不同灌溉模式和施氮处理下稻田N_2O排放与反硝化酶活性的关系

通过大田试验,研究不同灌溉模式和施氮处理对晚稻和早稻不同时期稻田N_2O排放和硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(NiR)和羟胺还原酶(HyR)活性的影响,并分析稻田N_2O排放通量与NR、NiR和HyR活性的关系.两季试验均设3种灌溉模式[常规灌溉(CIR)、"薄浅湿晒"灌溉(TIR)以及干湿交替灌溉(DIR)]和2种施氮处理(N1:100%尿素;N2:50%尿素+50%猪粪).结果表明:N2处理下,TIR模式早稻产量较CIR模式提高20.9%,DIR模式早稻产量和两季总产量较CIR模式分别提高37.4%和21.6%.相同施氮处理下,CIR模式土壤NR和NiR活性大于DIR模式,DIR模式土壤HyR活性在分蘖期、孕穗期和乳熟期显著大于CIR模式.与N1相比,CIR模式下N2处理土壤NR和NiR活性在孕穗期分别提高12.5%-15.1%和12.2%-25.4%;TIR模式下N2处理土壤NiR活性在分蘖期和孕穗期分别提高11.9%-16.9%和17.6%-27.1%,以及土壤HyR活性在乳熟期和成熟期分别提高34.3%-40.8%和10.1%-41.8%;DIR模式下N2处理土壤NiR活性在乳熟期和成熟期分别提高18.0%-26.1%和4.9%-12.9%,以及土壤HyR活性在孕穗期提高27.2%-40.3%.DIR和N2互作显著降低分蘖期和乳熟期土壤NR活性,提高土壤HyR活性.CIR和TIR模式稻田N_2O排放主要集中在乳熟期和成熟期,不同处理两季水稻N_2O总排放量的顺序为DIR-N2DIR-N1TIR-N2CIR-N2TIR-N1CIR-N1;两季稻田N_2O排放通量与Hy R活性显著正相关(相关系数为0.423-0.431).因此DIR和N2互作提高了稻田水稻产量、N_2O排放量以及分蘖期、乳熟期土壤HyR活性,但降低了土壤NR活性,且土壤HyR活性显著影响N_2O排放通量,其结果可为稻田N_2O减排提供依据.     

土壤耕作方式对双季稻镉积累分配特性的影响

为探讨镉污染稻田双季稻最优土壤耕作方式,于2015年～2017年,以陵两优211与威优46为材料,在湖南湘潭中度镉污染稻田开展定位试验,比较研究了双季免耕(G1)、双季翻耕(G2)、双季旋耕(G3)、早旋晚免(G4)、早翻晚免(G5)等5种土壤耕作方式下双季稻镉积累分配特性.结果表明:(1)晚稻根镉含量以成熟期最高,但早稻规律不明显.土壤耕作方式明显影响根镉含量,免耕处理最高,翻耕处理最低;(2)翻耕可降低早稻成熟期茎镉含量,但晚稻成熟期茎镉含量的处理间差异存在年际间差异;(3)早、晚稻叶镉含量随生育进程推进表现持续增长趋势,不同土壤耕作方式间叶镉含量差异显著,多年免耕可降低叶镉含量,而多年旋耕可提高叶镉含量;(4)水稻齐穗至成熟期穗镉含量一般呈持续增长趋势,其增幅以翻耕处理最大,免耕处理最小;(5)3年早稻地上部镉累积量均以G5处理最高,而晚稻地上部镉累积量2015年以G5处理最高,2016和2017年以G2处理最高,3年均以G1、G4、G5处理较低.可见,土壤耕作方式对双季稻镉积累分配有明显影响,翻耕促进水稻地上部镉积累,而免耕可降低水稻穗部镉含量和地上部镉累积量.     

