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[博士论文] 高建民
作物栽培学与耕作学 河南农业大学 2017(学位年度)
摘要:人类活动产生的N2O主要来源于农田土壤,氮素是农田N2O排放最主要的驱动因素。为了增加小麦和玉米产量,在华北平原小麦-玉米轮作农田,氮肥普遍被过量施用。近年来,随着中国政府对秸秆禁烧力度的加大,小麦、玉米秸秆还田面积逐年扩大。目前,有关小麦-玉米轮作农田土壤N2O排放的机理及其影响因素,还没有得出一致的结论。为在小麦-玉米轮作农田探索出既能稳定作物产量又可减少N2O排放的水氮供应模式和秸秆还田方式,本研究设置了田间和室内培养两个试验。田间试验设传统施肥(250kg.hm-2)和优化施肥(200kg.hm-2,)2个氮水平;开沟20cm深施(K)和表面撒施(S)2种施氮方式;传统灌溉量(C相当于90mm.hm-2)和推荐灌溉量(T相当于60mm.hm-2)2个灌水量,共8个处理,分别为TK200、TS200、CK200、CS200、TK250、TS250、CS250、CK250,每个处理3次重复。室内培养试验以华北平原小麦-玉米轮作农田面积较大的潮土和砂姜黑土为供试土壤,每种土壤分别设置对照(CK,N0)、施肥200kgNhm-2(N200),250kgNhm-2(N250)、玉米秸秆+200kgNhm-2氮肥混施(MN200)、玉米秸秆+250kgNhm-2氮肥混施(MN250)、小麦秸秆+200kgNhm-2氮肥混施(WN200)和小麦秸秆+200kgN hm-2氮肥混施(WN250)共8个处理,每个处理3次重复。在保持土壤WFPS为80%的条件下连续培养30d。
  田间试验结果表明:(1)施肥后灌溉或遇强降雨均可导致农田土壤N2O排放量短暂急速增加并形成排放峰,两个周年试验期间共产生9个N2O排放峰,其中7个与施肥后强降雨或灌溉事件有关。(2)作物各生长季间、年际间N2O累积排放量差异显著。在其它条件相同的情况下,撒施处理N2O累积排放量均高于开沟施肥处理。在玉米季,N2O累积排放量随施氮量的增加而增加,而小麦季则未发现类似的规律。(3)两个灌水量处理间作物籽粒产量和N2O排放均没有明显影响;两个氮肥用量处理间小麦、玉米籽粒产量也无明显差异。(4)在所有处理中,年均N2O累积排放量以CS250处理最高,达到3.39kg.hm-2;CK200处理最低(1.9kg.hm-2),较CS250处理减少了44%,而年均籽粒产量则以TK250处理最高(14659kg.hm-2),其次为CK200处理(14379kg.hm-2)。综合各方面因素考虑,在传统灌溉条件下按照200kg N hm-2,进行开沟施肥是华北平原小麦-玉米轮作农田较为科学的水氮供应模式,既能保持相对高产又能减少氮肥用量和N2O排放。
  室内试验结果显示:(1)在两种供试土壤中,施氮处理的N2O累积排放量显著高于不施氮肥的处理。在砂姜黑土中,当施氮量为250kg N hm-2时,玉米或小麦秸秆与氮肥混施处理的N2O累积排放量,较相应仅施用氮肥的处理分别增加60%和30%;当施氮量为200kg N hm-2时,玉米或小麦秸秆与氮肥混施处理的N2O累积排放量,分别较相应仅施氮肥的处理减少20%和50%。在潮土中,不管施氮量高低,小麦秸秆与氮肥混施较相应仅施氮肥的处理,N2O累积排放量增加40%~50%,而玉米秸秆与氮肥混施较相应仅施氮肥的处理,N2O累积排放量减少10%~20%。(2)在两种土壤中,氮肥与同一种农作物秸秆混施时,施氮量为250kgN hm-2处理的N2O累积排放量较施氮量为200kg N hm-2处理高1.1~3.3倍。(3)对于两种土壤来说,所有处理16S rRNA的基因丰度在培养过程中均没有发生明显变化,而秸秆与氮肥混施处理的nosZ和nirS基因的平均丰度,均高于对照和仅施用氮肥的相应处理。然而,经方差分析发现,含有nosZ和nirS基因的反硝化细菌丰度与土壤N2O的排放没有显著相关性。
  综上所述,本研究丰富了水氮供应对华北平原地区小麦-玉米轮作农田N2O排放的影响以及小麦、玉米秸秆与氮肥混施对此轮作体系下农田潮土和砂姜黑土N2O排放、反硝化细菌丰度影响的理论,探索出了一种在保持周年两熟作物相对高产的前提下,减少农田N2O排放较为科学的水氮供应模式。若在华北平原小麦-玉米轮作农田全部推广此水氮供应模式,每年可以减少N2O排放量约1.2万吨,节约氮肥(以尿素计算)约40万吨。本研究首次明确了在土壤高含水量条件下,秸秆与氮肥混施时,氮肥用量和所用秸秆的种类是影响土壤N2O排放的重要因素。
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