黄土高原苜蓿-小麦轮作系统水氮利用特征及调控机制

Forage and grain crops rotation is the one of the efficient ways that help to implement grain for forage, improve integrating farming systems and achieve agricultural sustainability in the grain production areas. However, the yield stability, water sustainability and biological nitrogen fixation potential of the alfalfa (Medicago sativa)-winter wheat(Triticum aestivum) rotation system under varied precipitation conditions are still unclear. Thus, field experiment, rainfall controlling installation and the 15N stable isotope method will be combined to 1)clarify biomass dynamics and yield response of the alfalfa-wheat rotation to different water and N applications, 2）analyzing water balance and its main influencing factors, 3)quantify the contribution of biological nitrogen fixation to the system nitrogen utilization. The results highlight the mechanisms that how water and apparent nitrogen balance characteristics of the systems respond to different rainfall scenarios, providing a novel way to determine water and nitrogen use by forage crop and grain crop within the rotation system responding water variation. The output of this project will be useful for promoting the extension of alfalfa-wheat rotations in the semiarid region, and to accelerate agricultural planting structure adjustment and the Green Development in the region.

草田轮作是农区实施粮改饲、促进粮草畜耦合，保障农业可持续发展的重要措施之一。苜蓿-小麦轮作是世界旱作小麦种植区最常见的、综合经济收益高的草田轮作模式。针对黄土高原地区降水变异大，紫花苜蓿加入的草田轮作系统的产量稳定性、水分可持续性和苜蓿的生物固氮能力不确定等问题，本项目将通过大田小区试验、人工控制降雨设施和15N稳定性同位素技术等手段，以冬小麦连作为对照，设置正常降水、增加降水30%和减少降水30%的情景，研究2年苜蓿-2年冬小麦与3年苜蓿-冬小麦轮作系统：1）作物冠层特征、地上和地下干物质积累及分配动态；2）分析2个年龄苜蓿后茬小麦在正常施氮和减量施氮下，土壤水分消耗补给规律及关键影响因素；3）定量分析三个水分情景下2个年龄紫花苜蓿生物固氮能力及其对后茬小麦氮素吸收和利用的贡献，在此基础上揭示苜蓿-小麦轮作系统水分利用和氮素表观平衡过程对水分变异的响应机制。结果可为进一步开展多年生营养体牧草和一年生粮食作物在粮草轮作系统中水氮协同利用的研究提供新思路，对于优化苜蓿-小麦轮作的模式，促进区域农业种植结构调整和绿色发展等具有重要的理论和实践意义。

草田轮作是农区粮草畜耦合，实现提质增效，绿色发展的必要措施之一。黄土高原降水变异大，多年生豆科牧草紫花苜蓿加入传统的一年生小麦生产系统后如何优化水氮资源利用及其过程是本项目的科学问题。2018年-2022年，项目组在兰州大学庆阳草地农业野外科学观测试验站（35°39′N，107°51′E）设置田间定位试验，以冬小麦连作（WWWW）为对照，设置正常降水（CK）、增加降水30%（P+30）和减少降水30%(P-30)情景，研究了1年苜蓿-3年小麦（AWWW ），2年苜蓿-2年冬小麦（AAWW）与3年苜蓿-1年冬小麦（AAAW）轮作系统的作物生长、产量和水分、氮素利用。1）与冬小麦连作（WWWW）相比，AWWW、AAWW和AAAW下分别提高11.1%、26.6%和43.6%, 紫花苜蓿后茬冬小麦籽粒产量随苜蓿年限的增加显著增加。以AAAW系统的干物质产量最高，分别收获紫花苜蓿干草34.25 t hm-2、冬小麦籽粒4.61 t hm-2和秸秆13.02 t hm-2，与CK相比，减水30%下WWWW籽粒产量下降18.5%； 2）与WWWW系统相比，AWWW、AAWW和AAAW系统生长季0-300 cm土壤贮水量下降了17.6%、11.7%和9.5%，水分利用（WU）分别增加2.7%、3.3%和3.5%，WU随降水增加而增加，表现为P+30>CK>P-30，AAAW下水分利用效率（WUE）和降水利用效率（PUE）最高，为20.51和22.92 kg mm-1 hm-2；3)与正常施氮150kg/hm hm-2相比，减半施氮(75kg hm-2)下,1年龄紫花苜蓿后茬冬小麦氮素利用效率提高，0-300 cm土壤NO3-N积累量降低68.6%，肥料氮残留降低79.3 kg hm-2；4）生长季内，CK、P+30、P−30、处理下累积CO2排放量分别为372.58、383.59和406.37 g C m−2，Q10范围分别为0.75-3.25、1.05-2.08和0.99-3.11。土壤呼吸（Rs）与土壤温度（Ts）之间的滞后效应受光合传输路径（LTPAR-Rs）和热量传输路径（LTTs-PAR）协同调控，且土壤含水量通过调控以上两条路径影响Ts与Rs的滞后效应。为揭示粮草轮作系统中水氮协同利用及温室气体排放过程提供了新见解，对区域农业结构调整和绿色发展有重要理论指导意义。