紫花苜蓿绿肥对南方水稻生长和稻田生态系统碳、氮、磷积累和转运的影响

摘要

紫花苜蓿（Medicago sativaL.）产量高、再生性强，是一种优良的豆科牧草资源，营养十分丰富，有“牧草之王”的称誉，同时由于紫花苜蓿茎叶富含氮和磷，又是优良的绿肥植物资源，但是有关紫花苜蓿作为绿肥在我国南方稻田中的应用鲜有报道。本研究选择长江中下游常用的绿肥作物—蚕豆（Vicia fabaL.）为对照，研究紫花苜蓿绿肥对水稻（Oryza sativaL.）生长和稻田生态系统C、N、P的影响。试验设置二个氮肥水平（0和200 kg N ha-1），二种绿肥（紫花苜蓿和蚕豆），采用裂区试验设计，以绿肥作为主区，氮肥作为副区，采用单施或是组合施用，共六个处理：
　　1）不施用氮肥，不添加绿肥（对照）；
　　2）仅添加紫花苜蓿绿肥，用量为3000 kg DM ha-1（苜蓿绿肥处理）；
　　3）仅添加蚕豆绿肥，用量为3000 kg DM ha-1（蚕豆绿肥处理）；
　　4）只施用200 kg N ha-1,氮肥（氮肥处理）；
　　5）紫花苜蓿绿肥（3000 kg DM ha-1）和氮肥（200 kg N ha-1）组合处理（苜蓿绿肥+N肥处理）；
　　6）蚕豆绿肥（3000 kg DM ha-1）和氮肥（200 kg N ha-1）组合处理（蚕豆绿肥+N肥处理），试验历时五年（2010-2014年），主要结果如下：
　　1.紫花苜蓿绿肥比蚕豆绿肥能够更有效地提高水稻的籽实产量，并且，紫花苜蓿绿肥单独处理的水稻籽实产量接近 N肥处理，二者之间无显著差异，节肥潜力巨大。在全部试验处理中，紫花苜蓿绿肥+N肥处理的增产效果最显著，与N肥处理相比，紫花苜蓿绿肥+N肥处理的水稻籽实产量平均增幅达到8.21%-13.38%。
　　2.紫花苜蓿绿肥比蚕豆绿肥能更有效地提高水稻籽实和叶片的N、P含量，以及土壤总氮和速效磷含量（p<0.05）；紫花苜蓿绿肥处理的水稻籽实产量与 N肥处理之间无显著差异，但籽实磷含量、叶片磷含量和土壤速效磷含量显著提高（p<0.05）。通径分析表明，孕穗期和灌浆期的叶片P含量对籽实增产具有显著的直接效应，同时间接效应也非常明显，通过叶片N含量间接促进籽实产量，因此，紫花苜蓿绿肥通过增加叶片P的积累和转运而促进叶片N的增产效果，从而，缓减稻田磷缺乏对水稻生长的限制作用。
　　3.与蚕豆绿肥和氮肥处理相比，紫花苜蓿绿肥更有效地提高了土壤中可利用磷（NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和NaHCO3-Po）含量和主要酶的活性（脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酯酶和β-葡萄糖甘酶），提高了水稻对磷的吸收和利用效率。土壤中NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和NaHCO3-Po分级磷含量与籽实产量显著正相关，对水稻籽实产量的直接效应分析和间接效应分析均十分显著，对水稻籽实产量产生显著的影响。结合氮肥使用进一步促进了紫花苜蓿绿肥对水稻增产的直接效应和间接效应，籽实产量在全部处理中最高，与此同时，脲酶、酸性磷酸酯酶和β-葡萄糖甘酶的活性，以及磷的吸收效率均达到最高。
　　4.与氮肥处理相比，CH4排放量在蚕豆绿肥+N肥和紫花苜蓿绿肥+N肥处理下分别平均增加了50.77%和36.11%，N2O增加了30.70%和75.04%，蚕豆绿肥+N肥处理下的CH4排放量最大，而N2O在紫花苜蓿绿肥+N肥处理下排放量最大。由于2013年土壤温度比2012年平均提高2.1℃，导致2013年水稻生态系统CO2、CH4和N2O的排放量均显著高于2012年，但是二个绿肥+N肥处理的CH4和N2O排放量在2013年增加的幅度比氮肥和对照处理的增幅低，并且Q10值在紫花苜蓿绿肥+N肥处理下最小。蚕豆绿肥+N肥处理的净全球变暖潜力（net global warming potential，NGWP）和温室气体排放强度（greenhouse gas intensity，GHGI）最高，而紫花苜蓿绿肥+N肥处理的净系统碳收支（net ecosystem carbon budget，NECB）以及土壤碳储量最高，紫花苜蓿绿肥明显提高了稻田生态系统的碳汇功能，即使在2013年极端高温年，氮肥和对照处理稻田变成碳源的情况下，紫花苜蓿绿肥+氮肥处理仍然维持了良好碳汇功能。
　　5.通过对DNDC模型本地化调整，评估紫花苜蓿绿肥对水稻产量和温室气体排放的影响，结果表明，水稻产量和甲烷排放模拟值与实测值基本吻合，其中，DNDC模型对产量的模拟值十分准确，与实测值之间的决定系数（R2）为0.89，相对平均误（RMD）为-0.8%。模拟预测结果表明，在减少1/2氮肥用量的情况下，紫花苜蓿绿肥处理的水稻籽实产量仍可达到氮肥处理水平。稻田生态系统CH4和N2O排放对温度、CO2浓度、土壤有机碳和土壤粘粒等非常敏感，其中，大气温度、CO2浓度和土壤有机碳与CH4和N2O的排放量呈显著的正相关关系，而土壤粘粒与CH4排放量呈显著的负相关关系。
　　综上所述，稻田磷缺乏是限制水稻生长的一个重要因子。紫花苜蓿的C/N和C/P比均比较低，作为绿肥能够增加土壤有机磷投入、促进土壤中稳定态磷转化为活性磷，增加土壤可利用磷含量，提高氮肥的利用效率，从而，提高水稻产量。土壤可利用磷的提高与土壤酶（包括脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酯酶和β-葡萄糖甘酶）活性密切相关，土壤酶通过土壤可利用磷直接或间接作用于水稻产量。CH4是稻田系统排放的主要温室气体，紫花苜蓿绿肥处理的CH4排放量、NGWP和GHGI均低于蚕豆绿肥，因而，有效增加了NECB，维持了水稻生态系统的碳汇功能。

目录

缩略词表

第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外研究进展

1.3研究内容与技术路线

第二章 紫花苜蓿绿肥对水稻生长和稻田生态系统氮积累和转运的影响

2.1引言

2.2材料和方法

2.3结果与分析

2.4讨论

2.5小结

第三章 紫花苜蓿绿肥对稻田生态系统磷有效性的影响

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果与分析

3.4讨论

3.5小结

第四章 紫花苜蓿绿肥对稻田生态系统碳收支的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果与分析

4.4讨论

4.5小结

第五章 DNDC模型模拟分析紫花苜蓿绿肥对水稻产量和温室气体排放的影响

5.1引言

5.2材料与方法

5.3结果与分析

5.4讨论

5.5小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3应用价值及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的科研论文及其它

发表科研论文

致谢

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