不斷增長。這 可能使農(nóng)田土壤和相應(yīng)區(qū)域的地下水中 的 硝酸鹽增加，從而給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和地下水帶來潛在的威脅。同時 ， 氮 素 作為農(nóng)作物必 需 的營養(yǎng) 元素之一 ，影響著作物的生長、產(chǎn)量，從而 影響 當(dāng)?shù)?的農(nóng)業(yè) 經(jīng)濟。 在干旱地區(qū)特定的地理和氣候條件下，大量氮肥的施用對土壤和地下水的影響尤為突出?；诖?，本 文利用硝酸鹽的同位素特征來識別干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中氮的來源和遷移情況，同時結(jié)合地下水中硝酸鹽的同位素特征來反映地下水中硝酸鹽的來源及其與土壤中硝酸鹽之間的聯(lián)系，進而揭示人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響。開展干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤中氮的循環(huán)研究，不僅有利于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，而且對有效地減少土壤貧瘠化、地下水污染及遏制干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的惡化有重要意義！ 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 同位素技術(shù)作為一種成熟的 技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。 相關(guān)方面取得的進步主要包括 ： 實驗檢測技術(shù)的不斷發(fā)展 ； 研究趨于精細化，相應(yīng)的過程研究更深入 ； 研 究 領(lǐng)域的不斷拓展。 在過去的幾十年里，同位素測試技術(shù)得到了很大地提高。以硝酸鹽的 N、 O 同位素為例。傳統(tǒng)的 N 同位素測定方法有： 學(xué)濕法、真空熱解法、真空磨球法、還原熱解法 。 et 990）使用 備氮氣； 2000）等對 進行改進 使用 備氮 氣。除此外，還有負熱電離質(zhì)譜法、正熱電離質(zhì)譜法、發(fā)光譜法等。而近 年來細菌反硝化法被廣泛使用。由于工作氣體為 以在 轉(zhuǎn)化為 源的添加和 O 的轉(zhuǎn)化問題。 （ 1987）以 2 作為 度為 5 。 1995）使用 替 2 作為C 源，以避免 為一種有毒物質(zhì)在燃燒時釋放 并 進入高度真空的制樣系統(tǒng)。該法使 生的 化率提高到 90 100%，精度也提高到 3 。而相繼的 細菌反硝化法均使 O 同位素的檢測進一步提高。技術(shù)的不斷進步，使得 氮的循環(huán)過程中的各個作用過程的研究更為精細。例如以通過研究硝酸鹽的N、 O 同位素特征來分析硝化作用與反硝化作用的 反應(yīng) 程度，同時實現(xiàn)了從過程的定性研究到定量 研究的飛躍。 并且，現(xiàn)在 N、 O 同位素技術(shù)廣泛應(yīng)用于 各種環(huán)境條件下和生態(tài)系統(tǒng)中。其中包括應(yīng)用于小規(guī)模的森林生態(tài)系統(tǒng)的徑流、城市河流、濕地、河口海岸及大流域等環(huán)境條件。 18 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 8 量小型森林系統(tǒng)中來自大氣和土壤的 相對組成。同時 ， 17反應(yīng)來自于大氣的 為理論上所有的非大氣來源的 17，同時生化作用過程不會對 17O 的值 產(chǎn)生影響（ et 2004）。 