石灰和稻草还田对双季稻系统氮素循环的互作效应及其调控机制

Liming and straw retention play a critical role in alleviating soil acidification and improving soil fertility in southern rice fields, while their interactive effects are not clear. Proposer's previous results showed that liming and straw retention could significantly increase the yield of double rice, and there were interactive effects on that of late rice. The positive interaction was mainly due to the improvement in N uptake by rice under combined liming and straw retention. Therefore, we hypothesized that the N-transforming processes may be altered under combined liming and straw retention. In this project, we use the present two-factor field experiment to investigate the effect of liming and straw retention on the fate of N, N use efficiency, and soil N balance by 15N-labelled urea and straw in the double rice-cropping system. At the same time, we examine the losses of different active N, the dynamics of straw decomposition and nutrient release, and determine relevant crop physiological (N concentration, root activity and morphological traits), ecological (pH in the flooding water and soil, etc), soil microbiological factors (the abundance of N-transforming functional genes and microbial community structure). The objective of this study is to clarify the interactive effects of liming and straw retention on N-cycling processes and their underlying mechanisms, whereby providing a scientific basis for optimizing N management in the double rice-cropping system.

石灰和稻草还田对改良南方稻田土壤酸化和培肥地力至关重要。但目前对二者的互作效应研究较少。申请人的前期试验表明，石灰和稻草还田能显著提高双季稻的产量，且二者对晚稻具有显著的协同增产作用；正的互作效应主要是因为石灰和稻草配施协同促进了水稻的氮素吸收。因此，石灰和稻草配施可能会改变双季稻系统的氮循环过程。本项目拟借助已有的石灰和稻草还田双因素田间试验，首先，利用15N标记的尿素和稻草，明确石灰和稻草配施对双季稻系统氮素去向、氮肥利用效率和土壤氮素平衡的影响；其次，监测不同活性氮的损失，稻草腐解和养分释放特征以及与氮循环相关的作物生理（植株氮素浓度、根系活力和形态特征）、稻田生态环境（田面水和土壤的pH等）和土壤微生物因子（氮转化相关功能基因的丰度和微生物类群分布），揭示石灰和稻草配施对双季稻系统氮素循环过程的互作效应及其调控机制，以期为石灰和稻草配施下双季稻系统的氮素管理提供科学依据。

秸秆还田配施石灰有利于协同实现双季稻增产、土壤酸化改良和培肥。基于前期建立的定位试验（2015年开始，每4年施用1次熟石灰），本项目旨在揭示石灰和秸秆配施对双季稻系统氮素循环的调控机制。. 结果表明，在第2个石灰施用周期（2019年开始），施石灰显著促进了双季稻的产量和氮素吸收，但与秸秆还田无显著互作效应。石灰对双季稻产量的提升作用主要是由于有效穗数的增加。. 15N示踪表明，施石灰促进了双季稻对秸秆氮的吸收，而降低了对尿素氮的吸收。从氮素去向来看，施石灰降低了尿素氮的回收率和残留率，增加了尿素氮的损失率。施石灰增加了秸秆氮的回收率，降低了秸秆氮的残留率，同时也增加了秸秆氮的损失率。活性氮素损失方面，施石灰导致的双季稻田氮素损失主要是通过氨挥发和渗漏，而N2O排放较微弱，且石灰对N2O排放的影响不显著。. 施石灰和秸秆还田协同增加了早、晚稻抽穗期根系的总吸收面积和活跃吸收面积。施石灰提高了晚稻抽穗期的根系活力，但在早稻季影响不显著。施石灰和秸秆还田对早稻抽穗期的根体积具有正的互作效应。施石灰显著增加了早稻抽穗期的根长、根表面积和根尖数。在晚稻季，施石灰也显著增加了抽穗期的根长和根尖数。施石灰显著促进了还田后期的秸秆腐解速率。施石灰提高了稻田田面水的pH值，增加了田面水总有机碳、NH4+-N、NO3--N和总有机氮的浓度。总体上，施石灰提高了稻田土壤NH4+-N和NO3--N的浓度。. 从土壤氮循环功能微生物方面来看，一方面，施石灰增加了稻田土壤AOB-amoA基因和早稻抽穗期nirS基因的丰度和多样性。因此，石灰可能会增加氮素在土壤硝化和反硝化过程中的损失。另一方面，施石灰提高了稻田土壤nrfA基因和nifH基因的丰度及其多样性，表明石灰可能会保存土壤氮素，并促进生物固氮作用。本研究对南方稻田土壤酸化治理和提高稻田氮素利用效率具有重要的科学意义。