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稻田生态种养模式氮素转化规律的研究

李成芳  
【摘要】: 氮(N)是作物生长必需的营养元素,然而过量的N肥施用不仅带来肥效的降低,而且导致一系列不良的环境反应,研究稻田N素的转化及动态规律,对提高N的有效利用及其降低N的环境危害具有重要意义。本研究通过野外采样、室内分析测定、室内培养试验和田间小区实验,利用静态箱技术、自制测渗计技术和密闭式酸吸收法等手段,对稻鸭和稻鱼共作生态系统稻田N的矿物固定与固定态铵的释放;稻田土壤可溶性有机N的生态学效应;田面水N库与土壤N库相互转化;作物生长与N素转化的联系及其系统N素损失进行了较为系统的研究。主要研究结果如下: 1、相对于常规稻作,由于鸭和鱼的存在,稻鸭、稻鱼共作降低了土壤pH,显著提高了0.02-1mm的砂粒和细砂粒含量,显著降低了0.002mm粘粒的含量,使得稻田土壤水稳性团聚体数量增加,土壤团聚化程度加强,因此改善了土壤质地。稻鸭、稻鱼共作提高了土壤全N、全P含量,增幅分别为4%~7%和4%~13%,显著地增加了土壤NH_4~+、速效P含量,而对土壤NO_3~-影响不大。 2、土壤固定态铵受鸭、鱼活动,施肥和水稻生长多种因素影响。施肥促进土壤对铵的固定,土壤固定态铵含量随着土壤交换性NH_4~+和pH增加而增加;相对于常规稻作,鸭和鱼的存在显著地提高了土壤固定态铵含量,其增幅为4%~5%;土壤固定态铵含量与0.2mm.的砂粒含量和0.002mm的粘粒含量成极显著或显著相关;水稻吸N量与土壤固定态铵呈显著负相关,与土壤固定态铵的释放量呈显著正相关,水稻吸收促进土壤固定态铵的释放。因此,相对于常规稻作,稻鸭、稻鱼共作提高了土壤N含量和水稻吸N量,降低了土壤固定态铵的释放,为创造了一个对作物潜在有效的N库。 3、在水稻全生育期,土壤微生物量N表现为先升后降,并于成熟期有所回升;土壤脲酶、脱氢酶和蛋白酶活性表现为先升后降,过氧化氢酶活性变化不大。相对于常规稻作,由于鸭子和鱼的活动及其生活粪便作用,稻鸭、稻鱼共作显著提高了土壤微生物量N含量、土壤脲酶活性、脱氢酶活性和蛋白酶活性,其增幅分别为7%~8%、8%~13%、13%~17%和10%~14%。 相关分析表明,土壤微生物量N与土壤速效N、土壤全N、全P和水稻吸N量之间不相关,土壤脲酶和脱氢酶活性与土壤速效N负相关,土壤酶活性与土壤全N、全P不相关,土壤脲酶、脱氢酶和蛋白酶活性与水稻吸N量呈显著相关,土壤微生物量N与土壤酶活性不相关。 4、稻田土壤SON是水稻吸收、微生物吸收和N淋失的交互作用的综合反映。在水稻全生育期,土壤SON与土壤无机N呈显著正相关,与水稻吸N量呈显著负相关;而由于水稻对N的吸收和N的下渗淋失,土壤SON与土壤微生物量不相关。相对于常规稻作,由于鸭和鱼的存在,稻鸭、稻鱼共作生态系统土壤SON含量显著降低了7%-12%。DON是稻田渗漏水的主要N形态。相对于常规稻作,稻鸭、稻鱼共作减少了土壤SON的潜在淋失。 5、NH_4~+是田面水无机N素的主要形态;同时,相对于处理常规稻作,稻鸭稻鱼共作显著降低田面水pH,显著提高NH_4~+浓度,而TN浓度有所增加,而对NO_3~-无明显影响;稻鸭共作显著提高了DO浓度,而稻鱼共作显著降低了DO浓度。田面水中NH_4~+/TH在施肥后第3天达到最大,随后降低,而所有处理NH_4~+/TN的均值相当,表明稻鸭、稻鱼共作不会增加TN中NH_4~+的比重,因此不会提高氨N为形态的相对流失潜力。 渗漏水中NO_3~-是无机N淋失的主要形态;相对于处理常规,稻鸭、稻鱼共作渗漏水NO_3~-和TN浓度降低,而渗漏水NH_4~+无明显变化。稻鸭、稻鱼共作肥料N潜在淋失率分别为2.72%、2.58%,低于处理常规稻作(2.99%),表明稻鸭、稻鱼共作可以减少施入N肥潜在的下渗淋失,同时稻鱼共作减少N肥淋失的效果好于稻鸭共作。 6、由于鸭子和鱼的存在,相对于常规稻作,稻鸭、稻鱼显著提高稻田田面水总P浓度、溶解P浓度和土壤速效P含量及水稻植株对P的吸收,而土壤全P有所增加。在水稻全生育期,稻鸭、稻鱼共作系统田面水总P浓度、溶解P浓度、土壤全P和速效P含量在施肥后达到最大值,此后随水稻的生长逐渐降低,表明施P肥后一周是控制稻田P流失的关键时期;同时,对P的环境效应分析表明,在稻鸭、稻鱼共作期间,要注意避免农田排水和防止因降雨引起的田面水外溢。此外,由于鸭子和鱼的活动提高了土壤有效养分含量,降低化肥的施用量,进而降低了化肥损失所造成的环境危害。 7、各处理N_2O排放具有类似的变化模式;N_2O排放峰值出现在施肥后2星期和稻田落干期。与常规稻作相比,由于鸭鱼的存在,稻鸭共作生态系统N_2O释放量显著增加为8%-13%,稻鱼共作生态系统N_2O释放量则显著减少了4%-5%。在稻田淹水期,N_2O排放与温度变化不相关,与土壤有效N和pH相关;稻田排干后,N_2O排放与温度变化、土壤有效N和pH不相关,表明在稻田淹水期,N_2O排放受土壤氧化-还原层的硝化-反硝化作用影响,而在稻田落干期,N_2O排放受土壤温度、水分含量和pH共同影响。稻鸭共作提高了系统N_2O的增温效应,而稻鱼共作降低了系统N_2O的增温效应。 8、尿素的施用促进NH_3的挥发,尿素施用后一周NH_3挥发量占总挥发量的79%-87%,说明了施肥后一周是控制NH_3挥发的关键时期。对影响NH_3挥发的因子分析表明,NH_3通量与土壤pH、田面水pH、田面水NH_4~+浓度呈显著或极显著相关,与温度和土壤脲酶活性不相关。相对于常规稻作,由于鸭子和鱼的存在降低了田面水pH,稻鸭、稻鱼共作降低了稻田NH_3挥发。因此,稻田养鸭养鱼能够降低N肥的损失率,进而提高N肥的利用率。 9、施肥和水稻吸N是影响N平衡最主要的因素,NH_3挥发、降雨和灌溉水也是影响N平衡的重要因素,而N_2O释放、N淋失和鸭和鱼N的输出对平N衡的贡献不大。与常规稻作不同,稻鸭和稻鱼共作N平衡为正,表明了鸭和鱼的存在加速了土壤有机养分的周转,显著地提高了水稻N的输出。


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