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文档简介

1、Shanghai Jiao Tong University 博博 士士 论论 文文 答答 辩辩 1 番茄对有机氮的吸收及土壤可溶性有 机氮行为特性研究 博士生:葛体达 导 师:黄丹枫 教授 专 业:蔬菜学 研究方向:植物营养生理生态 2021年年7月月11日日 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.2. 1. 论文的背景 2. 研究思路和主要内容 4. 土壤可溶性有机氮行为特性 5. 主要结论 3. 番茄对有机氮的吸收利用特性 论论 文文 内内 容容 提提 要要 6. 后续工作展望 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行

2、为特性2021-7-11.3. 1. 论论 文文 背背 景景 v 氮是植物生长最重要的元素之一,亦是全球生态系统物质循环的重要组成部分氮是植物生长最重要的元素之一,亦是全球生态系统物质循环的重要组成部分 v 土壤有机氮直接或间接影响微生物活性及氮养分的生物有效性,是矿质氮的源和汇土壤有机氮直接或间接影响微生物活性及氮养分的生物有效性,是矿质氮的源和汇 v 土壤有机氮矿化被认为是调节生态系统营养循环和全球碳循环的重要过程土壤有机氮矿化被认为是调节生态系统营养循环和全球碳循环的重要过程 v 植物有机氮营养现象的深刻揭示植物有机氮营养现象的深刻揭示 v 传统的矿质营养观念的改变导致许多生态学问题的再

3、认识传统的矿质营养观念的改变导致许多生态学问题的再认识 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.4. 有机氮源(有机氮源(ON)利用)利用植物氮源利用的多样性植物氮源利用的多样性 v 极端环境野生植物(白毛羊胡子草、莎草)对极端环境野生植物(白毛羊胡子草、莎草)对ON的吸收的吸收 v 作物(水稻、番茄等作物(水稻、番茄等 )对氨基酸态)对氨基酸态N的吸收的吸收 v 植物对根际氨基酸分泌物的再吸收植物对根际氨基酸分泌物的再吸收 v 菌根对植物吸收菌根对植物吸收ON的促进作用的促进作用 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为

4、特性2021-7-11.5. 植物对氨基酸的吸收植物对氨基酸的吸收 氨基酸种类氨基酸种类试验方法试验方法 文献来源文献来源 甘氨酸甘氨酸水培植株完全培养或切根离体培养水培植株完全培养或切根离体培养 Turnbull et al. (1996); Raab (1999); Thornton (2001) 谷氨酸、天(门)冬谷氨酸、天(门)冬 氨酸氨酸 水培切根离体培养水培切根离体培养Blaudez et al. (2001);Kielland (1994) 15种自由氨基酸种自由氨基酸水培切根离体培养水培切根离体培养Persson and Nsholm (2001) 丙胺酸丙胺酸苗期水培苗期水培

5、Bajwa and Read (1985) 丙胺酸、丝氨酸、谷丙胺酸、丝氨酸、谷 氨酸、氨酸、甘氨酸甘氨酸、天、天 (门)冬氨酸(门)冬氨酸 无菌水培无菌水培Cliquet et al. (1997) 精氨酸、精氨酸、甘氨酸甘氨酸非无菌水培非无菌水培hlund and Nsholm (2001) 甘氨酸甘氨酸非无菌条件下的水培或土培非无菌条件下的水培或土培 Nsholm et al. (2000); Miller et al. (2003); Weigelt et al. (2003) 甘氨酸甘氨酸、丝氨酸、精、丝氨酸、精 氨酸、苯丙氨酸氨酸、苯丙氨酸 土壤盆栽土壤盆栽Alexandra We

6、igelt et al. (2005) 谷氨酸、谷氨酸、甘氨酸甘氨酸、 赖赖 氨酸氨酸 田间模拟试验田间模拟试验Henry and Jefferies (2003b) 甘氨酸甘氨酸田间试验田间试验 Streeter et al. (2000); Nsholm (2001); McKane (2002); Gly是土壤中含量最高的游离氨基酸,也是分子量最小,结构最简单的氨基酸,是土壤中含量最高的游离氨基酸,也是分子量最小,结构最简单的氨基酸, 因此成为植物有机营养氨基酸态氮研究的理想氮源。因此成为植物有机营养氨基酸态氮研究的理想氮源。 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其

