稻田生态种养模式氮素转化规律的研究

摘要

氮(N)是作物生长必需的营养元素，然而过量的N肥施用不仅带来肥效的降低，而且导致一系列不良的环境反应，研究稻田N素的转化及动态规律，对提高N的有效利用及其降低N的环境危害具有重要意义。本研究通过野外采样、室内分析测定、室内培养试验和田间小区实验，利用静态箱技术、自制测渗计技术和密闭式酸吸收法等手段，对稻鸭和稻鱼共作生态系统稻田N的矿物固定与固定态铵的释放；稻田土壤可溶性有机N的生态学效应；田面水N库与土壤N库相互转化；作物生长与N素转化的联系及其系统N素损失进行了较为系统的研究。主要研究结果如下： 1、相对于常规稻作，由于鸭和鱼的存在，稻鸭、稻鱼共作降低了土壤pH，显著提高了0.02-1mm的砂粒和细砂粒含量，显著降低了<0.002mm粘粒的含量，使得稻田土壤水稳性团聚体数量增加，土壤团聚化程度加强，因此改善了土壤质地。稻鸭、稻鱼共作提高了土壤全N、全P含量，增幅分别为4％～7％和4％～13％，显著地增加了土壤NH4+、速效P含量，而对土壤NO3-影响不大。 2、土壤固定态铵受鸭、鱼活动，施肥和水稻生长多种因素影响。施肥促进土壤对铵的固定，土壤固定态铵含量随着土壤交换性NH4+和pH增加而增加；相对于常规稻作，鸭和鱼的存在显著地提高了土壤固定态铵含量，其增幅为4％～5％；土壤固定态铵含量与>0.2mm的砂粒含量和<0.002mm的粘粒含量成极显著或显著相关；水稻吸N量与土壤固定态铵呈显著负相关，与土壤固定态铵的释放量呈显著正相关，水稻吸收促进土壤固定态铵的释放。因此，相对于常规稻作，稻鸭、稻鱼共作提高了土壤N含量和水稻吸N量，降低了土壤固定态铵的释放，为创造了一个对作物潜在有效的N库。 3、在水稻全生育期，土壤微生物量N表现为先升后降，并于成熟期有所回升；土壤脲酶、脱氢酶和蛋白酶活性表现为先升后降，过氧化氢酶活性变化不大。相对于常规稻作，由于鸭子和鱼的活动及其生活粪便作用，稻鸭、稻鱼共作显著提高了土壤微生物量N含量、土壤脲酶活性、脱氢酶活性和蛋白酶活性，其增幅分别为7％～8％、8％～13％、13％～17％和10％～14％。 相关分析表明，土壤微生物量N与土壤速效N、土壤全N、全P和水稻吸N量之间不相关，土壤脲酶和脱氢酶活性与土壤速效N负相关，土壤酶活性与土壤全N、全P不相关，土壤脲酶、脱氢酶和蛋白酶活性与水稻吸N量呈显著相关，土壤微生物量N与土壤酶活性不相关。 4、稻田土壤SON是水稻吸收、微生物吸收和N淋失的交互作用的综合反映。在水稻全生育期，土壤SON与土壤无机N呈显著正相关，与水稻吸N量呈显著负相关；而由于水稻对N的吸收和N的下渗淋失，土壤SON与土壤微生物量不相关。相对于常规稻作，由于鸭和鱼的存在，稻鸭、稻鱼共作生态系统土壤SON含量显著降低了7％～12％。DON是稻田渗漏水的主要N形态。相对于常规稻作，稻鸭、稻鱼共作减少了土壤SON的潜在淋失。 5、NH4+是田面水无机N素的主要形态；同时，相对于处理常规稻作，稻鸭稻鱼共作显著降低田面水pH，显著提高NH4+浓度，而TN浓度有所增加，而对NO3。无明显影响；稻鸭共作显著提高了DO浓度，而稻鱼共作显著降低了DO浓度。田面水中NH4+/TN在施肥后第3天达到最大，随后降低，而所有处理NH4+/TN的均值相当，表明稻鸭、稻鱼共作不会增加TN中NH4+的比重，因此不会提高氨N为形态的相对流失潜力。 渗漏水中NO3-是无机N淋失的主要形态；相对于处理常规，稻鸭、稻鱼共作渗漏水NO3-和TN浓度降低，而渗漏水NH4+无明显变化。稻鸭、稻鱼共作肥料N潜在淋失率分别为2.72％、2.58％，低于处理常规稻作(2.99％)，表明稻鸭、稻鱼共作可以减少施入N肥潜在的下渗淋失，同时稻鱼共作减少N肥淋失的效果好于稻鸭共作。 6、由于鸭子和鱼的存在，相对于常规稻作，稻鸭、稻鱼显著提高稻田田面水总P浓度、溶解P浓度和土壤速效P含量及水稻植株对P的吸收，而土壤全P有所增加。在水稻全生育期，稻鸭、稻鱼共作系统田面水总P浓度、溶解P浓度、土壤全P和速效P含量在施肥后达到最大值，此后随水稻的生长逐渐降低，表明施P肥后一周是控制稻田P流失的关键时期；同时，对P的环境效应分析表明，在稻鸭、稻鱼共作期间，要注意避免农田排水和防止因降雨引起的田面水外溢。此外，由于鸭子和鱼的活动提高了土壤有效养分含量，降低化肥的施用量，进而降低了化肥损失所造成的环境危害。 7、各处理N2O排放具有类似的变化模式；N2O排放峰值出现在施肥后2星期和稻田落干期。与常规稻作相比，由于鸭鱼的存在，稻鸭共作生态系统N2O释放量显著增加为8％～13％，稻鱼共作生态系统N2O释放量则显著减少了4％～5％。在稻田淹水期，N2O排放与温度变化不相关，与土壤有效N和pH相关；稻田排干后，N2O排放与温度变化、土壤有效N和pH不相关，表明在稻田淹水期，N2O排放受土壤氧化.还原层的硝化.反硝化作用影响，而在稻田落干期，N2O排放受土壤温度、水分含量和pH共同影响。稻鸭共作提高了系统N2O的增温效应，而稻鱼共作降低了系统N2O的增温效应。 8、尿素的施用促进NH3的挥发，尿素施用后一周NH3挥发量占总挥发量的79％～87％，说明了施肥后一周是控制NH3挥发的关键时期。对影响NH3挥发的因子分析表明，NH3通量与土壤pH、田面水pH、田面水NH4+浓度呈显著或极显著相关，与温度和土壤脲酶活性不相关。相对于常规稻作，由于鸭子和鱼的存在降低了田面水pH，稻鸭、稻鱼共作降低了稻田NH3挥发。因此，稻田养鸭养鱼能够降低N肥的损失率，进而提高N肥的利用率。 9、施肥和水稻吸N是影响N平衡最主要的因素，NH3挥发、降雨和灌溉水也是影响N平衡的重要因素，而N2O释放、N淋失和鸭和鱼N的输出对平N衡的贡献不大。与常规稻作不同，稻鸭和稻鱼共作N平衡为正，表明了鸭和鱼的存在加速了土壤有机养分的周转，显著地提高了水稻N的输出。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语表