基于氮的相關(guān)方法在世界各地 的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中 開展了廣泛的研究。在我國的西北干旱地區(qū)也開展了關(guān)于干旱區(qū)土壤中 氮 的 相關(guān)研究。其中包括：河西走廊灌漠土不同肥力水平下 種植 玉米氮素適宜用量的研究，得到了 在不同肥力土壤中的最佳施肥量；河西走廊綠洲灌區(qū)灌漠土肥料利用率的研究，得到了施肥方式影響著土壤中 肥料的利用效 率；長期施肥對河西灌漠土有機氮組分的影響，得到了不同的施肥方式 對土壤全氮和土壤有機氮組成有顯著 影響。 農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)存在的淺層地下水硝酸鹽污染往往是含氮肥料的廣泛使用造成的。 周愛國等 率先利用陰離子交換樹脂取樣法對河南安陽和林州地下水中 5N 和 18O 進行了研究 , 研究結(jié)果顯示該地區(qū)地下水中的硝酸鹽 主要來 自于 農(nóng)家肥和化肥。 有 研究結(jié)果表明 : 只有不到 50% 的氮肥可被植物吸收 , 其余絕大部分 滯留于土壤中 , 或從 農(nóng)田 的地表或地下 排入地下及地表水體 (李彥茹等 ,1996) , 另外的 部分直接以氣體的形式 返回大氣。 1992 年邵益生等在我國率 先利 用環(huán)境氮同位素方法 , 通過繪制地下水 15 討論了北京郊區(qū)污水灌溉對地下水 硝酸鹽 污染。從 20 世紀(jì)中葉 開始國外 就 在 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中 開展了大量的 關(guān)于 氮的相關(guān)研究。早期的研究 主要圍繞 農(nóng)業(yè)生 態(tài)系統(tǒng)中 氮的收支平衡 來開展 。隨著新技術(shù)的發(fā)展，研究趨于精細化，新技術(shù)有利于更好地揭示氮循環(huán)的各個過程。 （ 2006）發(fā)現(xiàn)通過農(nóng)業(yè)優(yōu)勢管理機制能有效的控制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)含水層 中 的 硝酸鹽 污染，同時表明含水層 中的硝酸鹽 主要來自無機肥 。 2002）討論了地下水的補給 情況 ，同時對 農(nóng)業(yè)污染做了具體而詳細的綜述，闡明了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動 對地下水的補給速率和地下水的成分以及生物化學(xué)作用有直接或 間接的影響 。 1995）同時 利用地下水 測年 、水化學(xué)和同位素方法開展 了相關(guān)研究 ，表明地下水中的氮濃度隨時間增大主要是由于研究區(qū)氮肥使用量 的 增加，同時地下水中 20 35%硝酸鹽來自于氮肥的氧化 作用 和滲漏 。 對 英格 部三疊紀(jì)砂巖含水層中地下水硝酸鹽氮同位素組成 進行了分析 , 在確定該含水層中沒有顯著的反硝化作用和混合作用發(fā)生的前提下 , 判斷該 含水層中 農(nóng)業(yè)用地有關(guān) , 即含水層中 物排泄物、銨 肥和土壤有機氮硝化作用產(chǎn)物以及含 （ 1971）通過測定氮濃度和 15N 的豐度 ， 表明 1970 年氮濃度 在春天 達到最大值，且該流域的地表水中 的氮 至少 有 50 60%來自于肥料 。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 9 目前，結(jié)合水文、化學(xué)信息，利用多同位素、多示蹤的方法能夠 幫助我們 很好的理解并區(qū)分 N 的來源、遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律。 例如利用 3418999）；化肥源（ et 2004）等信息。 