7、行为特性2021-7-11.6. 土壤有机氮土壤有机氮生态系统中有机氮对植物的潜在有效性生态系统中有机氮对植物的潜在有效性 v土壤可溶性有机氮土壤可溶性有机氮来源来源:有机质分解的中间产物、施入的有机肥料和作物秸杆、微生物有机质分解的中间产物、施入的有机肥料和作物秸杆、微生物 和根系的代谢产物和分泌物等和根系的代谢产物和分泌物等 v土壤氮素主要以有机态氮形式存在,约占土壤全氮的土壤氮素主要以有机态氮形式存在,约占土壤全氮的90%以上以上 v土壤土壤SON和土壤和土壤DON v土壤活性有机氮土壤活性有机氮 v土壤游离氨基酸:土壤游离氨基酸:有可观的数量有可观的数量( (浓度或库大小浓度或库大小)

8、 );有足够大的通量;有足够大的通量 土壤中各种土壤中各种N素形态素形态 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.7. 生态系统可溶性有机氮循环生态系统可溶性有机氮循环 Shoot SOM NO3-NH4+ Labile DON Stable DON Stable DON Labile DON Leached Leached Plant and microbial Root SOM MB SOM Stable SOM Sorbed Solution phase ? ? ? ? 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2

9、021-7-11.8. 2. 研究思路和主要内容 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.9. 3. 番茄对有机氮的吸收利用特性 v 主要内容 氨基酸态氮对番茄幼苗生长、碳氮积累的影响 番茄氨基酸态氮营养效应机理 有机氮对番茄的氮营养贡献率 v 材料和方法 供试作物:申粉918(大番茄);沪樱932(樱桃小番茄) 试验体系:开放水培、无菌水培、土壤植物微区模拟试验 供试氮源:NO3-,NH4+ 和Gly-N以及0,1.5,3.0,6.0mM 四种浓度的Gly-N 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-1

10、1.10. 不同氮素对番茄幼苗株高和生物量积累的影响 株高 Plant height (cm) 0 20 40 60 80 100 NO3-N NH4+-N Gly-N 申 粉 918 Shenfen918 沪 樱 932 932 Huying 932 处理后天数 Days after treatments 8162432 生物量 Biomass (mg plant-1) 0 2000 4000 6000 8000 申 粉 918 Shenfen918 8162432 沪 樱 932 932 Huying 932 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7

11、-11.11. 24d32d 0 100 200 300 400 500 600 处理后天数(days after treatments) 24d32d 可溶性糖含量 Soluble sugar content (ug/g FW) 0 100 200 300 400 500 600 NO3-N NH4+-N Gly-N 申粉 918 Shenfen918 叶片 leaf 24d32d24d32d 申粉918 Shenfen918 根系 Root 沪樱 932 Huying932 叶片 leaf 沪樱 932 Huying932 根系 Root a a a a a a a a a a b b b

12、 b b b b b c c c c c c 不同氮素对番茄幼苗可溶性糖的影响 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.12. 处理后天数 Days after treatments 8162432 植株总 氮量 Plant total N amount (mg plant-1) 0 40 80 120 160 NO3-N NH4+-N Gly-N 申粉 918 Shenfen 918 8162432 沪 樱 932 Huying 932 不同氮素对番茄幼苗植株氮积累的影响 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性20

13、21-7-11.13. 不同氮素形态对番茄木质部、韧皮部汁液氮含量及其分泌速率的影响 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.14. 不同氮素形态及甘氨酸浓度对无菌水培番茄生长及氮代谢产物的影响 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.15. 甘 氨 酸 浓 度 Glycine-N concentration (mM) 0.01.53.04.56.07.5 总 氮 量 total N (mg plant-1 DW) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 申 粉 918 shenfen918 沪 樱

14、 932 Huying932 甘 氨 酸 浓 度 Glycine-N concentration (mM) 0.01.53.04.56.0 干物 质重 Dry weight (mg plant-1) 0 13 26 39 52 65 申 粉 918 Shenfen918 沪 樱 932 Huying932 不同甘氨酸浓度与不同甘氨酸浓度与无菌水培无菌水培番茄总氮量及干物质重的关系番茄总氮量及干物质重的关系 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.16. 不同氮素形态对无菌水培番茄GS酶活性的影响 shootroot GS activity (OD

