不同轮作模式下土壤氮激发效应差异性特征及作用机理研究

Reasonable crop rotation is one of the important agronomic practices to improve the soil fertility and to alleviate nitrogen pollution due to excess use of fertilizer in rice paddy, and soil nitrogen priming effect (NPE) in crop rotation system is considered to be the key mechanism in regulating the soil nitrogen cycle and utilization during the soil nitrogen mineralization. However the study on the response of NPE characteristics to different rice-upland crops rotation is seldom reported, and the research on the interaction effect of rotation years and rotation types were even less. In current study, a 13-years long term field experiment has been established with different rice–upland crops rotation since 2003. The objections are to study the long term effect of different rice-upland crops rotation on (1) The soil nitrogen priming effects and their path ways; (2) The effect of types of straws retained on the NPE, and its influence factors; (3) the interactions effect of soil types, nitrogen levels, and root exudates on the soil NPE. The results will help to illustrate the NPE effect on soil nitrogen cycling and utilization under different rice-upland rotation system as well as its roles in nitrogen mineralization process, which will help to optimize the nitrogen management in rice-upland crops rotation system.

合理稻田轮作是稻田培肥，缓解施肥过量的重要措施，土壤氮激发效应是土壤养分释放、植物养分吸收过程中的关键机制，但是针对不同类型冬季作物秸秆还田模式下土壤的氮激发效应的差异性研究目前较少，而结合长期轮作的积累性研究则尚未见报道。本试验以13年长期水旱轮作试验为基础，从长期轮作土壤质地、不同类型秸秆还田和水稻根际分泌物差异三个方面，研究长期轮作下（1）代表不同轮作类型土壤的氮激发效应差异，及其氮激发途径差异；（2）不同类型秸秆还田下，土壤氮激发效应的差异性及其影响因子；不同轮作类型对土壤有机态氮组分含量的影响；（3）不同类型轮作中，水稻根系分泌、氮肥施用与土壤氮激发的互作机制。从而明确不同轮作模式下土壤氮激发效应差异性及其在氮素矿化过程中的作用，从而针对轮作类型优化水稻氮肥运筹，提高稻田氮肥高效利用。

土壤养分的释放特性对于实现水稻稳产高产条件下提高水稻资源（尤其是氮素）高效利用至关重要。在解析植物与环境养分互作机理的研究中，土壤激发作为一种动态土壤养分应激效应，可能是影响土壤养分释放、水稻养分吸收与高效利用的关键机制。本研究以不同轮作结合冬季秸秆还田的大田多年定位试验为基础，通过评估不同处理下水稻氮素利用效率及其生理生态机理差异；进一步结合室内定向土壤厌氧激发培养，解析不同处理下，土壤氮激发效应差异及其与土壤生理生化特性的关系，并解析其微生物机理。结果表明：.1.冬季绿色覆盖轮作（RC、RO、RO-G、RP和RW）的水稻产量分别比冬闲（RF）高9.09~39.44%、22.71~31.95%、11.62~28.49%、14.80~37.19%和12.95~24.79%。引入氮素平衡度（NBD）评估氮素利用效率，表明在减少氮肥用量的情况下，RP表现出优异的籽粒产量性能与更高的氮素利用效率。.2.添加外源碳（葡萄糖）刺激土壤固有氮的正向激发，而添加外源氮（硫酸铵）则表现为负激发；激发强度则与因轮作和秸秆还田所形成的土壤差异有关。土壤中AN和AAN含量与水稻产量、生物量积累和N积累呈显著的正相关（P<0.05），这表明轮作土壤和外源添加所诱导的激发可能是导致水稻氮素吸收利用差异的原因。.3.针对土壤氮激发微生物机理，研究发现冬季轮作不同程度提高土壤细菌丰富度和多样性；+N处理显著增加细菌丰度和多样性，而+G影响较小。RF土壤中以Actinobacteria，Bacteroidetes，Ignavibacteriae等异养型细菌占主导，而RW和RP主要以参与秸秆酵解相关的Firmicutes以及部分参与氮代谢的Proteobacteria的相对丰度相对较高。.不同轮作氮素利用效率差异可能是由于土壤不同氮素供给潜力所致，而N供应强度与土壤对外源应激的敏感性有关。AN和AAN是主要的植物可利用氮素形态，而部分氨基酸可能是土壤氮激发过程中的关键代谢产物。添加外源氮后Proteobacteria中细菌出现差异表现，其中对土壤有效N含量敏感的细菌不参与土壤中难降解有机N组分的分解，而影响土壤中固有氮释放的细菌属丰度则与受外源碳添加影响。其中Ignavibacteriae中的物种可能是分解土壤有机质最有潜力的候选物种。