稻油和棉油轮作模式下油菜季土壤氮素供应差异及其机制研究

摘要

氮是长江流域冬油菜产量的重要限制因子，前期文献调研的结果表明水旱轮作中冬油菜的产量低于旱地轮作，水旱轮作中油菜季土壤氮素供应低于旱地轮作。因此针对不同轮作制度下冬油菜产量和土壤氮素供应差异，本研究以水稻-油菜（水旱轮作）和棉花-油菜（旱地轮作）轮作同田对比定位试验为研究对象，研究两种轮作模式中冬油菜的氮素吸收规律和土壤氮素矿化特征;并借助15N双标记稀释法分析油菜不同生育期土壤氮素的转化特点，比较两种轮作模式中油菜季土壤氮素转化的差异。在上述研究基础上，进一步结合不同轮作模式中土壤有机质组分以及水分的变化特点，采用室内模拟的方式，研究去除活性有机质对土壤氮素转化的影响，分析由轮作制度的差异引起的有机质组分、水分和土壤氮素相互作用的机理，探索水旱轮作和旱地轮作中油菜季土壤氮素转化差异的关键影响因素，研究结果为制定不同轮作模式下油菜的高效施肥技术，实现冬油菜的高产高效提供理论依据和技术支撑。主要研究结果如下:
　　1、轮作方式不同，冬油菜的产量和氮肥利用效率明显不同。在相同氮肥投入情况下，稻油轮作中油菜产量水平比棉油轮作平均低15.4％。前季氮肥对冬油菜的产量产生影响，与前季不施氮处理相比，水稻季和棉花季氮肥分别增加油菜产量0-402和0-308kg/hm2。当季氮肥投入是影响产量的主要因素，均以施氮225kg N/hm2处理产量最高。轮作方式不同，油菜当季氮肥利用效率也存在明显差异，主要表现为棉油轮作中油菜季的氮肥表观利用率比稻油轮作平均高13.5％;稻油轮作中油菜季氮肥贡献率比棉油轮作平均高7.7％。这表明棉油轮作中冬油菜当季施氮的增产效果要优于稻油轮作，但是稻油轮作中冬油菜对氮肥依存度更高，对氮肥的需求量更大。
　　2、油菜前季作物氮肥残留可以促进冬油菜的产量和氮素吸收量。15N同位素微区试验研究表明水稻季和棉花季施氮150kgN/hm2时，水稻季氮肥损失率和残留率分别为36.9％和29.3％;棉花季氮肥损失率和残留率分别为27.6％和43.4％。由于棉油轮作中棉花季较高的氮素残留，提高了油菜季土壤氮素供应能力，棉油轮作中油菜地上部生物量和氮素积累量均明显高于稻油轮作，油菜收获时地上部吸收氮素有7.8％来自棉花季氮肥残留，高于水稻季氮肥残留利用率(4.2％)。
　　3、土壤氮素供应与作物氮素吸收不协调导致稻油轮作油菜产量和氮素吸收量低于棉油轮作。在油菜当季不施氮条件下，稻油和棉油轮作中油菜季土壤氮素净矿化量分别为30.1和33.2kg/hm2。两种轮作模式在油菜不同生育阶段土壤氮素净矿化特征明显不同，在油菜生长前期（移栽-花期）棉油轮作土壤氮素净矿化量为21.4kg/hm2，显著高于稻油轮作(15.7kg/hm2);而在花期后则表现为稻油轮作高于棉油轮作。这是因为在苗期稻油轮作油菜田土壤总矿化速率和总的硝化速率分别为2.37和6.91mg/kg·d，明显低于棉油轮作，而进入花期后，稻油轮作油菜田土壤总矿化速率和总的硝化速率明显增加，分别达到7.76和13.65mg/kg·d，显著高于棉油轮作。而土壤总的固定速率则表现为在苗期稻油轮作大于棉油轮作，在花期均呈现降低的趋势，总体来看，稻油轮作油菜田土壤总固定速率高于棉油轮作。油菜当季施氮是增加土壤氮素净矿化累积量主要影响因素，油菜前季氮素残留对土壤氮素净矿化量影响较小。油菜氮素吸收规律与土壤氮素供应变化相一致，不论油菜当季是否施氮肥，棉油轮作下油菜氮素吸收量均高于稻油轮作。从不同生育期氮素积累上看，油菜生长前期（移栽-花期）棉油轮作油菜氮素吸收量比稻油轮作高35.9kg/hm2;而花期以后稻油轮作比棉油轮作多吸收氮素21.1kg/hm2，虽然在花期以后稻油轮作氮素积累的速率高于棉油轮作，但前期养分积累不足，导致最后收获时油菜的干物质和氮素积累明显低于棉油轮作。
