填閑作物紫云英對(duì)稻田氮素形態(tài)變化及其生產(chǎn)力的影響機(jī)理.pdf

1、氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化與循環(huán)過(guò)程是元素生物地球化學(xué)過(guò)程中的重要一環(huán)。水稻（OryzasativaL.）是我國(guó)主要種植的三大糧食作物之一。氮素是水稻等作物生長(zhǎng)發(fā)育以及形成一定產(chǎn)量的首要限制性因素。自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)長(zhǎng)期不合理施用化肥尤其是氮肥，至上世紀(jì)90年代末，無(wú)論是氮肥施用總量還是施用強(qiáng)度均已位居世界前列，而有機(jī)物料投入用量則驟然下降。隨著時(shí)間的推移，由于長(zhǎng)期過(guò)量且不合理施用氮肥，不僅其當(dāng)季利用率比較低，大量硝態(tài)氮累積于土壤中而產(chǎn)生下滲淋溶損

2、失、NH3揮發(fā)和硝化反硝化脫氮(NOx)等途徑損失進(jìn)入土壤、水體和大氣等環(huán)境中而引發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題，而且氮肥的增產(chǎn)效益逐年下降。種植和利用冬季填閑作物是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華和重要組成部分，其鮮草還田經(jīng)土壤微生物腐解釋放出來(lái)的氮素同樣可被水稻作物吸收利用，還可能影響了土壤氮庫(kù)中各形態(tài)氮素分布、轉(zhuǎn)化及其歸趨等一系列生物地球化學(xué)過(guò)程，從而影響氮素生物有效性以及稻田生產(chǎn)力的可持續(xù)性。以往關(guān)于填閑作物的多研究集中于旱地土壤或者更關(guān)注于其在培肥改土、

3、供應(yīng)下茬作物養(yǎng)分等方面的作用，而關(guān)于填閑作物對(duì)淹水稻田系統(tǒng)土壤供氮能力和水稻生產(chǎn)力持續(xù)變化以及氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化的作用等方面的機(jī)制尚不清楚。因此，本文擬采用紫云英(Astragalus sinicusL.)為模式填閑作物，通過(guò)大田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)、室內(nèi)盆栽和15N示蹤（交叉標(biāo)記）微區(qū)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討填閑作物對(duì)氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化、硝化反硝化等過(guò)程以及稻田供氮能力及其生產(chǎn)力持續(xù)演化過(guò)程的影響機(jī)理，研究結(jié)果將對(duì)外源物質(zhì)投入相對(duì)較少的南方水稻種植體系中合

4、理利用填閑作物，提高稻田土壤中氮素貯藏和循環(huán)能力和利用率，減少稻田氮素?fù)p失及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，維持稻田系統(tǒng)生產(chǎn)力與可持續(xù)性具有十分重要的意義。主要結(jié)論如下:
　　1.采用室內(nèi)土壤盆栽試驗(yàn)研究了尿素配施紫云英對(duì)單季稻田系統(tǒng)氮素氣態(tài)損失的影響。結(jié)果表明，單季稻田氮素的NH3揮發(fā)損失率超過(guò)20％，而N2O損失率則小于1％。與尿素單施相比，尿素配施紫云英顯著降低表面水中銨態(tài)氮含量和分蘗期土壤中羥胺還原酶活性以及各生育期土壤中硝化反硝化細(xì)菌數(shù)量與

5、硝酸和亞硝酸還原酶活性，從而分別顯著降低單季稻田NH3揮發(fā)量和N2O排放量14.6％和45.2％，進(jìn)而分別降低N2O的增溫潛勢(shì)和溫室氣體強(qiáng)度45.2％和46.8％。
　　2.與尿素單施相比，尿素配施紫云英顯著增加水稻各生育期土壤中固定態(tài)銨、土壤微生物量碳與氮含量以及銨態(tài)氮和非酸解氮(NAHN)含量，卻降低硝態(tài)氮含量;增加氨基酸態(tài)氮(AAN)、氨基糖態(tài)氮(ASN)和酸解氨態(tài)氮(AHAN)含量，而降低酸解未知態(tài)氮（AHUN）含量，從而

