论文部分内容阅读
干湿交替灌溉（AWD）是近年来最主要的水稻节水灌溉方式之一,在我国和东南亚等国家得到大面积推广。干湿交替灌溉对水稻产量及水、氮利用效率的研究也常有报道,具有明显的节水效益,能显著减少稻田氮素渗漏和径流损失。然而,我国南方水资源时空分布不均匀;区域内以岗地、丘陵等复杂、破碎的地形地貌单元为主。这对稻田水、氮利用效率均有重要影响。因此,在稻区推广干湿交替灌溉时,应考虑气象条件和田块类型的差异所产生的影响。同时,CH4和N2O是水稻种植中排放的主要温室气体,其排放主要受土壤水分的控制,干湿交替灌溉易造成土壤水分发生周期性的变化而改变CH4和N2O的排放。探究水稻干湿交替灌溉过程中CH4和N2O的排放规律对降低稻田温室效应具有重要意义。本研究在充分了解干湿交替灌溉对水稻产量、生长状况和水、氮利用效率影响的基础上,通过选取稻区典型稻田不同田块类型（塝田和垄田）进行田间灌溉试验,研究干湿交替灌溉的水氮管理方式在不同降雨年份（平水年和丰水年）和田块类型中对水稻产量、生长状况以及水、氮利用效率的影响。再通过水稻盆栽试验,重点探究干湿交替灌溉条件下,水稻种植过程中CH4和N2O的排放规律和温室效应,并从土壤相关底物和微生物的变化分析其影响机理。进一步通过室内培养试验,探究稻田土壤水分在不同程度的干湿交替过程中CH4和N2O的排放规律及影响机理。主要研究结果如下:（1）干湿交替灌溉不导致水稻减产,水稻生长状况也与淹灌无差异。田间试验研究表明:降雨年份、田块类型和氮肥水平对水稻产量和生长状况均有显著影响。垄田较塝田显著增产11.8%;N90和N180氮肥水平较NO分别增产17.1%和28.6%;而丰水年较平水年则导致水稻显著减产17.0%。此外,塝田与垄田的水稻产量在平水年无差异,而丰水年的塝田水稻产量较垄田显著减产17.9%;N90氮肥水平下垄田水稻产量较塝田高15.2%,而N180的塝田与垄田水稻产量无差异;塝田中N180氮肥水平较N90使水稻增产15.5%,而垄田间N90和N180氮肥水平的水稻产量无差异。平水年干湿交替灌溉能提高水稻产量、促进其生长;丰水年塝田则需适当提高氮肥施用量。（2）干湿交替灌溉能显著减少19.7%的灌溉水量,提高26.1%的灌溉水水分生产力（IWP）。此外,丰水年减少28.3%灌溉水量的同时提高了 22.3%的IWP,但总水分生产力（WP）降低43.1%;垄田减少26.6%的灌溉水量,分别提高了 57.0%和22.3%的IWP和WP;氮肥水平对灌溉用水效率的影响不明显。田间水利用系数（AE）在水稻生育期内变化显著,返青-分蘖期明显高于其他时期,并且丰水年、垄田和干湿交替灌溉能有效减少灌溉水的损失,提高AE。各处理中,丰水年垄田中干湿交替灌溉的AE显著高于其他处理。从水分生产力和田间水利用系数综合评价,干湿交替灌溉能显著提高稻田灌溉用水效率。（3）干湿交替灌溉不影响水稻氮素吸收量,能提高32.5%的氮肥吸收利用率,但不影响氮肥农学利用率、偏生产力和氮素收获指数。降雨年份、田块类型和氮肥水平对水稻氮素吸收量和氮的利用效率均有影响。平水年、垄田、N90和N180氮肥水平分别显著提高12.7%、13.2%、35.8%和49.9%的水稻氮素吸收量。丰水年（尤其塝田）水稻氮素吸收量受到明显抑制。氮肥水平的增加使水稻氮的利用效率呈降低趋势。不同降雨年份和田块类型间水稻氮的利用效率差异显著,但变化趋势不同。总体来说,干湿交替灌溉相比淹灌能提高水稻对氮的吸收和利用,而提高水稻氮的利用效率也需要同时考虑降雨和田块的影响。（4）干湿交替灌溉相比淹灌,有效减少CH4的排放的同时显著增加了 N2O的排放,但不影响稻田增温潜势。干湿交替灌溉整体上减少了 87.1%的CH4累积排放量,但N2O累积排放量增加了 181.8%。尤其是在第一次追肥后,干湿交替灌溉产生的N2O排放峰值是淹灌的5.6倍。低氮肥水平会显著减少CH4和N2O的排放,N90氮肥水平相比N180分别减少了 25.0%和54.3%的CH4和N2O累积排放量。晒田仅减少了 47.8%的CH4累积排放量而对N2O的排放无影响。根据水稻种植期间CH4和N2O的排放规律,建议在施氮肥期间保持田间淹水,其他时期进行干湿交替或间歇性淹水能有效降低稻田土壤的增温潜势。（5）水稻种植期内CH4和N2O排放相关土壤底物（NH4+、NO3-和DOC）浓度和微生物功能基因（McrA、pmoA、amoA、nirS、nirK和nosZ）丰度的变化与CH4和N2O的排放规律基本吻合,受灌溉方式和氮肥水平的显著影响,并在水稻不同生育期内变化显著。干湿交替灌溉中土壤pmoA基因丰度在分蘖期和抽穗灌浆期均显著高于McrA,以甲烷氧化作用为主,无CH4排放。淹灌中土壤McrA基因丰度在抽穗灌浆期显著高于pmoA,且土壤DOC的积累为CH4的排放提供了充足底物,CH4排放处于较高水平。分蘖期的干湿交替灌溉和淹灌中N2O的主要由硝化作用（amoA）产生,且干湿交替灌溉更强。nirK基因分度的差异表明硝化细菌的反硝化作用也是分蘖期N2O的主要产生途径。抽穗灌浆期内N2O排放相关土壤底物（尤其是NH4+）含量和微生物功能基因丰度均显著降低,是导致该时期N2O无排放的主要原因。（6）稻田土壤在不同程度的干湿交替（AWD30、AWD50和AWD100）过程中基本无CH4排放,但AWD30和AWD50的N2O排放较淹水条件显著增加,各水分条件的CH4和N2O排放相关土壤底物（NH4+、NO3-和DOC）和微生物功能基因（McrA、pmoA、amoA、nirS、nirK和nosZ）变化与其排放规律吻合。不同程度干湿交替过程中,土壤pmoA基因丰度始终高于McrA,以甲烷氧化作用为主;淹水条件下土壤中McrA基因丰度随淹水时间增加和外源氮素的添加而显著增加,pmoA基因丰度则降低,产甲烷作用逐渐增强。添加氮源导致各水分处理均产生N2O排放峰值,淹水条件下nirS基因丰度的显著增加表明反硝化作用是其N2O的主要产生途径;各干湿交替中amoA基因丰度显著增加,NH4+和NO3-分别呈消耗和积累的趋势,硝化作用（氨氧化作用）是N2O产生的主要途径。此外,AWD30中nirS、nirK和nosZ基因的变化表明硝化细菌的反硝化作用也是N2O产生的主要途径,且更多的氮素以N2形式损失,使其N2O排放低于AWD50。