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《中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2020年
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土壤微生物对春玉米地硝态氮阻控措施的响应

郑利芳  
【摘要】:黄土高原地区是我国重要粮食产区之一,施氮是保证作物产量的重要措施之一。为了追求较高的作物产量,该地区农田过量施氮现象普遍存在,然而,过量施氮不但增加生产资本而且会造成一系列的环境问题,如水体富营养化、温室气体排放及土壤酸化等。因此,减少氮素损失、提高氮肥利用率是当前农业可持续发展亟待解决的问题。本研究在陕西长武开展3年的田间试验,探究(1)土壤(0-40cm)硝化和反硝化微生物数量和活性对减氮和秸秆还田的响应,(2)减量施氮、秸秆还田、掺混控释肥及添加硝化抑制剂对春玉米产量和土壤硝态氮残留的影响,以期为改善黄土旱塬区玉米地的施氮管理模式提供理论依据。试验于2017年4月-2019年9月在黄土旱塬雨养农业区进行。试验共设置12个处理,包括:CK(不施氮肥);N200(减氮模式,200 kgN/hm~2);N200+S(减氮模式+秸秆还田,200 kgN/hm~2);N250(传统施氮模式,250 kgN/hm~2);N250+S(传统施氮模式+秸秆还田,250 kgN/hm~2);NC0(普通尿素100%+控释尿素0%,200kgN/hm~2);NC65(普通尿素35%+控释尿素65%,200 kgN/hm~2);NC50(普通尿素50%+控释尿素50%,200 kgN/hm~2);NC35(普通尿素65%+控释尿素35%,200kgN/hm~2);DCD0(不添加硝化抑制剂双氰胺,200 kgN/hm~2);DCD1(硝化抑制剂双氰胺添加量为施氮量的1%,200 kgN/hm~2);DCD5(硝化抑制剂双氰胺添加量为施氮量的5%,200 kgN/hm~2)。测定春玉米产量、春玉米收获后土壤剖面(0-300cm)硝态氮含量,施肥后第3天和玉米吐丝期土壤微生物量碳、氮和土壤硝化潜势,测定减氮和秸秆还田下玉米吐丝期0-40 cm土壤理化性质以及施肥后第3天和玉米吐丝期土壤硝化和反硝化微生物功能基因的拷贝数。主要取得以下结果:1、减氮和秸秆还田下,土壤氨氧化古菌(AOA)的数量高于氨氧化细菌(AOB)但是与AOA相比,AOB受施氮和秸秆还田的影响较大,施氮量为200 kgN/hm~2时,秸秆还田显著增加AOB数量;相同施氮量下,秸秆还田显著增加反硝化微生物nirK(0-40 cm)、nosZ(0-20 cm)和narG(0-20 cm)基因拷贝数,对nirS基因影响较小。此外,土壤硝化和反硝化微生物的基因拷贝数受土层深度的影响显著。2、秸秆还田、掺混控释肥以及添加硝化抑制剂会不同程度增加土壤微生物量碳和氮。相同施氮量下,0-40 cm土层N200+S微生物量碳和氮含量较N200分别增加14.1%-19.9%和30.8%-49.6%,N250+S较N250分别增加12.7%-17.5%和23.9%-45.9%。掺混不同比例控释肥各处理0-40 cm土层土壤微生物量碳含量较全尿素处理(NC0),分别增加7%-9.8%(NC35)、11.9%-17.4%(NC50)、9.1%-14.0%(NC65);土壤微生物量氮含量较NC0,分别增加2.8%-8.0%(NC35)、23.2%-41.6%(NC50)和15.1%-24.8%(NC65)。添加不同浓度硝化抑制剂各处理0-40cm土层土壤微生物量碳含量较全尿素(DCD0)分别增加10.2%-16.8%(DCD1)和7.0%-10.6%(DCD5);土壤微生物量氮含量较DCD0分别增加21.2%-32.8%(DCD1)和5.6%-12.1%(DCD5)。3、与CK相比,各施氮处理显著增加土壤硝化潜势,且随着施氮量的增加而增加,减量施氮、秸秆还田、掺混控释肥以及添加硝化抑制剂会不同程度降低土壤硝化潜势。本研究中N200土壤硝化潜势较N250降低的幅度为4.5%-14.3%;秸秆还田土壤硝化潜势较秸秆不还田处理降低幅度为15.4%-28.6%;NC50土壤硝化潜势较NC0降低幅度为16.7%-42.9%;DCD1土壤硝化潜势较DCD0降低幅度为11.5%-28.6%。4、传统施氮的基础上减氮20%不会降低春玉米产量,N200处理3年春玉米产量平均值较N250增加6.1%(p0.05)。相同施氮量下,秸秆还田3年春玉米产量平均值高于秸秆不还田处理,N200+S较N200增加7.2%(p0.05),N250+S较N250增加9.2%(p0.05)。掺混控释肥NC65和NC35处理3年春玉米产量平均值较NC0分别降低5.8%和14.4%,NC50春玉米产量与NC0无显著差异(p0.05);添加不同浓度硝化抑制剂各处理降低春玉米产量,DCD1和DCD5处理3年春玉米产量平均值较DCD0分别降低6.5%(p0.05)和4.3%(p0.05)。5、土壤硝态氮残留量随着施氮量的增加而增加,而减量施氮、秸秆还田、掺混控释肥以及添加硝化抑制剂会不同程度的减少土壤硝态氮残留量,降低土壤硝态氮的淋溶风险。试验3年后N200土壤剖面(0-300cm)硝态氮残留量较N250降低51.3%(p0.05);连续3年秸秆还田后N200+S土壤剖面(0-300cm)硝态氮残留量较N200降低18%(p0.05),N250+S较N250降低41.2%(p0.05);掺混不同比例控释肥各处理土壤剖面(0-300cm)硝态氮残留量较NC0分别降低17.9%(NC65)、27.1%(NC50)和34.9%(NC35);添加不同浓度硝化抑制剂各处理土壤剖面(0-300cm)硝态氮残留量较DCD0分别降低25.3%(DCD1)和16.6%(DCD5)。
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