　　4、轮作制度的不同引起土壤有机质及其组分在数量和质量上的改变是导致土壤氮素供应差异的主要原因。通过对多年多点相邻的水旱轮作和旱地轮作中土壤进行调查研究发现水旱轮作条件下土壤有机碳和全氮含量分别比旱地轮作平均高19.9％和16.3％。水旱轮作条件下土壤易氧化有机碳、颗粒态有机碳(POM-C)和颗粒态有机氮(POM-N)含量比旱地轮作分别平均高35.6％、31.4％和35.9％。土壤有机氮矿化潜势(PMN)与土壤活性有机氮含量显著正相关。去除活性有机质组分后稻油轮作和棉油轮作中土壤PMN分别显著下降了38.0％和45.6％;土壤微生物量氮(MBN)含量分别降低了16.3％和19.5％;活性有机质组分导致土壤微生物量下降是土壤PMN下降的主要原因。对土壤活性有机质进行红外光谱分析表明水旱轮作条件下活性有机质组分积累了难以分解的芳香族化合物，降低了生物活性，从而影响了土壤供氮能力。
　　5、有机物的种类和数量显著影响土壤活性有机质组分的数量和质量，从而影响了土壤氮素供应。添加水稻根茬和棉花落叶处理土壤有机碳和全氮含量都有所增加。在相同投入量情况下，两种有机物料处理间土壤有机碳和全氮含量并无明显差异，但是土壤活性有机质组分含量增加显著。其中添加水稻根茬处理，土壤POM-C和POM-N分别增加了93.2％和69.0％;添加棉花叶片处理土壤POM-C和POM-N分别增加了39.9％和29.9％，低于水稻根茬处理。经过180d厌气培养，水稻根茬中有35.6％-48.7％碳参与矿化，明显低于棉花落叶(58.3％-65.3％)。添加棉花叶片处理土壤有机氮矿化量比对照处理高9.5-42.3kg/hm2;添加水稻根茬处理土壤有机氮矿化量比对照处理低2.7-14.8kg/hm2。
　　6、土壤水分和有机质组分对氮素转化具有明显交互作用。土壤水分状况是有机氮矿化的非常重要的影响因素，适宜水分(60％WHC)处理土壤易矿化有机氮含量明显高于淹水(120％WHC)处理和模拟落干处理，尽管模拟落干处理土壤在培养最后一周土壤含水量与适宜水分处理土壤含水量相同，但整个培养过程中其易矿化有机氮含量明显低于适宜水分处理;土壤颗粒有机质组分的差异主要影响了土壤氮素矿化速率，低POM处理土壤氮素矿化速率明显高于高POM处理土壤。与净矿化速率相似，适宜水分处理土壤总矿化速率和总的硝化速率最高;而模拟落干处理和模拟淹水处理土壤总矿化速率并无明显差异;但是模拟落干处理土壤总硝化速率明显高于模拟淹水处理;而从土壤总固定速率来看，模拟落干处理土壤的总固定速率则明显高于其它两个处理。土壤活性有机质组分含量和土壤水分存在明显交互作用，高POM处理土壤表现出高的总矿化速率和总固定速率，而高POM处理土壤和低POM处理土壤总硝化速率并无明显差异。
　　综上所述，由于轮作制度的不同引起的土壤物理、化学和生物学性质的差异均会影响油菜季土壤氮素的转化和供应。水旱轮作有利于土壤有机质组分积累，但是会导致生物有效性低的组分在土壤有机质中积累，进而引起油菜生长前期（苗期-花期）土壤有机氮矿化能力降低，不利于油菜生长前期氮素积累，因此在稻油轮作中油菜生长前期要增加氮肥投入，进而保证油菜前期物质和氮素积累。并且鉴于水旱轮作土壤质地粘重，不易于矿化的特点，应提前耕翻晾晒土壤，促进土壤氮素矿化。在油菜生长后期（花期-成熟期）随着土壤温度的升高以及有机质分解，土壤有机氮矿化能力增强，并且考虑生育后期油菜体内氮素转移再利用是油菜获得高产的关键，因此可以适当降低油菜生长后期的氮肥投入。因此在对冬油菜氮肥管理时应该充分考虑轮作模式对土壤氮素供应的影响，根据土壤氮素供应特点进行合理的氮肥分配，才可以实现冬油菜高产高效。