声明

第一章绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究进展

1.2.1稻鱼生态种养模式

1.2.2稻鸭生态种养模式

1.2.3田面水N素

1.2.4土壤固定态铵

1.2.5土壤可溶性有机N

1.2.6土壤微生物量N

1.2.7土壤酶活性

1.2.8 N素损失

1.2.9土壤N矿化的研究

1.3研究思路及研究内容

1.3.1有待进一步研究的问题

1.3.2本研究的思路、内容及其技术路线

1.4项目来源

第二章稻鸭、稻鱼共作对土壤理化性质的影响

2.1引言

2.2材料与方法

2.2.1试验地点和土壤

2.2.2试验材料

2.2.3田间设置及管理

2.2.4田间取样及分析方法

2.3结果与分析

2.3.1土壤pH

2.3.2土壤NH4+

2.3.3土壤NO3-

2.3.4土壤全N

2.3.5土壤速效P

2.3.6土壤全P

2.3.7土壤质地

2.4讨论

2.4.1稻田土壤pH

2.4.2稻田土壤N变化

2.4.3稻田土壤P变化

2.4.4稻田土壤质地变化

2.5结论

第三章稻鸭、稻鱼共作对稻田土壤固定态铵的影响

3.1引言

3.2材料与方法

3.2.1试验地点和土壤

3.2.2试验材料

3.2.3田间设置及管理

3.2.4田间取样及分析方法

3.3结果与分析

3.3.1土温

3.3.2水稻吸N

3.3.2稻田土壤固定态铵动态及相关性分析

3.4讨论

3.4.1土壤温度对土壤固定态铵的影响

3.4.2土壤pH对土壤固定态铵的影响

3.4.3土壤粘粒

3.4.4稻田土壤固定态铵含量的动态变化及释放

3.4.5土壤固定态铵与水稻吸N的相关性

3.5结论

第四章稻鸭、稻鱼共作对土壤微生物量N和土壤酶活性的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1试验地点和土壤

