紫云英种植及与稻草协同利用的减肥效应和紫云英固氮调控机制

发布时间：2020-07-31 15:05

【摘要】：“水稻(Oryza sativa L.)-豆科绿肥”轮作体系绿肥生态服务功能的发挥,对我国稻田减肥增效和地力提升等至关重要。本研究以“水稻-紫云英(Astragalus sinicus L.)”轮作为研究对象,利用定位试验评估了稻田种植翻压紫云英及其与稻草联合还田的化肥减施效应;结合~(15)N自然丰度法,研究了不同有机物料投入与化肥配施对紫云英生物固氮的调控作用;采用高通量测序和定量PCR技术对固氮功能基因(nifH)进行测定,探索了紫云英盛花期土壤固氮微生物群落特征及其对外源碳、氮投入的响应规律。主要结果如下:(1)种植翻压紫云英基础上水稻减肥效应因种植体系而异。与“水稻-冬休闲”常规全量施肥(F_(100))相比,在种植翻压紫云英基础上,早稻减肥20%~40%可保证水稻稳产增产及氮磷钾养分吸收,晚稻减肥不宜超过20%。减肥20%或40%条件下,早稻产量随紫云英翻压量增加而增加,且以翻压30.0~37.5 t ha~(-1)鲜草最佳;晚稻较F_(100)有不同程度减产。(2)紫云英(Mv)与稻草(Rs)联合还田有利于水稻稳产增产和土壤肥力维持。二者联合还田并减肥20%(常规还田F_(80)RsMv或晚稻高留茬还田F_(80)RhMv),双季稻能够稳产(后者晚稻降低5%除外),但单独还田并减肥时,早稻F_(80)Rs和晚稻F_(80)Mv处理较F_(100)分别减产5.5%和5.1%。F_(80)RsMv早稻和晚稻成熟期吸氮量较F_(100)明显增加了8%~14%和30%~53%。F_(80)RhMv较F_(80)RsMv水稻产量及氮和钾吸收量有所降低,但二者氮磷钾肥料利用率较F_(100)分别提高了0.6~1.7、8.0~11.6、4.4~6.4个百分点。同时,Mv与Rs联合还田有利于维持土壤有机质、全氮、有效氮含量。(3)外源有机物料投入及其与化肥配施明显影响紫云英生物固氮。各处理紫云英盛花期鲜草产量为9.0~24.8 t ha~(-1),体内氮素59%~85%来源于生物固氮,固氮总量为24~55 kg ha~(-1)。稻草常规还田(FRs)和高留茬(FRh)处理生物固氮比例为59%~68%,明显低于对照(85%),但FRh处理固氮总量较高。添加稻草后增施氮肥处理生物固氮比例和固氮量均降低,但添加葡萄糖处理后不同氮水平之间差异较小,表明紫云英生物固氮对施氮的响应因碳源有效性不同而异。(4)种植翻压紫云英基础上,水稻秸秆还田和化肥施用能够改善紫云英季土壤固氮微生物群落丰度和结构。秸秆单独还田降低了固氮微生物nifH基因拷贝数和优势功能菌属的相对丰度,但与化肥配施后,nifH基因拷贝数、固氮微生物多样性和主要功能菌属相对丰度都能处于较高水平。(5)土壤固氮微生物对不同碳源(稻草Rs、葡萄糖Glc)投入的响应存在明显差异。两种土壤(pH=5.93和7.92)上添加Rs后增加氮素供应较Rs单独处理明显降低紫云英盛花期土壤nifH基因拷贝数,而等C量添加Glc后氮素供应影响较小,但α-多样性显著降低;土壤固氮微生物群落结构因碳源不同而异,受供氮影响不大,表明氮素供应对土壤固氮微生物群落结构的影响受碳源有效性调控。添加Glc处理慢生根瘤菌相对丰度(16.0%~25.9%)较添加Rs处理(19.5%~38.2%)有所降低,但第二优势菌属(地杆菌属)相对丰度显著增加(12.8%~23.7%vs.4.1%~8.7%)。此外,酸性土壤上固氮微生物多样性及群落结构对Rs、Glc和氮素添加的响应弱于碱性土壤。综上,本研究表明优化水稻生产中紫云英种植、稻草还田及化肥联合利用方式,是维持土壤固氮微生物生态平衡,促进紫云英生物固氮,进而实现稻田化肥减施增效和绿色发展的重要措施。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S541.3;S511
【图文】：

图 1-1 水稻-绿肥长期轮作对体系内相关生态过程的影响（Zhang et al., 2017）Fig. 1-1 Impacts of long-term green manure on ecosystem processes in the rice production (Zhang et al., 2017)1.2 稻田绿肥利用现状1.2.1 种植翻压豆科绿肥的培肥增产效果和生态环境效益

图 1-2 豆科与主作物轮作体系的生产效益 (Preissel et al., 2015)Fig. 1-2 Pre-crop benefits of grain legumes to cropping systems (Preissel et al., 2015)将豆科绿肥引入粮食生产体系，是实现农业可持续发展的重要途径之一，受到广泛oples et al., 1995; Crews and Peoples, 2004; Peoples et al., 2009; Voisin et al., 2014)。随着我国

研究思路及技术路线图

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本文编号：2776633