填闲作物紫云英对稻田氮素形态变化及其生产力的影响机理

摘要

氮素形态转化与循环过程是元素生物地球化学过程中的重要一环。水稻（OryzasativaL.）是我国主要种植的三大粮食作物之一。氮素是水稻等作物生长发育以及形成一定产量的首要限制性因素。自改革开放以来，我国长期不合理施用化肥尤其是氮肥，至上世纪90年代末，无论是氮肥施用总量还是施用强度均已位居世界前列，而有机物料投入用量则骤然下降。随着时间的推移，由于长期过量且不合理施用氮肥，不仅其当季利用率比较低，大量硝态氮累积于土壤中而产生下渗淋溶损失、NH3挥发和硝化反硝化脱氮(NOx)等途径损失进入土壤、水体和大气等环境中而引发一系列环境问题，而且氮肥的增产效益逐年下降。种植和利用冬季填闲作物是我国传统农业的精华和重要组成部分，其鲜草还田经土壤微生物腐解释放出来的氮素同样可被水稻作物吸收利用，还可能影响了土壤氮库中各形态氮素分布、转化及其归趋等一系列生物地球化学过程，从而影响氮素生物有效性以及稻田生产力的可持续性。以往关于填闲作物的多研究集中于旱地土壤或者更关注于其在培肥改土、供应下茬作物养分等方面的作用，而关于填闲作物对淹水稻田系统土壤供氮能力和水稻生产力持续变化以及氮素形态转化的作用等方面的机制尚不清楚。因此，本文拟采用紫云英(Astragalus sinicusL.)为模式填闲作物，通过大田长期定位试验、室内盆栽和15N示踪（交叉标记）微区试验相结合的方法，探讨填闲作物对氮素形态转化、硝化反硝化等过程以及稻田供氮能力及其生产力持续演化过程的影响机理，研究结果将对外源物质投入相对较少的南方水稻种植体系中合理利用填闲作物，提高稻田土壤中氮素贮藏和循环能力和利用率，减少稻田氮素损失及其环境风险，维持稻田系统生产力与可持续性具有十分重要的意义。主要结论如下:
　　1.采用室内土壤盆栽试验研究了尿素配施紫云英对单季稻田系统氮素气态损失的影响。结果表明，单季稻田氮素的NH3挥发损失率超过20％，而N2O损失率则小于1％。与尿素单施相比，尿素配施紫云英显著降低表面水中铵态氮含量和分蘖期土壤中羟胺还原酶活性以及各生育期土壤中硝化反硝化细菌数量与硝酸和亚硝酸还原酶活性，从而分别显著降低单季稻田NH3挥发量和N2O排放量14.6％和45.2％，进而分别降低N2O的增温潜势和温室气体强度45.2％和46.8％。
　　2.与尿素单施相比，尿素配施紫云英显著增加水稻各生育期土壤中固定态铵、土壤微生物量碳与氮含量以及铵态氮和非酸解氮(NAHN)含量，却降低硝态氮含量;增加氨基酸态氮(AAN)、氨基糖态氮(ASN)和酸解氨态氮(AHAN)含量，而降低酸解未知态氮（AHUN）含量，从而分别增加无机氮、酸解氮（AHN）和总氮含量5.13％-24.2％、3.44％-8.36％和9.17％-10.9％，新增加的AHN中以AAN和AHAN为主。