水稻与水合欢间作对作物群体产量、氮素吸收及土壤氮素的影响

豆科与禾本科作物间作有利于提高氮素利用率及作物群体产量。旱地条件下豆科与禾本科作物间作产量优势的研究已多见报道,但水田环境下水稻(Oryza sativa)与豆科水生作物间作模式的研究报道甚少。在华南地区水田条件下分别构建了2015年晚稻和2015年早稻水稻与水合欢(Neptunia olerace)间作模式,并探讨该模式对产量和稻田土壤氮素的影响。试验设常规施氮水稻单作(N 180 kg·hm~(-2),CK)、低氮水稻单作(N 140 kg·hm~(-2),LRM)、水稻-水合欢间作(N140 kg·hm~(-2),LRN)和水合欢单作(N 140 kg·hm~(-2),NOM)4种处理,测定不同种植模式下的作物产量、吸氮量、土地当量比及稻田土壤全氮含量的变化。结果表明,间作栽培模式下的水稻茎蘖数、叶面积指数和地上部生物量均显著高于CK和LRM,其中与水合欢相邻的边行水稻茎蘖数、叶面积、地上部生物量和产量均显著高于内行。水稻实地面积产量表现为LRNCKLRM,LRN处理下水合欢实地面积产量低于NOM。2014年晚稻和2015年早稻,以LRN、NOM和CK计算的土地当量比分别为1.01和1.20,以LRN、NOM和LRM计算的土地当量比分别为1.12和1.25,表明间作模式下作物整体产量明显提高。LRN处理下水稻群体总吸氮量显著低于CK和LRM,经过两季种植后,LRN处理下土壤全氮含量分别比CK和LRM提高了0.21%和1.69%。在水田环境中,水稻与水合欢间作在低氮投入下能维持较高的土地当量比,且提高了作物群体产量和土壤全氮。     

一稻两鸭共作对稻田土壤养分动态的影响

鸭稻共作是有效减少化肥和农药施用的重要技术,对稻田土壤养分消耗具有一定的缓冲和调控作用。但在鸭稻共作有机生产模式中,外源性化肥投入的缺乏常常成为水稻高产的限制因素。为更好地解决有机种植中土壤养分供应的问题,对常规鸭稻共作进行了调整,建立了2种＂一稻两鸭＂共作生态农业模式。通过田间试验对常规稻作、常规鸭稻共作、一稻两鸭轮养及一稻两鸭套养4种种植模式下的土壤养分进行定位监测。结果表明：相对于常规稻作,3种鸭稻共作模式均能在一定程度上提高土壤全钾、全氮的含量,同时减小碱解氮的消耗。与比生产前期相比,生产结束后常规水稻种植模式下土壤有机质含量有所下降,而3种鸭稻共作模式下土壤有机质含量比生产前期均有不同程度的增加。4种种植模式下土壤全磷含量在生产结束后均有不同程度的下降,然而一稻两鸭套养和一稻两鸭轮养模式下土壤全磷含量的降低程度低于常规稻作。早稻生产结束后,一稻两鸭套养和一稻两鸭轮养模式下的土壤全磷含量比常规稻作分别高出13.53%和11.01%。与常规鸭稻共作模式相比,一稻两鸭轮养和套养模式增加了全氮以及全钾有机物的积累,同时减缓了碱解氮、速效磷、速效钾含量的下降。晚稻生产结束后,一稻两鸭套养模式下土壤碱解氮、速效磷和速效钾的含量分别比常规鸭稻共作模式高出3.7%,10.39%和7.59%。产量测定结果表明,早稻时期一稻两鸭套养模式下的水稻产量比常规鸭稻共作模式高12.90%,晚稻时期则比常规鸭稻共作高12.19%。一稻两鸭共作模式中,由于两批鸭子的存在,其排便和中耕作用几乎贯穿于水稻的整个生长发育过程,因此培肥效果与常规鸭稻共作相比有了进一步的提高,对系统内的养分循环利用起到了更好的促进作用。     