1997） 最早使用 B 同位素作為 時他和1994）還報道了農(nóng)業(yè)來源的硝酸鹽源的同位素組成的輸入特征，并結(jié) 合使用 N、 B 同位素來區(qū)分地下水、地表水中的不同 優(yōu)點 在于 B 作為受反硝化作用的影響，只在粘 土礦物的吸附過程中才可能發(fā)生分餾現(xiàn)象（ et 2005）。 同時， 2 1811B、 87同位素也廣泛用于理解 N 的生物化學(xué)作用與人類活動對 N 的來源和循環(huán)過程 。 而目前尚需要進一步研究的問題包括： 1） 干、濕沉降中的 1815 17其原因； 2） 能否運用同位素方法來區(qū)分和定量不 同大氣來源的 N 源 ； 3） 包氣帶土壤中 1815是由于土壤剖面中濕潤層的移動導(dǎo)致硝化作用和反硝化作用出現(xiàn)快速 震蕩； 4） 溪流中的硝酸鹽分子多大程度是來自于溪流周圍的環(huán)境。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 10 第二章 材料與方法 究區(qū)概況 騰格里沙漠是中國第四大沙漠，面積大約為 04 于阿拉善地區(qū)的東南部，南越長城，東界賀蘭山，西北以雅布賴山為界，介于北緯 3730至40，東經(jīng) 10220至 106。 全年多西北風(fēng)，溫 度 變化較大， 降雨 量小，屬于典型的內(nèi)陸 干旱氣候。研究區(qū)位于甘肅省武威市， 隸屬 河西走廊東端，地勢南高北低，由西南向東北傾斜。研究區(qū)海拔 1020m 4874m,面積約 33 萬 口 191萬左右，下設(shè)涼州區(qū)、民勤縣、古浪縣和天祝藏族 自治縣等。 研究區(qū)內(nèi)荒漠化土地面積占總土地面積的 31%，北部的荒漠區(qū)風(fēng)沙線長達132漠化土地主要分布在涼州區(qū)東部以及東北部的八十里大沙和二十里大沙，民勤縣周邊的沙漠和境內(nèi)的低山丘以及古浪縣北部的沙漠區(qū)。 祁連山山前綠洲平原區(qū)是研究區(qū)內(nèi)的主要綠洲灌溉區(qū)，東至古浪的土門、大靖，中為武威山前平原，西至永昌水磨關(guān)和民勤的 平原地帶。地處石羊河流域的中、下游，地形平坦，是河西區(qū)重要產(chǎn)糧基地之一。 研究區(qū)處于武威市東部，屬 綠洲灌區(qū)，東臨騰格里沙漠 南緣 （圖 2。 研究點位上 的農(nóng)田為開墾不久的農(nóng)田，土壤主要以砂土為主，土壤的有機質(zhì)低。該地區(qū)的農(nóng)民為 了保證生產(chǎn)，在植物的生長過程中使用了合成肥料，主要是尿素、 二銨和 過磷酸鈣 ，施用方式多采用表施 。其使用量分別為 80、 15、 15。 灌溉方式多采用漫灌。 候條件 研究區(qū)平均降雨量較小 ，蒸發(fā)量較大，地處中溫帶內(nèi)陸干旱荒漠氣候區(qū)。根據(jù)武威氣象站觀測資料統(tǒng)計分析 ，研究區(qū)內(nèi)降水具有較明顯的垂直分布性，隨著海拔高度的降低，降水量也隨之減少，平均海拔高度每降低 100m，年降水量約減少 20 50鞘嶺站和古浪站的多年平均降水量分別為 威站 勤站的降水量更少僅有 究區(qū)內(nèi)總體干旱少雨，年降雨量僅為 176雨集中于 7，占全年降水量的 43%左右，月最大降水量可達 132雨在水平面上的分布為從東至西逐漸減少。研究區(qū)內(nèi)降雪較少，最大積雪深度僅為 170比較而言，區(qū)內(nèi)蒸發(fā)作用較強，年均蒸發(fā)量在 2000上，大約是平均降水量的 10 倍。 各地年內(nèi)蒸發(fā)量最小值出現(xiàn)在 1 月或 12 月，為 37 67內(nèi)蒸發(fā)量在水平分布上的趨勢與蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 11 降雨量相反，從東至西逐漸增大，民勤綠洲的年平均蒸發(fā)量高達 2644究區(qū)內(nèi)全年的空氣相對濕度 為 40%，平原區(qū)大部分為干旱或特干旱 區(qū) 。 