不同轮作模式下土壤有机态氮差异性特征及与稻田减氮增效的关系

Reasonable crop rotation is one of the important agronomic practices to alleviate nitrogen pollution due to excess use of fertilizer in rice paddy, and soil organic nitrogen (SON) in crop rotation system is considered to be the key factor regulating the soil nitrogen cycle and utilization during the soil nitrogen mineralization. However the study on the response of SON 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 12-years long term field experiment has been established with different rice-upland crops rotation since 2001, and different nitrogen fertilizer levels were applied in the long term rice paddy. Furthermore, upland-crops are cultivated with 15N isotope and the crop straws are returned into soil. The objections are to study the long term effect of different rice-upland crops rotation on (1) Rice yield and nitrogen physiological efficiency; (2) The content of SON and its sub-components; (3) Soil organic nitrogen mineralization characteristics and its related factors, such as soil microbial nitrogen, microbial community, soil organic matter, the change of enzyme activity and so on; (4) Transportation and distribution of 15-N in the soil nitrogen traffic after the straw incorporated into soil. The results will help to illustrate the SON affect in 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.

合理稻田轮作是缓解稻田施肥过量的重要措施，土壤有机态氮在稻田轮作系统中被认为是前后茬氮素循环与氮素利用的关键因子，但是针对不同类型冬季作物秸秆还田模式下土壤有机态氮特征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12年长期水旱轮作试验为基础，通过设置不同大田氮肥水平和采用15N同位素预培养冬季作物，研究长期轮作下（1）不同轮作类型对水稻产量形成与氮肥利用效率的影响；（2）不同轮作类型对土壤有机态氮组分含量的影响；（3）不同轮作类型对土壤有机氮矿化特性的影响及其相关因子，如土壤微生物氮、微生物群落、土壤有机质、酶活性等的变化；（4）不同轮作作物还田后，前茬氮素在不同土壤有机氮库中的转运分配规律。从而明确不同轮作模式下土壤有机氮特征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。

以已有的水稻-不同冬季作物种植模式（水稻-冬闲、水稻-小麦、水稻-油菜、水稻-紫云英和水稻-马铃薯秸秆覆盖种植）长期定位（2003-今）试验为载体，研究不同种植模式对水稻产量与氮高效利用影响，并进一步深入研究前后茬对土壤养分固定与循环利用的机理研究。研究发现水稻平均产量：马铃薯>油菜盛花还田、油菜秸秆还田、小麦、、紫云英>冬闲；中氮水平，不同模式间差异显著，马铃薯（秸秆覆盖）显著高于其他模式；高氮水平，氮肥利用显著降低且模式间无显著差异。此外，多年土壤理化数据表明水稻-秸秆覆盖种植马铃薯处理下，土壤肥力各指标均显著高于其他轮作，鉴此，我们认为水稻-马铃薯是一种稻田稳产氮高效的理想种植模式。冬季种植后，土壤肥力差异显著，冬季种植对土壤肥力的贡献依次为马铃薯>油还和紫云英、空闲>小麦和油菜。鉴此，可以将现有的种植模式分为三类：养分盈余型（稻-薯）、养分均衡型（稻-绿、稻-油还、稻-冬闲）和养分竭耗型（稻-麦和稻-油），种植模式的分类，为不同种植模式氮肥运筹提供了理论依据。.秸秆还田是稻田养分利用的重要内容，尤其在维持土壤有机质方面更为重要。结果表明秸秆还田属性对土壤不同有机质组分的含量具有差异性的影响，可溶性碳（DOC）和易氧化性碳（KMnO4-C）与还田秸秆量显著相关，DOC和微生物碳（MBC）与秸秆C/N显著相关；而小颗粒碳（POC）和热溶性碳（HOC）则与还田秸秆属性无显著影响，这表明有机质碳库的总量与属性共同决定了土壤养分释放的速率。.土壤全氮与有机氮是土壤肥力的重要组成，是土壤养分供给的主要部分。本研究在多年数据的基础上评估不同种植模式下土壤全氮含量的变化，并通过分析其有机氮组分的变化，探明土壤固氮与氮释放差异。结果表明，通过多年定位种植，稻-薯、稻-绿土壤全氮分别提高为5.83-10.64%和2.59-12.35%；而稻-麦显著降低，降幅12.3-22.1%，这说明冬种马铃薯、紫云英轮作能够提高土壤的全氮，而种小麦则会消耗土壤氮；进一步研究发现，酸解氮含量均表现水稻季后显著减少；氨态氮含量略有减少，其中小麦和油菜处理减少最为显著；氨基酸态氮轮作处理间差异显著，冬闲与紫云英处理略有增加，而马铃薯、油菜、小麦等均显著减少；氨基糖态氮则刚好相反。。本研究明确了土壤有机氮组分在不同种植模式下的变化特性，深化了土壤有机氮-速效氮转化机理。.