4.2.2试验材料

4.2.3田间设置及管理

4.2.4田间取样及分析方法

4.3结果与分析

4.3.1土壤微生物量N

4.3.2土壤酶活性

4.3.3水稻吸N

4.3.4相关性分析

4.4讨论

4.4.1稻田土壤微生物量N动态及其与土壤养分、水稻吸N量的相关性

4.4.2稻田土壤酶活性动态及其与土壤养分、水稻吸N量的相关性

4.4.3稻田土壤微生物量N与土壤酶的相关性

4.5结论

第五章稻鸭、稻鱼共作对稻田土壤可溶性N的影响

5.1引言

5.2材料与方法

5.2.1试验地点和土壤

5.2.2试验材料

5.2.3田间设置及管理

5.2.4田间取样及分析方法

5.3结果与分析

5.3.1土壤无机N

5.3.2土壤可溶性有机N

5.3.3渗漏水不同形态N

5.3.4稻田土壤SON库

5.3.5土壤SON与水稻吸N量的相关性

5.3.6土壤SON与无机N的相关性

5.4 讨论

5.4.1稻田土壤SON动态变化

5.4.2土壤SON的淋失

5.4.3土壤SON与土壤微生物量N的相关性

5.5结论

第六章稻鸭、稻鱼共作生态系统田面水N素动态变化及淋溶损失研究

6.1引言

6.2材料与方法

6.2.1试验地点和土壤

6.2.2试验材料

6.2.3田间设置及管理

6.2.4田间取样及分析方法

6.3结果与分析

6.3.1田面水pH

6.3.2田面水DO

6.3.2田面水NH4+，NO3-，TN

6.3.3渗漏水NH4+，NO3-，TN

6.4讨论

6.4.1田面水pH和DO

6.4.2田面水N素

6.4.3铵态N/总N的变化

6.4.4渗漏水N素的变化

6.4.5 N的淋失量

6.5结论

第七章稻鸭、稻鱼共作对稻田磷素动态变化的影响

7.1引言

7.2材料与方法

7.2.1试验地点和土壤

7.2.2试验材料

7.2.3田间设置及管理

7.2.4田间取样及分析方法

7.3结果与分析

7.3.1田面水P

7.3.2土壤P

7.3.3植株P

7.3.4相关性

7.4讨论

7.4.1稻田田面水P素变化

7.4.2稻田土壤P素变化

7.4.3稻田田面水P素的潜在环境效应

7.4.4水稻植株吸P量变化及其与各形态P的相关性

7.5结论

第八章稻鸭、稻鱼共作生态系统氧化亚氮排放的研究

8.1引言

8.2材料与方法

8.2.1试验地点和土壤

8.2.2试验材料

8.2.3田间设置及管理

8.2.4 N2O采集及测定

8.2.5田间取样

8.2.6分析方法

8.3结果

8.3.1土壤温度

8.3.2田面水DO

8.3.3田面水pH

8.3.4土壤无机N

8.3.5稻田N2O

8.3.6 N2O释放量

8.3.7相关性分析

8.4讨论

8.4.1稻田N2O排放

8.4.2稻鸭和稻鱼共作生态系统N2O的增温效应

8.5结论

第九章稻鸭、稻鱼共作生态系统NH3挥发的研究

9.1引言

9.2材料与方法

9.2.1试验地点和土壤

9.2.2试验材料

9.2.3田间设置及管理

9.2.4 NH3采集及测定

9.2.5田间取样及分析方法

9.3结果与分析

9.3.1土壤和田面水pH

9.3.2田面水温度

9.3.3田面水NH4+

9.3.4稻田土壤脲酶

9.3.5稻田NH3挥发

9.3.6 NH3挥发量

9.3.7相关性分析

9.4讨论

9.4.1稻田NH3挥发

9.4.2稻田总的N损失量

9.5结论

第十章稻鸭、稻鱼共作生态系统N素平衡的研究

10.1引言

10.2材料与方法

10.2.1试验地点和土壤

10.2.2试验材料

10.2.3田间设置及管理

10.2.4 N2O采集及测定

10.2.5 NH3采集及测定

10.2.6 N淋失

10.2.7田间取样及分析方法

10.3结果与讨论

10.3.1降雨

10.3.2灌溉水

10.3.3土壤全N

10.3.4 N2O释放

10.3.5 NH3挥发

10.3.6 N淋失

10.3.7鸭和鱼的N输出

10.3.8水稻N输出

10.3.9产量

10.3.10水量平衡

10.3.11 N平衡

10.4结论

第十一章总结与讨论

11.1研究结果

11.1.1土壤常规养分

11.1.2土壤铵的固定与释放

11.1.3土壤微生物量N和土壤酶活性动态

11.1.4土壤可溶性有机N

11.1.5稻田田面水N素变化

11.1.6稻田P素变化

11.1.7稻田N2O释放

11.1.8稻田NH3挥发

11.2本研究创新点

11.2.1研究手段和方法有创新

11.2.2研究思路有创新

11.2.3研究结果有创新

11.3本研究的不足及改进设想

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