研究區(qū) 年平均氣溫約為 ，溫差較大，最高溫度為 42 ，。研究區(qū)光照充足，熱量豐富， 日照時數(shù)約為 2200h 3030h， 其中 4 9月日照時間較長，平均每天日照在 9h 以上。 無霜期 在 85 165 天 不等 ，太陽輻射量 127平均風(fēng)速約為 2. 6m/s，春季風(fēng)速最大，夏季風(fēng)速最小，最大瞬時風(fēng)速為 23m/s，盛行西北風(fēng)。年平均沙塵暴時間約為 36 天，多集中在春季。 圖 2研究區(qū)概況及采樣點分布 植被概況 研究區(qū)內(nèi)的土地利用情況和植被覆蓋狀況主要受自然因素和人文因素的影響，地表覆蓋類型主要包括以下幾種：人工植被、人工綠洲、自然植被、荒漠景觀、裸地、固定和半固定沙丘等。 人工植被 主要包括農(nóng)田林網(wǎng)、農(nóng)作物、小面積 的片林和防風(fēng)固沙林等。其中蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 12 研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田種植的主要糧食作物有玉米、 小麥、啤酒大麥、馬鈴薯、大豆、豌豆、糜子、谷子、豌豆等；經(jīng)濟主要經(jīng)濟作物有胡麻、棉花、油菜、葵花、白蘭瓜、籽瓜、茴香、甜菜等；此外，還有紫花苜蓿、草木樨、毛苕子等綠肥飼料作物。人工造樹林主要包括檸條、沙棗（ 花棒 (梭梭 (沙拐棗（ ，同時栽 植了柳樹、楊樹、榆樹等經(jīng)濟樹木。 天然植被按照地形、土壤和植被特征分為荒漠化草甸植被、鹽生荒漠植被、沙質(zhì)荒漠植被等?；哪莸橹脖恢饕植荚诰G洲內(nèi)部及其邊緣地帶，主要有耐旱灌叢，如珍珠（ 鹽爪爪（ 。草甸草本主要有冰草（ 苔草（ 、蘆葦（ 岌岌（ 。沙質(zhì)荒漠植被主要分布在荒漠土區(qū)域，一般土壤含鹽 較少，生長及其稀疏，如灌木主要有白刺（ 紅砂（ 珍珠等。草本植被主要有沙蒿（ 沙蓬（ 豬毛菜（ 戈壁針茅（ 沙生針茅（ 。鹽生荒漠植被一般分布在典型的鹽土地區(qū)，在這種區(qū)域一般極少生長草木，只生長白刺等鹽生小灌木。 壤概況 研究區(qū)降水 少、蒸發(fā)作用較強烈，氣候干旱、溫差大，植被稀少等，導(dǎo)致土壤形成過程中具有母質(zhì)影響明顯、生物作用微弱、鐵質(zhì)化現(xiàn)象發(fā)育明顯、易溶性鹽類積累較強和亞表層粘化等特點。研究區(qū)的土壤類型分類如表 2示。 表 2研究區(qū)土壤類型 in 壤類型 棕漠土 甸土 洲灌耕土 土 沙土 類 礫質(zhì)灰棕漠土 草甸土 綠洲灌耕土 典型 鹽土 流動風(fēng) 沙土 沙礫質(zhì)石膏 灰棕漠土 鹽化草甸土 半潮綠洲 灌耕土 草甸 鹽土 半固定 風(fēng)沙土 龜類狀灰棕漠土 荒漠化草甸土 潮綠洲 灌耕土 礦質(zhì)鹽土 固定風(fēng) 沙土 鹽化灰棕漠土 沼澤草甸土 鹽化綠洲 灌耕土 殘余鹽土 灌耕灰棕漠土 林灌草甸土 沙化鹽土 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 13 其中，在研究區(qū)內(nèi)地帶性土壤以灰棕漠土、草甸土、風(fēng)沙土和草甸沼澤土為主。非地帶性土壤以綠洲灌耕土為主。在 研究區(qū)內(nèi)的耕作土壤 綠洲灌耕土，是經(jīng)過長期灌溉、淋溶、耕作施肥等人為作用演變而成的。其他類型土壤均為自然成土作用而形成的自然土壤。其中風(fēng)沙土是沙丘的主要土壤類型，有機質(zhì)含量低、質(zhì)地疏松和肥力差。 文地質(zhì)條件 騰格里沙漠其下墊層 是中、上更新統(tǒng)或上新統(tǒng)的沙礫石（巖）及亞沙土類的松散、半 松散含水層。研究區(qū)含水層以淡黃的細粉砂為主。