保护性耕作对稻田土壤硝化作用与水稻氮吸收的影响

发布时间：2020-06-06 01:48

【摘要】：由于不合理的农艺措施,例如频繁翻耕与秸秆焚烧等,导致了土壤质量退化、环境污染和农田生态可持续性受到破坏,作物氮素利用率不高等问题。免耕和秸秆还田是保护性耕作的两大措施,对改善土壤质量提高N素利用率有一定积极效应。然而,当前保护性耕作对稻田土壤硝化作用和水稻氮素利用的影响机制尚不明确,因此,本试验于2011年通过设置,翻耕秸秆不还田(CTNS)、翻耕秸秆还田(CTS)、免耕秸秆不还田(NTNS)和免耕秸秆还田(NTS)4个处理,分析免耕和秸秆还田6年后了水稻不同生育期土壤理化因子、微生物量碳氮、硝化微生物、N_2O排放、硝化潜势、水稻根系氮代谢酶活性、水稻产量、氮素积累量等对不同保护性耕作的响应。主要试验结果如下:(1)耕作方式和秸秆还田对稻季土壤p H无显著影响,但显著影响水稻各生育期土壤铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)含量。与翻耕处理相比,免耕处理孕穗期、齐穗期和成熟期NH_4~+-N含量显著提高了25.2%~37.4%、13.0%~22.0%、12.2%~27.1%,NO_3~--N含量显著提高了14.5%~30.6%、15.8%~29.8%、9.9%~53.9%;与秸秆不还田处理,秸秆还田处理孕穗期、齐穗期和成熟期NH_4~+-N含量显著提高了10.1%~26.7%、17.0%~31.3%、18.7%~33.8%,NO_3~--N含量显著提高了15.5%~32.5%、25.8%~39.7%、35.4%~48.2%。耕作处理对微生物生物量碳(MBC)含量均无显著性影响,但秸秆还田处理土壤MBC含量显著高于秸秆不还田处理。耕作处理与秸秆还田均未影响土壤微生物生物量氮(MBN)含量。(2)耕作方式和秸秆还田显著影响硝化微生物氨氧化古菌(AOA)与氨氧化细菌(AOB)丰度。免耕处理较翻耕处理AOA和AOB丰度分别显著提高了4%~14%和9%~11%;与秸秆不还田处理相比,秸秆还田处理AOA和AOB丰度分别显著增加了14%~45%和21%~91%。耕作方式和秸秆还田显著影响硝化潜势。与免耕处理相比,翻耕处理平均硝化潜势提高了41%~78%;秸秆还田硝化潜势提高了31%~56%。(3)耕作方式与秸秆还田显著影响稻田N_2O排放。与翻耕处理相比,免耕处理2016和2017年N_2O累积排放量分别显著提高了12.5%~18.2%和21.1%~38.6%;与不还田处理相比,还田处理2016和2017年N_2O累积排放量分别显著提高了38.5%~45.5%和13.1%~29.5%。相关分析与多元回归分析表明,土壤微生物量碳、铵态氮含量、AOA和AOB丰度调控着土壤N_2O排放。(4)耕作方式显著影响分蘖期根系硝酸还原酶(NR)活性,秸秆还田显著影响分蘖期和成熟期各处理根系硝酸还原酶活性。耕作方式未影响水稻各生育时期根系谷氨酰胺合成酶(GS)活性;秸秆还田显著提高根系GS活性。(5)耕作方式对氮素累积和水稻产量没有显著影响,但秸秆还田显著影响着氮素累积和水稻产量。与不还田处理相比,秸秆还田处理氮素累积量和水稻产量分别提高了14.9%~38.3%和5.9%~19.1%。同时,耕作方式与秸秆还田对氮素累积量有显著的交互作用。(6)相关分析与多元回归分析表明,不同秸秆还田下NR活性、GS活性均与水稻产量、氮素积累总量呈显著相关;土壤无机氮含量、AOA丰度、土壤MBC含量、NR和GS酶活性与水稻氮素积累密切相关,表明土壤硝化作用和水稻N素吸收利用关系密切。因此,我们的研究表明,秸秆还田处理下土壤硝化微生物AOA主要通过调节土壤硝化作用,影响土壤无机氮供给,影响根系的生长;同时,根系NR和GS酶活性的提高有利根对无机氮吸收,进而将土壤无机氮吸收转入水稻植株体内,最终实现了水稻对N素吸收利用。
【图文】：

示意图,氮循环,土壤微生物,示意图

和 AOB 相对丰度及其功能特性对氨氧化速率的影响还没有统一的结果（Gubry-rangin et al 2011；He et al 2012）。研究表明，AOA 对底物 NH3的亲和力很高，其营养方式为异养型或者混合营养型，，可以在极端条件如底物不足或氧气含量较低时保持较高的活性，从而在硝化作用硝化作用占主导地位（Hallam et al 2006；Walker et al 2010）。有研究发现 AOA 在大多数酸性土壤的氨氧化作用的功能活性和丰度大于 AOB（Stopni ek et al 2010；Zhang et al 2012；Wang et al 2014），但也有些研究表明 AOB 在中性或碱性以及含氮较丰富的生态系统的功能活性和丰度大于 AOA（Jia and Conrad 2009；Di et al 2009；Verhamme et al 2011），甚至还有些研究发现试验土壤中只存在 AOA（Alves et al 2013）。这些矛盾的结论使得人们进一步加强了环境因素对 AOA 和 AOB 的可能影响、二者生态位差异及不同氨氧化微生物种群的系统发育功能特性的研究（Erguder et al 2009；Wessén et al 2010）。

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技术路线图
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511

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