15、540 h-1 g-1 FW) 0 1 2 3 4 5 6 7 CK SN AC 3.0 Gly a b b b A a b c c shoot root a c bc b a c b b B 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.17. NR 活 性 Nrase acticity (NO 2 - umol ( g h)-1 FW) 0 3 6 9 1 2 1 5 C K 1 . 5 G ly 3 . 0 G ly 6 . 0 G ly 申 粉 9 1 8 S h e n f e n 9 1 8 沪 樱 9 3 2 H u y in g 9 3

16、 2 c a c b a b c a c c a b b 地上 部 S h o o t根 系 R o o t 地上 部 S h o o t根 系 R o o t c c c c 不同甘氨酸态氮浓度对无菌水培番茄地上部、根系NR活性的影响 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.18. 不同氮素形态对番茄地上部、根系15N原子超的影响 Shoot Root 15N excess (nmol g-1DW) 0 30 60 90 120 150 Control 15NH4- 15NO3- 2-13C, 15N-Glyince A: Shenfen 91

17、8 ShootRoot B: Huying 932 a a a a a a b b b c c c c ddd 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.19. 番茄15N原子超和13C原子超的相关关系 15N excess (nmol g-1dry mass) 04590135180 13C excess (nmol g-1dry mass) -3 0 3 6 9 12 15 2-13C, 15N-Glyince 15NH+ 4- 15NO-3- Control A: Shengfen918 15N excess (nmol g-1dry mas

18、s) 04590135180 13C excess (nmol g-1dry mass) -3 0 3 6 9 12 15 B: Huying 932 Y =0.42 X11.5 R2 = 0.945 Y =0.25X5.75 R2 = 0.945 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.20. 4. 土壤可溶性有机氮行为特性 v 主要内容 不同土壤可溶性有机氮含量及特性 氨基酸、多肽在土壤中的吸附、矿化及其吸收动力学 不同园艺生产系统土壤氮素的矿化特性 v 材料和方法 供试土壤:园艺和草原生态系统土壤 试验体系:土壤通气培养、14C标记的氨基酸

19、、多肽室内培养 供试氨基酸、多肽:14C标记的Glu,Val,Glu-Phe, Val-Pro-Pro 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.21. 土壤可溶性氮含量土壤可溶性氮含量 Citrus Vegetable Arable Forest Grassland Wetland Heathland Organic soil Transitional soil Conventional soil Soil solution N (mg N l-1) 0 20 40 60 80 100 Nitrate DON Ammonium Brown ear

20、th Soluble N concentration (mg L-1) 0200400600800 Soil depth (cm) 0-15 15-30 30-45 45-60 60-75 75-90 Nitrate Ammonium Amino acids v 供试土壤DON含量占可溶性N的比例在18-75之间 v 游离氨基酸占DON的比例在1-5之间 v 农业生态系统土壤:NO3- NH4+ FAA 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.22. 氨基酸、多肽在土壤中的吸附 Soil A - Organic soil Equilibrium

21、solution concentration (mM) 0.00.51.01.52.02.5 Amino acid and peptide sorption (umol g-1 soil) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Soil B-Transitonal soil 0.00.51.01.52.02.5 Glutamate Valine Glu-Phe Pro-Pro-Val Soil C - Conventional soil 0.00.51.01.52.02.5 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.23. 不同土壤对外源氨基酸、

22、多肽矿化的影响 T im e (h o u rs) 061 21 82 4 14C partitioning (% of total) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 G lu ta m a te C O 2 G lu -P h e C O 2 G lu ta m a te so il so lu tio n G lu -P h e so il so lu tio n V a lin e C O 2 V a l-P ro -P ro C O 2 V a lin e so il so lu tio n V a l-P ro -P ro so il so lu tio n K E

23、Y S o il B - T ra n sitio n a l so il 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.24. 培养24h后,外源氨基酸、多肽在不同土壤中的半衰期及微生物碳量 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.25. Transitional soil Val-Pro-Pro 06121824 Conventional Soil Val-Pro-Pro Incubation time (hours) 06121824 Transitional soil Valine Convent