　　3.与尿素单施相比，尿素配施紫云英分别显著增加土壤中细菌、放线菌、真菌、固氮菌数量和脲酶、蛋白酶、蔗糖酶活性14.5％-36.6％和15.3％-31.1％，但分别显著降低土壤中氨氧化细菌(AOB)数量和氨氧化古菌基因(AOA amoA)丰度24.6％和66.4％;显著降低15NU对分蘖期土壤中ASN、AHUN、AHAN和NAHN及其对成熟期土壤中AAN和ASN的贡献率，却显著增加其对成熟期土壤中AHUN、NAHN和固定态铵的贡献率。通径分析结果则表明，AHAN是土壤中15NU的暂时累积库，而NAHN则是稳定的储存库。
　　4.与尿素单施相比，尿素配施紫云英促进水稻各生育期对15NU的吸收累积及其在实籽粒中的分配量，降低其对土壤氮（NSoll）的吸收累积以及15NU在秕谷中的分配量，从而显著提高15NU利用率46.1％-83.0％，降低水稻对土壤氮素的依存率14.0％，改善产量各构成要素（每穗实粒数、结实率和千粒重），从而增加籽粒产量3.02％。
　　5.水稻收获后，种植填闲作物紫云英分别显著增加盛花期土壤总氮、固定态铵、土壤微生物量氮和铵态氮含量，降低硝态氮含量;增加盛花期土壤中AAN、ASN和AHAN含量，降低AHUN含量，最终分别平均增加酸解氮和非酸解氮含量13.0％和15.9％，另外，种植填闲作物紫云英还显著增加残留15NU对盛花期土壤中铵态氮、AAN、ASN和AHAN的贡献率6.31％-22.3％，而分别降低其对土壤总氮、硝态氮、固定态铵和AHUN、AHN、NAHN的贡献率8.28％-85.7％和6.37％-33.2％。
　　6.在大田条件下，研究了紫云英和尿素不同配比（紫云英氮分别替代20％-80％尿素氮）对双季稻田系统土壤供氮能力及其生产力可持续演变过程的影响。结果表明，不施肥或者尿素单施均不利于稻田系统生产力的可持续性发展。N80M20或N60M40处理条件下，耕层土壤有机质和总氮含量以及早稻、晚稻籽粒和秸秆及其周年产量均随时间的推移呈增加趋势，而N100、 N40M60或N20M80处理早稻、晚稻籽粒和秸秆及其周年产量变化趋势则相反。与N100相比，N80M20或N60M40处理显著提高耕层土壤有机质、总氮、铵态氮含量和无机氮总量，促进水稻地上部对氮素的吸收累积，提高水稻籽粒和秸秆周年产量及其可持续指数以及氮素农学利用率和偏生产力，而N40M60或N20M80处理则均表现为显著降低趋势。另外，紫云英替代尿素均显著降低耕层土壤硝态氮含量。