少花蒺藜草对科尔沁沙地土壤氮转化效应的研究

外来入侵植物会影响入侵地土壤氮库结构,研究外来植物与土壤氮转化的关系可以为揭示其入侵机制提供理论依据。以中国北方农牧交错带大面积发生的入侵植物少花蒺藜草为研究对象,选取裸地及本土植物鹅观草样地作为对照,研究少花蒺藜草入侵与外源氮对土壤氮转化速率的影响,以期从土壤氮转化速率的角度探讨少花蒺藜草的入侵机制。结果表明:与裸地及本地植物鹅观草样地相比,少花蒺藜草入侵地土壤氮净矿化速率增加;在分蘖期前(6-7月),土壤硝化速率增加、氨化速率降低;自分蘖开始至枯萎(8-10月),土壤硝化速率降低、氨化速率增加。添加NH_4~+-N或NO_3~--N对整体的氮转化速率水平有影响,并使分蘖期后少花蒺藜草入侵地的氮矿化速率降低,但不改变分蘖前后三样地间硝化和氨化速率的大小关系。与净硝化速率及净氨化速率的关联性大小顺序为:添加外源氮处理少花蒺藜草入侵交互效应。与净矿化速率的关联性大小顺序为:添加外源氮处理交互效应少花蒺藜草入侵。添加外源氮更有利于裸地及本地植物鹅观草样地的氮矿化作用。少花蒺藜草在低氮素含量环境中表现出的生长优越性揭示了其适应沙质草地生态系统的一种入侵机制。     

近地层臭氧浓度升高对稻田土壤氨氧化与反硝化细菌活性的影响

利用中国唯一的稻麦轮作臭氧FACE（free-air O3 concentration enrichment,开放式空气臭氧浓度增高）试验平台,研究近地层臭氧浓度升高对稻田不同生育时期植株氮吸收量、土壤氮含量与脲酶活性、土壤氨氧化细菌与反硝化细菌数量以及成熟期土壤硝化与反硝化作用强度的影响。结果发现,臭氧浓度升高条件下,单株水稻（Oryza sativaL.）的氮吸收量趋于升高,土壤全氮含量趋于下降、脲酶活性趋于增强,在成熟期土壤全氮与对照相比平均下降9%,土壤脲酶活性与对照相比平均升高13%。在水稻整个生长季节,土壤氨氧化细菌和反硝化细菌的数量均呈现出先增多后减少的趋势,且均在开花期达到峰值,但臭氧熏蒸土壤与对照相比趋于升高;在水稻成熟期,土壤中单个氨氧化细菌和反硝化细菌的活性均趋于下降,土壤硝化强度和反硝化强度与对照相比也平均下降17%和24%。结果表明,近地层臭氧浓度升高条件下,稻田土壤氮素转化因为水稻氮素吸收增强而加快,土壤氨氧化细菌和反硝化细菌的数量均趋于增多,但它们的生理代谢活性均趋于下降。     

鸭稻共作方式对土壤肥力因素的影响

鸭稻共作是一种较为典型的稻田生态农业模式。鸭子不停地在稻田中日夜活动对土壤肥力会产生一定的影响。通过与常规栽培方式的对比试验研究发现，除土壤速效磷含量外，鸭稻共作稻田的土壤有机质、碱解氮、交换性钾的含量均分别比常规耕作稻田的有所增高，其中某些土壤养分含量在某些生育期存在显著差异。由此初步表明，鸭稻共作生态农业模式可以实现在水稻生产全过程中不使用任何化肥和农药，而基本上可达到保持土壤肥力，生产绿色食品的目的。     