第四系厚 200 250m，水位埋深 120 150m，含水層厚度在 80 100m 以上。騰格里沙漠為阿拉善臺地東南 部一 斷陷盆地，東界賀蘭山，西北以雅布賴山為界與巴丹吉林沙漠相 隔，北部以哈拉烏山為界，南部與祁連山山前洪積扇前緣相接。據(jù)物探資料研究，區(qū)內(nèi)有厚達數(shù)千米的侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)與第三系的內(nèi)陸湖相沉積 層 。地質(zhì)構(gòu)造上屬潮水 騰格里邊緣 拗陷的一部分， 在 加里東期本區(qū)連同祁連山產(chǎn)生褶皺隆起，同時伴有深大斷裂產(chǎn)生，經(jīng)海西運動再度褶皺斷裂，巖漿侵入，從而完成基本外貌。燕山運動時古老斷裂復(fù)活，兩側(cè)山區(qū)急劇上升，盆地下陷接受了侏羅、白堊紀(jì)第三紀(jì)的內(nèi)陸湖沉積 相 ，沉積厚度達 3500 4000m， 從而構(gòu)成山間自流水構(gòu)造盆地。但是，在第三紀(jì)末，受喜馬拉雅運動影響，產(chǎn)生隆起，經(jīng)受剝蝕，而西部潮水民勤一帶則 相對下降，下更新世至上更新世連續(xù)堆積洪積、湖積相碎屑物，而騰格里沙漠內(nèi)直到中上更新世才有沖積 洪積物堆積。 全新世氣候干旱，風(fēng)沙盛行，廣泛堆積成各種形態(tài)的沙丘，沙丘間干涸的湖盆中沉積有薄層湖積物。騰格里沙漠南緣北部沙漠是武威、古浪平原及大靖、海子灘、冰草灣平原區(qū)的延伸 部分，其下墊層是中、上更新統(tǒng)或上新統(tǒng)的沙礫巖石及亞砂土類的松散、半松散含水層。東西沙漠含水層有差別，東部以細砂、中細砂為主夾砂礫，含水層厚度為 3050m，由西往東變薄，部分地段第四系不含水。西邊保疙瘩梁一帶地下水位為 80100m，北邊大海子、 毛條海子地下水出露地表形成沼澤地； 西部沙漠區(qū)含水層以淡黃色細粉砂為主，八十里沙子、白堿槽一帶為中細砂、礫砂。據(jù)物探資料 ，南疙瘩槽、黑崗一帶的第四系厚度達 200 250m，含水層厚度為 80 100m，往北變薄，富水性也減弱。經(jīng)部分鉆探證實，以古山墩以 北的沙漠隆起區(qū)，第四系基底為上更新統(tǒng)的半膠結(jié)、半松散紅色中細砂，砂巖含地下水、 第四系不含水。 究區(qū)域內(nèi)的人類活動 在我國，農(nóng)村生態(tài)環(huán)境條件由于 各種原因 近年來呈日益惡化的態(tài)勢。 這些原因 主要包括化肥施用量的增加； 不同的施肥方式 表施、深施 ； 農(nóng)藥種類的 增多蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 14 及用量的增加；以及對農(nóng)業(yè)土壤的利用和管理方式 耕種制度、灌溉制度、施肥方式等的改變。 我國是世界上施用化肥量較大的國家之一，據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(shù)經(jīng)濟研究所統(tǒng)計， 2004年化肥 的 年使用量高達 4 637萬 t， 按播種面積計算，平均化肥使用量為 411遠超過發(fā)達 225國化肥利用率較低，平均約為 35 左右，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與施用比例也不盡合理。 1980 年以前我國農(nóng)田有機肥加化肥的總投入與總產(chǎn)出（農(nóng)作物帶走的養(yǎng)分）相比，氮、磷、鉀均為負值。而 1980年以后，由于氮磷肥的大量 使用，農(nóng)田土壤中氮磷積累急劇增加。 農(nóng)田土壤中的氮磷隨排水或雨水進入河流，使水體富營養(yǎng)化，直接影響了工農(nóng)業(yè)供水和人畜飲水質(zhì)量， 給人體健康和水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來 極大的 威脅?