不同耕作方式下全膜双垄沟播玉米农田氮素转化与气态损失的效应与机制

Double ridges and furrow mulched with plastic-film is wild used in corn planting in Loess Plateau. Up to now, the mechanism of nitrogen transformation in this planting technique is lack, nitrogen residual in soil and gaseous loss are serious, fertilizer use efficiency is reletive low. Tillage method have significently effects on fertilizer use efficiency, it will be useful to study the effect of tillage method on nitrogen transformation and gaseous loss in corn planting with double ridges and furrow mulched with plastic-film. This study was conducted with three treatment(plowing, rotary tillage and subsoiling), using methord of 15N-labeling, static closed chamber/GC technique and high-throughput sequencing, to study the use of urea by plant and change of nitrogen residual in soil, analyze the change of the nitrogen function microbial community structure and abundance composition in process of nitrogen transformation, combined with the soil physical and chemical properties, enzyme activity and gaseous losses of nitrogen under different tillage method, constructing a structural equation model, revealing the mechanism of nitrogen transformation, rule of gaseous losses, and the role of microbial community. The result of this study will provide theoretical support for the improvement of nitrogen management in Loess Plateau.

全膜双垄沟播技术是黄土高原玉米生产重要的种植技术，目前该技术下土壤氮素转化机理研究欠缺，且在生产中存在土壤氮素大量残留、气态损失(N2O 排放和NH3挥发)严重和肥料利用效率偏低等问题。耕作方式能影响肥料利用效率，研究不同耕作方式下全膜双垄沟播玉米氮素转化与气态损失效应与机制具有重要的生产指导意义。本项目立足于黄土高原全膜双垄沟播玉米生产实际，设置不同耕作方式(翻耕、旋耕和深松耕)，利用15N 同位素示踪和高通量测序等技术，研究不同耕作方式下连续三季作物对肥料氮吸收利用情况，及肥料氮素在土壤残留的时空变化，分析土壤氮素转化过程中氮功能微生物群落丰度和多样性变化，结合不同耕作方式下土壤理化性质、酶活性和氮素气态损失规律，构建结构方程模型，探究耕作方式调控全膜双垄沟播玉米农田氮素转化和气态损失的作用机制，揭示全膜双垄沟播农田土壤氮素转化的微生物机理，为该地区制定合理的氮肥管理策略提供理论支撑。

耕作方式能影响肥料利用效率，研究不同耕作方式下黄土高原地区全膜双垄沟播玉米农田氮素吸收、氮素利用、以及气态损失效应与机制，具有重要的生产指导意义。本项目主要结果如下：覆膜和耕作影响了肥料和养分在土壤表层空间分布，垄沟覆膜下沟里全氮和有机质含量低于垄上，覆膜旋耕处理其沟里全氮和有机质含量显著低于覆膜翻耕，相反覆膜旋耕处理的垄上也有更多的硝态氮含量，而沟里硝态氮含量在覆膜旋耕和覆膜翻耕处理间没有差异；在玉米全生育期内，覆膜下叶面积、株高和干物质均显著高于平作不覆膜，覆膜翻耕处理更有利于地上部干物质的积累，平作玉米产量显著低于覆膜翻耕和旋耕，覆膜翻耕处理产量显著高于覆膜旋耕产量。通过连续监测，结果表明氧化亚氮的排放和氨气的挥发主要集中在播种后两星期内，遇到降雨，氧化亚氮排放增加，覆膜翻耕下氧化亚氮排放量低于覆膜旋耕，覆膜翻耕的氧化亚氮排放通量总量显著低于平作，覆膜旋耕的氧化亚氮排放通量总量显著高于平作；此外，覆膜处理有更高的地上氮素吸收总量，其中覆膜翻耕处理的氮素吸收总量显著高于覆膜旋耕。通过采用尿素同位素标记发现，覆膜能够增加肥料氮素回收率，覆膜翻耕处理下有更高的肥料氮素回收率。采用高通量测序结果发现，不同耕作措施下微生物群落结构的差异显著，较之平地和覆膜旋耕，覆膜翻耕后细菌之间的相互作用和模块增强，不同耕作处理显著改变主要细菌门丰度和功能基因丰度。N2O排放高峰期反硝化微生物群落丰度显著高于稳定时期，不同时期翻耕覆膜措施下反硝化微生物群落丰度显著高于其他两个处理；本项目结果将为提高黄土高原地膜玉米农田的氮肥利用效率，以及制定合理的氮肥管理策略提供有益参考。