24、ional soil Valine Organic soil Val-Pro-Pro 06121824 0 10 20 30 40 Organic soil Valine Cumulative 14CO2 evolution (% of total 14C applied) 0 10 20 30 40 50 CHCl 3 Control HgCl 2 Na-azide autocalving Effects of Microbial Inhihibition on mineraization of Amino Acid and Tri-peptide in 3 Horticultural So

25、ils 不同生化抑制剂和土壤灭菌方式对氨基酸、多肽矿化的影响 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.26. 不同温度对园艺生产系统土壤外源添加14C-Glu-Phe矿化的影响 I n c u b a t io n t im e ( h o u r s ) 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 14C-CO 2 (% of total) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 O r g a n ic s o il ( 0 - 2 0 c m ) I n c u b a t io n t im e ( h o u r s

26、 ) 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 14C-CO 2 (% of total) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 图 1 0 - 2 - 4 1 4 C - G lu - P h e 14C-remaining (% of total) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 d e g r e e 1 5 d e g r e e 2 5 d e g r e e O r g a n ic s o il ( 0 - 2 0 c m ) 14C-CO 2 (% of total) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 O r g a n

27、 ic s o il ( 2 0 - 6 0 c m ) O r g a n ic s o il ( 2 0 - 6 0 c m ) in c u b a t io n t im e ( h o u r s ) 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 14C-CO 2 (% of total) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 T r a n s it io n a l s o il ( 0 - 2 0 c m ) in c u b a t io n t im e ( h o u r s ) 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 14C-CO 2 (

28、% of total) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 14C-remaining (% of total) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 T r a n s it io n a l s o il ( 0 - 2 0 c m ) T r a n s it io n a l s o il ( 2 0 - 6 0 c m ) 14C-remaining (% of total) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 T r a n s it io n a l s o il ( 2 0 - 6 0 c m ) I n c u b a t io n t

29、im e ( h o u r s ) 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 14C-CO 2 (% of total ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 C o n v e n t io n a l s o il ( 0 - 2 0 c m ) 2 D G r a p h 5 0 I n c u b a t io n t im e ( h o u r s ) 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 14C-CO 2 (% of total ) 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 C o n v e n t io n a l s o

30、il ( 2 0 - 6 0 c m ) 14C-remaining (% of total) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 C o n v e n t io n a l s o il ( 0 - 2 0 c m ) 14C-remaining (% of total) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 C o n v e n t io n a l s o il ( 2 0 - 6 0 c m ) 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.27. Substrate concentration (mM) 0.00.5

31、1.01.52.02.5 Uptake Rate (nmol g-1 soil h-1) 0 20 40 60 80 表 层 土 (0-20cm) 14C-Valine Substrate Concentration (mM) 0.00.51.01.52.02.5 Uptake Rate (nmol g-1 soil h-1) 0 20 40 60 80 Organic Soil Conversion Soil Traditional Soil Substrate concentration (uM) 0.00.51.01.52.02.5 Uptake Rate (nmol g-1 soil

32、h-1) 0 20 40 60 80 1 degree 15 degree 25 degree Substrate concentration (mM) 0.00.51.01.52.02.5 Uptake Rate (nmol g-1 soil h-1) 0 50 100 150 表 层 土 (0-20cm) 14C-Val-Pro-Pro Substrate concentration (mM) 0.00.51.01.52.02.5 Uptake Rate (nmol g-1 soil h-1) 0 50 100 150 200 250 Organi c Soi l Conversi on

33、Soi l Tradi t i onal Soi l Substrate concentration (mM) 0.00.51.01.52.02.5 Uptake Rate (nmol g-1 soil h-1) 0 50 100 150 200 250 300 1 degree15 degree 25 degree 不同温度对土壤外源添加氨基酸、多肽吸收动力学的影响 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.28. Peptide or amino acid conc. (mM) 0.00.51.01.52.02.5 Susbtrate util

34、ization rate (nmol g-1 h-1) 0 100 200 300 400 Peptide Amino acid 氨基酸的吸收速率是多肽的氨基酸的吸收速率是多肽的2倍左右倍左右 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.29. 土壤土壤N N素的硝化作用迅速素的硝化作用迅速 (通气培养)(通气培养) Incubation time (days) 014284256 Soil solution concentration (mg N L-1) 0 20 40 60 80 100 NH4+ 在矿化过程中不积累在矿化过程中不积累 有机土壤