目录

论文说明

声明

摘要

缩略表(Abrreviation)

1 文献综述

1．1 中国水稻种植和氮素资源的利用现状

1．1．1 中国水稻种植区域分布

1．1．2 无机(氮)肥的利用现状

1．1．3 有机(氮)肥的利用现状

1．2 稻田氮素的去向及其环境响应

1．2．1 NH3挥发损失

1．2．2 硝化反硝化脱氮损失

1．2．3 淋溶和径流损失

1．2．4 氮素在土壤中的固持

1．2．5 氮素的植物输出

1．3 填闲作物及其生态功能

1．4 研究目的与意义以及立项背景

1．5 研究内容与技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

2 材料与方法

2．1 大田长期定位试验

2．1．1 试验地基本情况

2．1．2 试验设计

2．2 室内盆栽和15N微区试验

2．2．1 培育紫云英和水稻秧苗

2．2．2 试验设计

2．3 样品采集与测试方法

2．3．1 土壤样品的采集

2．3．2 土壤样品的测定

2．3．3 植株样品的采集与测定

2．3．4 N2O样品原位收集与测定

2．3．5 NH3挥发气体样品原位收集与测定

2．3．6 田面水样品的采集与测定

2．3．7 测定15N丰度

2．4 计算公式

2．4．1 N2O排放相关的计算公式

2．4．2 土壤NH3挥发相关的计算公式

2．4．3 氮素利用率的计算公式

2．4．4 氨氧化古园基凼AOA amoA拷贝数与DNA浓度的秧算公式

2．4．5 其他计算公式

2．5 数据统计分析

3 填闲作物紫云英还田对氨挥发损失的影响

3．1 前言

3．2 结果与分析

3．2．1 NH3挥发速率

3．2．2 NH3挥发累积量和挥发系数

3．2．3 表面水pH值动态特征及其对NH3挥发速率的影响

3．2．4 表面水中铵态氮含量动态特征及其对NH3挥发速率的影响

3．2．5 土壤中羟胺还原酶活性及其与NH3累积挥发量的相关性分析

3．3 讨论

3．4 结论

4 填闲作物紫云英还田对N2O排放的影响

4．1 前言

4．2 结果与分析

4．2．1 N2O排放通量

4．2．2 N2O累积排放总量和排放系数

4．2．3 N2O增温潜势(GWP)及其温室气体强度(GHGI)分析

4．2．4 硝化反硝化微生物群落数量

4．2．5 硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性

4．3 讨论

4．4 结论

5 填闲作物紫云英还田对土壤无机氮形态转化的动态影响

5．1 前言

5．2 结果与分析

5．2．1 土壤总氮和无机氮总含量动态特征

5．2．2 土壤NO3-和NH4+含量的动态特征

5．2．3 外源氮素对土壤总氮、NO3-和NH4+的贡献率

5．2．4 土壤中氨氧化细菌(AOB)群落结构及其数量的动态变化特征

5．2．5 水稻各生育期土壤中氨氧化古菌基因(AOA amoA)qPCR扩增

5．2．6 土壤中氨氧化古菌基因(AOA amoA)丰度动态特征

5．3 讨论

5．4 结论

6 填闲作物紫云英还田对土壤有机氮形态转化的动态影响

6．1 前言

6．2 结果与分析

6．2．1 酸解氮和非酸解氮占总氮比例的动态特征

6．2．2 各形态有机氮含量的动态特征

6．2．3 外源氦素对各形态有机氮的贡献率

6．2．4 紫云英还田对土壤微生物群落组成及其数量的影响

6．2．5 残留15NU在土壤有机氮各组份中的转化及其相互关系

6．3 讨论

6．4 结论

7 填闲作物紫云英还田对氮素生物和非生物固定的动态影响

7．1 前言

7．2 结果与分析

7．2．1 固定态铵含量动态特征

7．2．2 外源氮素的土壤矿物晶格固定率

7．2．3 土壤微生物生物量碳和氮含量的动态特征

7．3 讨论

7．4 结论

8 填闲作物紫云英还田对水稻氮素吸收利用及其产量的影响

8．1 前言

8．2 结果与分析

8．2．1 水稻产量及其构成

8．2．2 水稻千物质和氮素累积量

8．2．3 水稻各生育期氮素来源

8．2．4 不同来源氮素在成熟期水稻地上部中的分配

8．2．5 水稻植株对外源氮的利用率

8．2．6 土壤中酶活性的变化特征

8．3 讨论

8．4 结论

9 种植填闲作物紫云英对土壤残留氮吸收利用及其形态转化与归趋的影响

9．1 前言

9．2 结果与分析

9．2．1 种植紫云英对土壤残留氮输出的影响

9．2．2 种植紫云英对土壤无机氮库形态转化的影响

9．2．3 种植紫云英对土壤有机氮库形态转化的影响

9．2．4 种植紫云英对土壤氮素生物和非生物固定的影响

9．3 讨论

9．4 结论

10 填闲作物紫云英还田对土壤供氮能力及其生产力的影响

10．1 前言

10．2 结果分析

10．2．1 紫云英替代尿素对稻田生产力的影响

10．2．2 紫云英替代尿素对土壤化学性质的长期影响

10．2．3 紫云英替代尿素对水稻地上部氮素累积量的长期影响

10．3 讨论

10．4 结论

11 全文结论与展望

11．1 本研究主要结论

11．2 本研究特色与创新点

11．3 研究不足之处和展望

参考文献

攻读博士学位期间科学研究情况

致谢