基于15N标记的旱地麦田有机肥配施氮肥的效应及有机肥氮素去向研究

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西北旱地小麦的种植,在保证我国粮食安全问题上有着重要作用。该地区小麦生产过程中,普遍存在重施化肥,不施或者少施有机肥及过量施肥问题。有机肥可以调节土壤的物理化学性质,活化土壤养分,提升土壤肥力,增加土壤生产能力。有机肥和化肥的合理配施可以减少化肥投入,提高肥料利用效率,增加作物产量,是解决化肥投入过量问题,稳定粮食产量的有效途径。目前,关于有机无机配施的研究主要集中在有机肥可以替代多少化肥或者化肥有机肥简单配施。关注有机肥进入土壤后的提供氮肥的能力以及有机肥在土壤中的残留等的研究,主要是通过间接的方法估算有机肥的供肥能力。15N同位素示踪技术,可以用来定量研究N在土壤和植物中的去向,可以作为辅助手段研究有机肥中氮对植物和土壤的贡献。本研究以西北旱地植物-土壤体系为研究对象,通过连续6年的田间试验(30 t hm-2有机肥配施0、75、150、225、300 kg N hm-2),对长期有机肥配施氮肥条件下肥料氮在植物-土壤中的去向进行研究;利用同位素示踪技术开展3年田间微区试验(15N标记有机肥30 t hm-2配施0、75、150、225、300 kg N hm-2),对有机肥配施氮肥条件下有机肥中氮在植物-土壤中的去向进行研究;通过室内培养试验(15N标记有机肥配施0.1 g N kg-1土配施0、0.05、0.1、0.15、0.20 g N kg-1土),对有机肥配施氮肥处理有机肥中氮的矿化进行研究。得到以下主要研究结果:(1)连续6年的田间有机肥配施氮肥试验,30 t hm-2有机肥配施150 kg N hm-2(M+N150)或225kg N hm-2时,小麦的产量显著高于其它处理,6年产量均值M+N150处理分别比M、M+N75和M+N300处理提高40.6%、8.8%和8.7%,氮肥效应曲线计算得出30 t hm-2有机肥配施190 kg N hm-2小麦产量最高;M+N150处理小麦生物量、氮吸收量及化学氮肥利用效率均显著高于M和M+N75处理;M+N150处理的0-200 cm土层硝态氮含量与M处理和M+N75处理接近,M+N150处理收获期硝态氮储量显著低于M+N225处理和M+N300处理,M+N150处理硝态氮淋溶风险较小;与M+N300处理相比,M+N150处理显著增加了土壤MBC、MBN含量,且M+N150处理NAG(β-1,4-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶)、LAP(L-亮氨酸氨基肽酶)、βG(β-1,4-葡萄糖苷酶)、CBH(纤维二糖水解酶)、AKP(碱性磷酸酶)这五种酶的活性最高。表明有机肥配施适量的氮肥可以增加小麦产量、生物量、氮吸收量、0-20 cm土层土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)含量及土壤酶活性,提高化学氮肥利用效率,减少0-200 cm土壤硝态氮残留量,30 t hm-2有机肥配施150 kg N hm-2是最佳的配比。(2)连续三年15N标记有机肥配施氮肥试验,M+N75和M+N150处理小麦的籽粒干重、小麦的生物总量、氮素积累量均最高;M+N75和M+N150处理小麦对于有机肥中15N的吸收量显著高于M+N300处理;M+N75和M+N150处理有机肥中氮对于小麦籽粒氮的贡献率三年累计分别达到了6.2%、5.2%,均显著高于M+N300处理(2.7%),有机肥中氮的利用率三年累计分别达到了10.8%、10.1%,显著高于M+N300处理(6.1%);矿质氮中15N残留量主要分布在0-40 cm土层中,并且逐年降低,M+N225和M+N300处理矿质氮15N残留量高于其它处理;有机肥施入土壤以后主要增加了土壤中酸解性铵态氮含量和酸解性氨基酸态氮含量,且配施氮肥用量越高,残留量越高。试验第三年M+N75和M+N150处理0-40 cm土壤全量15N残留量高于M+N225和M+N300处理,40-100 cm土壤全量15N残留量低于M+N225和M+N300处理;有机肥中的氮70%残留在0-100 cm土壤中,M+N75处理残留量最低,M+N300处理残留量最高。表明有机肥配施适量的氮肥,通过促进植物对于有机肥氮素及土壤中酸解性铵态氮和酸解性氨基酸态氮的吸收,增加有机肥氮素对小麦籽粒氮的贡献率;增加有机肥氮的利用效率,减少有机肥氮素在土壤中的残留,可以降低有机肥中氮素在土壤中的淋溶风险,减少有机肥中氮的损失。(3)培养条件下15N标记有机肥配施氮肥试验,M+N0.20处理显著增加了土壤中的硝态氮含量;M+N0.15处理显著增加了土壤微生物量碳含量;M+N0.05处理(化学氮/有机氮=1/2)显著增加了土壤微生物量氮含量,氮在土壤中的残留量也最高,且显著高于M处理;M+N0.15处理有机肥的矿化率最高达到6%,显著高于M、M+N0.05和M+N0.20处理。表明有机肥配施适量的氮肥可以增加土壤微生物量碳的含量,促进有机肥的矿化,M+N0.15处理(化学氮/有机氮=3/2)最优。本研究通过对长期有机肥配施氮肥条件下肥料氮在植物-土壤中去向的分析,探明了有机肥配施氮肥的效果;用15N标记有机肥研究了有机肥配施氮肥条件下有机肥中氮对植物的贡献能力及在土壤中的残留情况,明确了有机肥中氮的去向;培养条件下,用15N标记有机肥研究了有机肥配施氮肥有机肥中氮的矿化情况,明确了促进有机肥氮矿化的有机肥全氮与化肥氮的最佳配比。这些结果有助于明确有机肥配施氮肥条件下,有机肥中氮的去向,可以为西北旱地冬小麦有机肥与氮肥合理配施提供理论依据和指导。
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