；瘜W(xué)農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用量最大、施用面積最廣、毒性最高的一類有毒化學(xué)品。隨著各種農(nóng)藥的大量使用，結(jié)果往往是害蟲、益蟲一 起消滅，而害蟲的抗藥性越來越強，最后只好不斷加大藥量。真正作用于 農(nóng)業(yè)害蟲的農(nóng)藥僅有10% 30%左右， 進入大氣、水體的部分約為 20% 30%，殘留在土壤中的約 為50% 60%。大量使用農(nóng)藥，或長期使用同一類農(nóng)藥，能夠使許多害蟲產(chǎn)生 抗藥性，連續(xù)使用農(nóng)藥還會殺死益蟲、益鳥。所以，不合理的使用農(nóng)藥不但不能徹底解決農(nóng)業(yè)病蟲害問題，相反還會使許多原來危害不大或不難防治的蟲害變得不易防治。這樣就有可能使農(nóng)藥用量越來越多， 形成惡性循環(huán)，生態(tài)環(huán)境的破壞和污染也將逐漸加重。據(jù)農(nóng)業(yè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示： 我國農(nóng)藥年用量為 80 100萬 t，其中，使用在農(nóng)作物、果樹、花卉等方面的化學(xué)有毒農(nóng)藥約占 95以上。這說明我國農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥污染已到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度，必須采取措施加以解決。 同時，不盡科學(xué)的管理方式也對農(nóng)業(yè)土壤帶來了許多影響。在武威地區(qū) 的 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)大多還采用漫 灌的灌溉方式、施肥采用表施、種植作物單一等都改變著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)土壤的性質(zhì)。據(jù)訪問調(diào)查，在武威地區(qū)由于玉米、小麥的產(chǎn)量高、售價高，所以玉米和小麥被廣泛種植。種植作物單一，沒有很好地進行輪種。這就使得土壤變得貧瘠。 同時大量的施用化肥，加之漫灌的灌溉方式 給 地下水的安全 帶來嚴(yán)重的威脅 。 究內(nèi)容 （ 1） 騰格里沙漠包氣帶中氮的循環(huán)規(guī)律研究 包氣帶中表層和深層各種形態(tài)氮的空間組合關(guān)系及其影響因素 包氣帶中不同來源氮的同位素識別 (1518（ 2） 地下水硝酸鹽的來源、遷移、轉(zhuǎn)化 規(guī)律 分析研究區(qū)內(nèi)地表水、泉水、地下水硝酸鹽含量及主要離子演化規(guī)律，同蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 15 時分析其硝酸鹽中 15 18 遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律。 （ 3） 不同種植類型土壤中的氮循環(huán)規(guī)律研究 農(nóng)田土壤中各種形態(tài)氮的空間組合關(guān)系及其影響因素 農(nóng)田土壤不同來源氮的同位素識別 (1518究方法與技術(shù)路線 究方法 （ 1） 沙漠包氣帶土樣獲取 ： 在騰格里沙漠，利用手搖鉆鉆取深度為 12m 的剖面 （ (圖 2 提取包氣帶沙土樣品，每 個 樣 品的長度為 25封裝在塑料樣品袋中，送回實驗室， 并做 前處理和 相關(guān) 實驗 。 （ 2） 水樣獲取 ： 在武威地區(qū)采集一定數(shù)量地表水、泉水、地下水水樣。首先用原水沖洗塑料樣品瓶三次，再分別取兩瓶 500水樣，送回實驗室， 4以下 無霜 冷凍儲藏， 用于相關(guān)檢測。 （ 3） 農(nóng)田土壤樣品獲?。?用手搖鉆在 同一點位上 兩種不同的 種植作物 (玉米（ 和小麥 (覆蓋的農(nóng)田里 分別鉆取兩深度均為 剖面。每個樣品的長度為 25約為 2封裝在塑料樣品袋中，送回實驗室 ，并做 前處理和 相關(guān) 實驗 。 （ 4） 樣品室 內(nèi)處理與分析： 自動粒度儀，分析沙樣 和農(nóng)田土樣 的機械組成 ,土樣的粒度實驗結(jié)果用 分類方法進行分類 ；用烘干法測 定 含水量 稱取適量的土樣放入潔凈的樣品盒中，放入恒溫箱中在 105 下進行 12 小時恒溫烘干，再稱量烘干前后的總量并計算其含水量 ； 離心萃取法測試 50g 樣品于 100三角燒杯中，加 50離子蒸餾水， 均勻攪拌約 30 分鐘，然后密封靜置 24h 后離心、過濾，最后用自動色譜儀測量溶液 取以上 30萃取液送比利時 1518采用反硝化細菌方法 (et et 2002; 毛緒美，羅澤嬌，李永勇等， 2005;et 具體的實驗 步驟為 ： 1、反硝化菌株的選取：通過反復(fù)馴化 菌株 實驗，選擇缺乏化酶的反硝化細菌 硝化菌的培養(yǎng)： 將含胰蛋白酶的大豆肉湯用 10酸鉀、 1酸銨和 1 防沫劑進行改造，取出其 中 40000錐形瓶中進行熱壓處理，將 株嫁接在熱壓處理后含胰蛋白酶的大豆瓊脂培養(yǎng)基中，封緊錐形瓶，在室溫下培養(yǎng) 6 天。 3、轉(zhuǎn)化：將培養(yǎng)液分成每份 40凍離心分離，倒出上層清液至 4蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 16 成兩份分別注入 20頂空小瓶中，用聚四氟乙烯硅脂片蓋上并擰緊，每個封閉小瓶用 凈化 2h 以上，流速控制在 10注射器將水樣注入小瓶中，使硝酸鹽完全轉(zhuǎn)化為 體。經(jīng)過一夜嫁接，向小瓶中注入 使 大于 12。 4、 取與同位素分析：用氮載氣體將 體從樣品瓶中剝離、純化，然后通過自動進樣器送入相連的 質(zhì)譜儀中測定。 同位素計算：穩(wěn)定同位素常用 來表示并以千分率來計。 )=( 1000, 15N/14N 或 18O/別為同位素的 15N/14N 或18O/16O 的比率和 15N 、 18O 對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。 15N 的值相對于 2） , 18 ()。 15N、 18O 的分析精度分別為 、 。 土壤樣品風(fēng)干研磨，過 100 目篩，準(zhǔn)確稱取 于聚四氟乙烯罐中，加入 3酸、 1氯酸、 1氟酸，放于不銹鋼外套中于烘箱中 160 加熱 4卻后取出罐，在電熱板上敞口加熱去硅及殘留的氫氟酸，待大量白煙冒盡，樣品呈可流動球珠狀時取下，加入 1酸，微熱，冷卻至常溫，用高純水定容到 10 譜儀測定無機元素含量。 水樣送到蘭州大學(xué)分析測試中心 進行 測試。實驗 室測定的陽離子有 K+、 陰離子有 陽離子使用美國 司 離子色譜儀測試。 （ 5） 對比分析： 通過對比分析沙漠包氣帶和兩種作物（玉米和小麥）覆蓋條件下的農(nóng)田土壤中的 及 1518映不同作物覆蓋條件下農(nóng)田 土 壤中硝酸鹽的來源及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，其中著重反映農(nóng)田耕作管理（包括種植類型、土地利用情況、化肥施用量和施用方式、灌溉制度）對農(nóng)田土壤中氮的空間分布的影響。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 17 術(shù)路線圖 圖 2論文技術(shù)路線圖 of 州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 人類活動對農(nóng)業(yè)土壤中氮的影響 18 第三章 研究區(qū)土壤中氯離