秸秆还田提高氮素作物有效性的机制研究

Returing plant residues to the soil can re-couple C and N cycling, contributing to crop N uptake. However, it is necessary to investigate underlying mechanisms for plant residues addition affecting crop N uptake. High abundance of 15N isotope techniques can differentiate fertilizer-derived N from soil N pools, and better represent actual N cycling processes. Therefore, using 15N tracing and 15N pool dilution techniques, we measure simultaneously the temporal variation in N contents in the plant and soil N pools, and N gross immobilization and mineralization, and heterotrophic nitrification etc. rates, and crop N uptake, soil N retention, and N losses to the environment after plant residues addition. Also, the relative importance between biotic and abiotic N immobilization and the fate of immobilized N are quantitatively compared. We aim to investigate the effects of plant residues addition on N transformation and fate, provide insight into the relationship between N transformation and N fate after returing plant residues to the soil, and thus mechanisms for plant residues addition contributing to crop N uptake. Our results are expected to contribute to improving plant residue management practices and laying a foundation for the sysmatic invesitigation on C and N co-cycling processes.

将秸秆施入土壤中可以重新耦合碳氮循环促进氮素作物有效性的提高。然而，秸秆还田影响氮素作物有效性的具体氮素过程还需探讨。高丰度15N同位素技术可以区别土壤与肥料来源的氮素较好地表征实际的氮素过程。为此，我们利用15N示踪技术和15N库稀释技术，同步分析秸秆还田后氮素在植物和土壤不同氮库分配的动态变化特征与氮素总固持和矿化及异养硝化等反应的速率，以及氮素作物吸收、土壤残留和环境损失，结合氮素生物与非生物固持相对重要性及已固持氮素去向的定量比较，研究秸秆还田对氮素转化及去向的影响，明晰秸秆还田后氮素转化与氮素不同去向间的关系，揭示秸秆还田提高氮素作物有效性的内在机制。研究结果有助于优化秸秆还田的方式方法，并为碳氮耦合循环的系统研究提供科学基础。

将秸秆施入土壤中可以重新耦合碳氮循环促进氮素作物有效性的提高。然而，秸秆还田影响氮素作物有效性的具体氮素过程还需探讨。研究的内容主要包括：（1）总结了氮素生物和非生物固持的发生特征及其影响因素，确定了两种过程在加入秸秆的土壤中相对重要性的一般规律。（2）通过土柱实验评估秸秆对稻田CH4、CO2、和N2O排放的影响。（3）分析了有机物性质对氮素生物固持的影响。研究结果主要包括：（1）土壤性质和秸秆性质决定了生物和非生物过程的相对贡献。除氮素有效性外，碳相对于氮的有效性也影响生物或非生物过程的相对贡献。碳和氮的有效性与其形态有关。土壤pH值也会影响氮的有效性。氮素固持的机制影响已固持氮素的去向，这对于秸秆管理至关重要。（2）与仅施用尿素相比，秸秆还田使稻田CH4排放量增加20倍以上，CO2吸收量减少27.1%，但N2O排放量减少49.1%。与仅施用尿素相比，秸秆还田使GWP降低436.9 g CO2-eq m2，因为N2O排放的减少超过了CH4排放的增加以及CO2吸收的减少。结果表明，通过改变秸秆种类，结合氮肥管理改进，降低基肥期N2O排放，可以进一步提高秸秆还田缓解气候变化的能力。（3）与对照相比，有机碳施用使氮素生物固持显著提高105%。有机碳性质影响氮素生物固持对有机碳的响应。在刺激氮素生物固持方面，葡萄糖比纤维二糖或纤维素更有效，而单宁和草酸均没有显著影响。不同C/N比组间效应差异不显著。无机氮的形态并未显著影响氮素生物固持对有机碳的响应。因此，有机碳的性质而不是C/N比是氮素生物固持对有机碳响应的关键决定因素。研究结果有助于优化秸秆还田的方式方法，并为碳氮耦合循环的系统研究提供科学基础。