35、有机土壤 NH4+ DON NO3- 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.30. 5. 主要结论(1) v 不同氮素对番茄幼苗的生长、碳水化合物、氮素积累等有不同的影响 v 番茄能够直接吸收甘氨酸,且通过转氨酶的作用,最终合成蛋白质, 促进植株生长 v 申粉918、沪樱932能直接吸收12.5%和21%的外源甘氨酸分子 v 番茄根系吸收甘氨酸态N的能力比土壤微生物弱 v 沪樱932吸收氨基酸的能力大于申粉918 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.31. v 供试土壤DON含量占可溶性N的比

36、例在18-75之间 v 在培养过程中,SON的含量呈增加趋势 v 氨基酸、多肽在土壤中的矿化周转速率非常迅速,其半衰期仅为1-4h v 氨基酸、多肽等可溶性有机氮在土壤中的矿化过程是一个完全依靠微生物参与的 生物降解过程 v 氨基酸、多肽等SON在土壤中的矿化速度表现为有机土壤转化期土壤常规土壤 v 影响SON含量的瓶颈不是微生物利用低分子量SON的速率,而是SON从生物体 释放进入土壤的速率 5. 主要结论(2) 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.32. 6. 后续工作展望 1 土壤可溶性有机碳、氮库的时空动态变化 复杂多肽、蛋白质在土壤

37、中的动态生化特性2 3环境因子对可溶性有机氮行为的影响 植物与微生物对可溶性有机氮吸收的相互竞争4 5可溶性有机碳和有机氮的耦合研究 植物有机氮营养生理生化机理机制研究6 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-7-11.33. 附:攻读学位期间完成的论文 v Dynamics of Nitrogen Speciation in Horticultural Soils in Suburbs of Shanghai. Pedosphere (SCI, in press ) (第第1作者作者) v Influence of inorganic and amin

38、o acid nitrogen on the growth and nitrogen assimilatory enzymes of tomato seedlings. Journal of Horticultural Science & Biotechnology (SCI, in press ) (第第1作者作者) v Soluble Organic Nitrogen Pools in Soils. Communications in Soil Science and Plant Analysis (under review, SCI) (第第1作者作者) v Characterizati

39、on of peptide and amino acid dynamics in soil. Soil Biology and Biochemistry (under review, SCI) (第第1作者作者) v Absorption of glycine by tomato seedlings under soil microcosms culture conditions. Environmental and Experimental Botany (under review, SCI) (第第1作者作者) 博士论文答辩博士论文答辩有机氮吸收及其行为特性有机氮吸收及其行为特性2021-

40、7-11.34. v番茄根系分泌物、木质部和韧皮部汁液组分对矿质氮、有机氮的响应研究番茄根系分泌物、木质部和韧皮部汁液组分对矿质氮、有机氮的响应研究 园艺学报园艺学报 2008,35(1):):39-46 (第第1作者作者) v循环经济下的有机(生态)农业:可持续农业发展的方向循环经济下的有机(生态)农业:可持续农业发展的方向 上海交通大学学报(农业上海交通大学学报(农业 科学版)科学版)2006,24(9):):50-53 (第第1作者作者) v不同氮素形态对番茄幼苗碳、氮积累的影响不同氮素形态对番茄幼苗碳、氮积累的影响 中国农业科学中国农业科学 (已接受)(已接受)(第第1作者作者) v矿质氮和有机氮对番茄幼苗碳水化合物及氮素吸收的影响矿质氮和有机氮对番茄幼苗碳水化合物及氮素吸收的影响 应用与环境生物学报应用与环境生物学报 (已接受)(已接受)(第第1作者作者) v无菌条件下,不同甘氨酸浓度对番茄幼苗生长和氮代谢的影响无菌条件下,不同甘氨酸浓度对番茄幼苗生长和氮代谢的影响 生态学报生态学报 (已接收)(已接收) (第第1作者作者) v园艺作物有机生产系统中可溶性有机氮研究进展园艺作物有机生产系统中可溶性有机氮研究进展.见

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