免耕下黑土氮素转化及玉米吸收利用的研究

发布时间：2020-03-23 06:53

【摘要】：保护性耕作是我国东北地区大力推广的耕作方式,具有良好的经济效益和环境效益。本研究以保护性耕作试验田黑土为研究对象,采用田间微区试验、室内分析、同位素示踪等方法,明晰土壤氮转化影响因素(土壤理化性质、氮转化功能微生物、氮转化速率)对免耕的响应,探讨肥料氮在土壤-植物中的分配、利用和损失,为合理施肥、提高产量、减少环境污染,优化黑土土壤管理及农业可持续发展提供理论依据。研究结果表明:(1)土壤氮库含量的变化与耕作措施密切相关,与秋翻(MP)相比,长期免耕(NT)显著提高了土壤表层的全氮、颗粒性有机氮(PON)、微生物氮(MBN)和水溶性有机氮(WSON)含量。对于酸解有机氮组分,免耕显著增加了0-10 cm酸解总氮、酸解铵态氮、酸解氨基糖态氮和酸解氨基酸态氮含量,增加了0-5 cm酸解未知态氮含量。对于土壤无机氮,免耕下0-5 cm和5-10 cm的硝态氮含量显著高于秋翻,铵态氮含量是0-5cm显著高于常规耕作。总之免耕增加了土壤表层(0-10 cm)全氮、活性氮、硝态氮和有机氮组分含量,有利于提高土壤氮素供应能力。(2)在长期实施免耕后,土壤理化性质发生明显不同的变化。免耕降低了土壤地温,增加了土壤水分。免耕与秋翻相比增大了耕层0-20 cm的土壤容重,增加了表层土壤硬度,免耕减小了土壤总孔隙度。免耕较秋翻增加了表层土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾的含量。土壤全氮含量与土壤土壤温度、含水量、容重、硬度呈负相关。土壤全氮含量与孔隙度、有机碳、碱解氮、速效磷含量呈显著正相关。土壤全氮含量与速效钾含量无相关性。(3)采用16S rDNA高通量测序技术16S rRNA高通量测序、Real-time PCR技术研究免耕对黑土微生物群落及氮转化功能微生物的影响,结果表明耕作只是影响了土壤微生物群落丰富度和功能多样性,对群落结构没有影响。免耕增加了土壤的微生物群落多样性,参与氮循环的菌属相对丰度较高一些。免耕下土壤氮转化功能微生物中的固氮菌(nifH)、氨氧化菌(AOB)、古细菌(AOA)相对丰度都显著高于秋翻,秋翻下土壤的反硝化菌(nosZ)的相对丰度显著高于免耕。土壤含水量、pH、有机质、全氮、FAD水解酶是影响氮转化微生物的主要土壤性状。(4)长期免耕使农田黑土的氮转化速率发生了显著变化。免耕提高了易分解有机氮矿化速率(M_(Nlab))占总矿化速率的比值,并使土壤的总矿化速率发生了明显分层。由于较小的微生物同化速率,免耕土壤的净矿化速率显著大于常规耕作。免耕促进了0-5 cm土壤的自养硝化过程的发生,但也抑制了所有土层的异养硝化过程。长期免耕土壤可以为玉米生长提供了更多的有效氮。相关分析显示土壤的总矿化速率与有机碳含量、全氮之间有显著的正相关关系。土壤的自养硝化速率与总矿化速率、有机碳含量、全氮呈显著的正相关关系。(5)采用~(15)N示踪技术研究免耕和秋翻下的肥料利用率,结果表明:免耕和秋翻下土壤0-5 cm残留~(15)N肥料氮的量差异显著,表现为免耕小于秋翻,其余土层差异不显著。免耕和秋翻下土壤颗粒有机氮中和轻组有机氮中肥料氮量差异显著,表现为免耕显著大于秋翻。除了5-10 cm土层,秋翻各土层重组有机氮中肥料氮的含量显著大于免耕。免耕下的产量、吸氮量、吸收肥料~(15)N的量、对肥料的利用率显著大于秋翻,免耕和秋翻下~(15)N标记氮肥在植株各器官中的分布规律相同,都是籽粒叶鞘茎苞叶穗,籽粒优先分配。(6)采用静态箱-气相色谱法对免耕和秋翻下的N_2O进行采集,结果表明,秋翻下土壤N_2O的平均排放量、累计排放量都显著大于免耕。秋翻下土壤肥料~(15)N-N_2O的平均排放量、累计排放量也显著大于免耕。平均有0.1%-0.16%的肥料氮以N_2O形式损失掉。
【图文】：

氮循环

12.5%左右(谢瑞芝等，2007)。张萌等通过 10 年保护性耕作下的玉米连作研究表明，免耕秸秆还田的玉米产量较传统耕作增产 1012.5 kg hm-2,增产率为 17.6%（张萌等，2013）。基于河南省 6 年田间定位实验，丁晋利等研究发现，在免耕条件下，冬小麦产量显著增加，尤其在干旱年份增产更明显(丁晋利等，2018)；吴金芝、张丽华也得到相同结论（吴金芝等，2001；张丽华等，2008）。1.3.2 土壤氮素转化过程氮循环(Nitrogen Cycle)是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环（图 1-1）。氮循环是全球生物地球化学循环的重要组成部分。氮循环是指氮在自然界中的循环转化过程，是生物圈内基本的物质循环之一，如大气中的氮经微生物等作用而进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中，如此反复循环，以至无穷。

示意图,示意图,有机态氮,有机氮矿化

形态氮素之间互的相转化，对于有效氮的供应强度和容量有重要意义（Luxhci etal., 2006）。土壤中的有机态氮是很复杂的有机化合物，，必须要经过各种矿化过程，转变为为易溶的形态，才能被植物吸收利用，有机态氮的矿化量和矿化速率就成为决定土壤供氮能力的非常重要的因素（Ilungate et al., 2003）。土壤中氮素的迁移转化过程主要包括土壤中铵的吸附、氨挥发、矿物固定、氮的淋溶与径流、有机氮矿化、无机氮的微生物固持、硝化、反硝化等。其中有机氮矿化、硝化和氨化作用均是土壤中氮素转化最为关键的过程（Luo et al., 2004）（图 1-1）。有机氮的矿化作用是有机态氮如蛋白质、核酸、氨基糖等在微生物酶的作用下,水解为氨基酸,再分解为氨,也称为氨化作用。多种微生物参与了有机氮的矿化，如细菌、真菌、放线菌等。土壤氮素的矿化过程受许多因素的影响，如土壤性质、水热条件和植物生长等。硝化作用是土壤铵态氮在亚硝化和硝化细菌的作用下转化为硝态氮的过程。参与转化过程中的微生物受土壤、水分、温度以及通气条件的影响。反硝化作用是在厌气的条件下,反硝化细菌首先将 NO3-还原为 NO2-,再继续还原成 N2O 或 N2等气体，反硝化作用不仅使土壤氮素受到损失,而且产生氮氧化物还可能对大气的臭氧层产生破坏作用（白军红等，2005）。
【学位授予单位】：吉林农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S513;S153

【参考文献】