保护性耕作稻田土壤碳氮耦合机理研究

Conservational tillage practices construct healthy soil systems through reducedand no-tillage and straw returning, which serve as important measures for sustainable development of rice production. Recently, incorrect application of conservational tillage practices resulted in decrease in nitrogen use efficicency, and thereby rice yields. However, microbial effects on nitrogen cycles under conservational tillage practices remain unclear. So, this project hypothesizes that correct application of conservational tillage practice can alter soil C/N ratio, thus improving biological nitrogen cycles, reducing nitrogen loss and increasing rice yield. Field and pot expriments are conducted to study dynamic changes in soil carbon and nitrogen pool under conservational tillage practices, to discuss the effects of improved nitrogen fertilizatioin on key processes of nitrogen cycles, to reveal changes in microbial composition, function and activity related to nitrogen cycles, and explore effects of microorganism on soil nitrogen cycles. This study also investigates ecological effects of nitrogen cycles under improved conservational tillage practices. The results will provide theoretical basis about sustainable production of rice.

以少免耕及秸秆覆盖为核心的保护性耕作措施有利于建立健康的土壤体系，是水稻生产可持续发展的重要举措及方向。然而，保护性耕作不合理使用常导致温室气体排放增加、氮肥利用率下降、水稻产量减少等问题。为了合理配置保护性耕作措施，必须结合氮肥使用，以氮调碳，提高土壤微生物多样性，通过碳氮耦合，激发促进氮的生物小循环，控制氮的开放性大循环，实现增碳保氮，其关键是要探明影响碳、氮耦合循环的生物驱动机制。本项目拟采取大田试验与同位素示踪试验结合土壤微生物生物技术，以传统翻耕施肥为对照，设置免耕、秸秆还田与优化氮肥施用等处理，研究保护性耕作措施下稻田土壤碳、氮库的动态变化特征及其转化的主要过程，揭示碳氮转化相关的土壤微生物群落结构、功能与活性，从而探明土壤微生物代谢活动对土壤碳氮转化相互影响的机制，并定量评估保护性耕作措施下碳氮循环的生产和生态效应。为水稻生产减排、增汇、减氮、增产提供理论依据。

长江中下游地区是我国重要的稻麦生产区，更是保障国家粮食安全的重要地区。目前该地区水稻生产强度大，化学投入和能源消耗逐年增加，农事操作方式单一，造成土壤温室气体排放量和农业生产成本投入增加，收益却相对减少。因此本课题主要研究稻田不同秸杆还田与氮肥配施管理条件下碳氮转化过程及生态环境效应变化。该项研究提出了水稻生产中秸杆和氮肥投入配比调整技术以及降低氮肥损失的氮肥深施技术。同时结合免耕，机械化生产，绿色防控技术，形成绿色、低碳、高产、高效的水稻栽培模式。近些年来，我们的试验表明:（1）优化秸杆还田和氮肥配比栽培模式和氮肥深施技术显著降低了N2O和CH4的排放，同时作物产量也有显著升高。（2）优化栽培技术模式显著提高了土壤中细菌、真菌、放线菌等微生物的活性，提高了土壤微生物的多样性，其有益于农田土壤的可持续耕作。（3）优化秸杆与氮肥配比模式能够改善土壤有机质组分分布，提高土壤团聚体内土壤有机碳含量，有利于农田土壤固碳。（4）13C同位素标记试验也验证了碳氮配比调整技术能改变土壤有机质组分的化学分子组成，增加秸秆中碳元素在土壤中的固定效率，从而更加有利于土壤碳的储存。根据稻田实际生产状况，结合碳氮配比与氮肥深施技术，能够显著降低作物生产中的投入与环境污染，增加其生态和经济效益。