6、分別增加無(wú)機(jī)氮、酸解氮（AHN）和總氮含量5.13％-24.2％、3.44％-8.36％和9.17％-10.9％，新增加的AHN中以AAN和AHAN為主。
　　3.與尿素單施相比，尿素配施紫云英分別顯著增加土壤中細(xì)菌、放線菌、真菌、固氮菌數(shù)量和脲酶、蛋白酶、蔗糖酶活性14.5％-36.6％和15.3％-31.1％，但分別顯著降低土壤中氨氧化細(xì)菌(AOB)數(shù)量和氨氧化古菌基因(AOA amoA)豐度24.6％和66.4％;顯著降低1

7、5NU對(duì)分蘗期土壤中ASN、AHUN、AHAN和NAHN及其對(duì)成熟期土壤中AAN和ASN的貢獻(xiàn)率，卻顯著增加其對(duì)成熟期土壤中AHUN、NAHN和固定態(tài)銨的貢獻(xiàn)率。通徑分析結(jié)果則表明，AHAN是土壤中15NU的暫時(shí)累積庫(kù)，而NAHN則是穩(wěn)定的儲(chǔ)存庫(kù)。
　　4.與尿素單施相比，尿素配施紫云英促進(jìn)水稻各生育期對(duì)15NU的吸收累積及其在實(shí)籽粒中的分配量，降低其對(duì)土壤氮（NSoll）的吸收累積以及15NU在秕谷中的分配量，從而顯著提高15N

8、U利用率46.1％-83.0％，降低水稻對(duì)土壤氮素的依存率14.0％，改善產(chǎn)量各構(gòu)成要素（每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重），從而增加籽粒產(chǎn)量3.02％。
　　5.水稻收獲后，種植填閑作物紫云英分別顯著增加盛花期土壤總氮、固定態(tài)銨、土壤微生物量氮和銨態(tài)氮含量，降低硝態(tài)氮含量;增加盛花期土壤中AAN、ASN和AHAN含量，降低AHUN含量，最終分別平均增加酸解氮和非酸解氮含量13.0％和15.9％，另外，種植填閑作物紫云英還顯著增加殘留1

9、5NU對(duì)盛花期土壤中銨態(tài)氮、AAN、ASN和AHAN的貢獻(xiàn)率6.31％-22.3％，而分別降低其對(duì)土壤總氮、硝態(tài)氮、固定態(tài)銨和AHUN、AHN、NAHN的貢獻(xiàn)率8.28％-85.7％和6.37％-33.2％。
　　6.在大田條件下，研究了紫云英和尿素不同配比（紫云英氮分別替代20％-80％尿素氮）對(duì)雙季稻田系統(tǒng)土壤供氮能力及其生產(chǎn)力可持續(xù)演變過(guò)程的影響。結(jié)果表明，不施肥或者尿素單施均不利于稻田系統(tǒng)生產(chǎn)力的可持續(xù)性發(fā)展。N80M20

10、或N60M40處理?xiàng)l件下，耕層土壤有機(jī)質(zhì)和總氮含量以及早稻、晚稻籽粒和秸稈及其周年產(chǎn)量均隨時(shí)間的推移呈增加趨勢(shì)，而N100、 N40M60或N20M80處理早稻、晚稻籽粒和秸稈及其周年產(chǎn)量變化趨勢(shì)則相反。與N100相比，N80M20或N60M40處理顯著提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、銨態(tài)氮含量和無(wú)機(jī)氮總量，促進(jìn)水稻地上部對(duì)氮素的吸收累積，提高水稻籽粒和秸稈周年產(chǎn)量及其可持續(xù)指數(shù)以及氮素農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力，而N40M60或N20M80處理則