目录

声明

论文说明

摘要

缩略词表

1 文献综述

1．1 油菜氮素营养

1．1．1 氮在油菜生长中的重要性

1．1．2 油菜对氮素的吸收与累积规律

1．1．3 土壤供氮对油菜生长的重要性

1．2 轮作制度对油菜的产量影响

1．3 轮作制度对油菜季土壤氮素供应的影响

1．3．1 前季氮素残留差异

1．3．2 土壤有机氮的矿化差异

2 研究意义、内容及技术路线

2．1 研究意义

2．2 研究内容

2．2．1 稻油和棉油轮作模式下氮肥施用对油菜产量及肥料利用率的影响

2．2．2 稻油和棉油轮作模式下氮肥残留利用效率研究

2．2．3 稻油和棉油轮作模式下油菜季作物氮素吸收和土壤氮素供应特点

2．2．4 稻油和棉油轮作模式下油菜季土壤有机质组分差异及其对土壤氮素矿化影响

2．2．5 有机残落物对土壤有机质组分和氮素矿化影响

2．2．6 水分和有机质相互作用对土壤氮素转化影响

2．3 技术路线

3 稻油和棉油轮作模式下氮肥施用对油菜产量及肥料利用率的影响

3．1 材料方法

3．1．1 试验概况

3．1．2 试验土壤基本理化性状

3．1．3 试验设计

3．1．4 测定项目与方法

3．1．5 肥料利用率计算参数及方法

3．1．6 数据分析

3．2 结果分析

3．2．1 轮作模式和氮肥用量对油菜产量影响

3．2．2 轮作模式和氮肥用量对油菜氮素积累量影响

3．2．3 轮作模式和氮肥用量对油菜氮素利用率影响

3．2．4 不同轮作模式和氮肥用量对土壤氮素收支平衡影响

3．3 讨论

3．4 小结

4 稻油和棉油轮作模式下氮肥残留利用效率研究

4．1 材料方法

4．1．1 试验材料

4．1．2 试验设计

4．1．3 样品的采集与测定

4．1．4 相关参数计算方法

4．1．5 数据分析

4．2 结果分析

4．2．1 水稻季和棉花季对氮肥利用效率

4．2．2 轮作模式和氮肥用量对油菜前季氮肥后效的影响

4．2．3 轮作模式和氮肥用量对油菜季氮肥后效的影响

4．3 讨论

4．4 小结

5 稻油和棉油轮作模式下油菜季作物氮素吸收和土壤氮素供应特点

5．1 材料方法

5．1．1 试验材料

5．1．2 试验设计

5．1．3 样品的采集与测定

5．1．4 土壤氮素矿化有关计算方法

5．1．5 数据分析

5．2 结果分析

5．2．1 轮作模式和氮肥用量对土壤无机氮动态变化影响

5．2．2 轮作模式和氮肥用量对油菜季土壤氮素净矿化量影响

5．2．3 轮作模式下油菜生长季土壤氮素总转化速率

5．2．4 不同轮作模式下氮肥用量对油菜干物质积累影响

5．2．5 不同轮作模式下氮肥用量对油菜氮素积累影响

5．3 讨论

5．3．1 轮作模式对冬油菜的干物质积累和氮素吸收影响

5．3．2 轮作模式对油菜季土壤氮素供应影响

5．4 小结

6 稻油和棉油轮作模式下油菜季土壤有机质组分差异及其对土壤氮素矿化影响

6．1 材料方法

6．1．1 样品的采集

6．1．2 试验方法

6．1．3 测试方法

6．1．4 数据分析

6．2 结果与分析

6．2．1 轮作模式对土壤有机质和全氮含量的影响

6．2．2 轮作模式对土壤有机质组分的影响

6．2．3 轮作模式对土壤土壤有机碳、氮矿化影响

6．2．4 去除颗粒态有机质对土壤氮矿化潜势影响

6．2．5 去除颗粒态有机物对土壤微生物量影响

6．3 讨论

6．3．1 轮作模式对土壤有机质组分的影响

6．3．2 活性有机质组分对土壤有机氮矿化影响

6．4 小结

7 有机残落物对土壤有机质组分和氮素矿化影响

7．1 材料和方法

7．1．1 有机物料的采集

7．1．2 试验方法

7．1．3 分析方法

7．1．4 数据分析

7．2 结果与分析

7．2．1 作物残茬对土壤有机质及其组分影响

7．2．2 作物残茬对土壤有机碳矿化影响

7．2．3 作物残茬对土壤有机氮矿化影响

7．2．4 作物残茬对土壤微生物量影响

7．3 讨论

7．4 小结

8 水分和有机质相互作用对土壤氮素转化影响

8．1 材料和方法

8．1．1 土壤样品

8．1．2 试验方法

8．1．3 分析方法

8．1．4 数据分析

8．2 结果与分析

8．2．1 有机质组分和水分对土壤有机氮矿化影响

8．2．2 有机质组分和水分对土壤有机氮转化速率影响

8．2．3 有机质组分和水分对土壤微生物量影响

8．3 讨论

8．4 小结

9 主要结论与展望

9．1 主要结论

9．2 创新点

9．3 展望

参考文献

博士期间发表的论文

专利

致谢