生物可降解膜覆盖对水稻温室气体排放及产量的影响

为了探究生物可降解膜覆盖对水稻温室气体及产量的影响,选取南北稻区开展大田试验,利用静态箱-气相色谱法,监测生物可降解膜覆盖机插(BM)和不覆膜机插(CK)处理稻田的甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O)排放通量并进行分析。结果表明:南北生态区BM处理均能显著降低稻田CH_4排放量,降幅分别为43.5%和52.4%,其减排效果主要体现在BM处理能够显著降低甲烷排放峰值,进一步分析与CH_4排放相关的土壤产甲烷菌((mcrA)和甲烷氧化菌(pmoA)丰度变化,发现南北生态区BM处理均能显著降低土壤产甲烷菌丰度,并提高甲烷氧化菌丰度,变化规律与CH4排放基本一致;对稻田N_2O排放量的影响,南北生态区存在差异,南方BM处理与CK相比,N_2O排放量显著减少47.9%,而北方N_2O排放量略高于CK。生物可降解膜覆盖机插种植能够提高土壤温度,尤其对于北方生态区增温效果更好,生育前期月平均增温达到2.9℃,能提高土壤微生物活性,且改变了土壤的理化性质及土壤养分含量,与CK相比,BM处理能增加土壤全氮和有机碳含量,北方生态区,在水稻成熟期分别显著增加14.8%和27.1%,南方生态区差异不显著;从产量上看南北生态区BM处理与CK相比均达到显著增产效果,南方增产4.1%,北方增产8.7%,且对稻田温室气体排放强度(GHGI)也有显著的抑制作用,降幅分别为46.6%和56%;生物可降解膜覆盖机插种植能够显著降低稻田温室气体的增温潜势(GWP),提高水稻产量,为水稻绿色高效生产提供新的途径。     

不同恢复年限退化土壤有机氮组分变化特征

为明确退化土壤在不同恢复年限下土壤有机氮组分变化规律,以福建长汀县退化红壤为研究对象,利用时空替代法,选取5个典型的不同植被恢复阶段样地,分别为裸地,恢复7、17、23、35a的马尾松(Pinusmassoniana)人工林,采用Bremner酸水解法研究土壤有机氮各组分的变化特征。结果表明,与裸地相比,恢复年限为7、17、23、35a的土壤全氮含量分别增加了2.57、3.71、4.00、5.57倍,且主要以酸解性氮形态存在。酸解性氮和非酸解性氮含量均随全氮含量的增加而显著提高(P<0.01),但植被恢复提高了非酸解氮比例,降低了酸解性氮比例。土壤氨态氮、氨基酸态氮和酸解未知态氮含量随着恢复年限的延长而提高;酸解性总氮含量与氨态氮、氨基酸态氮和酸解未知态氮含量呈显著正相关(P<0.01)。线性回归斜率表明,不同恢复年限土壤增加的酸解性总氮中12.4%为氨态氮、47.3%为氨基酸态氮、35.2%为酸解未知态氮、5.1%为氨基糖态氮。植被恢复降低了氨态氮组分占酸解性总氮的比例,提高了氨基酸态氮组分占酸解性总氮的比例。有机氮组分特征变化影响土壤氮素供应与贮存能力。该研究结果可为退化土壤恢复过程养分管理提供参考。     

轮耕对双季稻田土壤全氮、有效磷、速效钾质量分数及水稻产量的影响

针对南方稻田连续免耕存在的主要问题,选择双季稻区连续7年免耕稻田,设置免耕-免耕（NT-NT）、翻耕-翻耕（CT-CT）、翻耕-免耕（CT-NT）、旋耕-旋耕（RT-RT）和旋耕-免耕（RT-NT）5个耕作处理,以连续免耕（NT-NT）作为对照,研究了不同轮耕技术对双季稻田土壤全氮、有效磷、速效钾质量分数和水稻产量的影响。结果表明：长期连续免耕稻田土壤全氮、有效磷均呈现表层（0～5 cm）富集的现象;CT-CT、RT-RT处理较对照趋向于提高5～20 cm土壤全氮、有效磷质量分数。与CT-CT、RT-RT相比,CT-NT和RT-NT均有利于提高表层0～5 cm土壤全氮、速效钾质量分数,降低5～20 cm土壤全氮、有效磷质量分数。各处理早稻的有效穗均显著高于对照,分别比对照增加10.4×10^4、16.82×10^4、32.04×10^4和28.34×104 hm-2;产量分别比对照提高17.85%、21.58%、3.0%和19.38%。各处理晚稻的有效穗均显著高于对照,分别比对照增加43.46×10^4、9.12×10^4、17.13×10^4和27.34×104 hm-2;产量分别比对照增加9.98%、8.25%、4.69%和7.68%。CT-NT处理有利于增加早稻和晚稻的产量。