沼液施用对滨海稻麦两熟田土壤有机氮矿化的影响

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沼液是畜禽粪污厌氧发酵的副产物,含有大量N素以及氨基酸、腐殖酸、活性酶等生物活性物质。沼液是化学N肥的高效替代品,在种养结合与化肥减量农业高质量发展战略中具有重要价值。来自沼液的大量N素施入农田后势必会对土壤N素的周转与转化产生显著影响。然而,以往关于沼液农田施用的研究主要集中在沼液对化学N肥的替代量、替代方式、环境效应等方面,有关沼液施用对土壤有机氮(SON)矿化和组分变化的影响还未见报道。本研究以江苏东台稻麦两熟田为对象,采集中粮肉食(江苏)有限公司所属沼气站的猪场沼液(CSTR工艺),通过田间小区试验,设置(1)沼液用量试验:水稻田设置4个沼液用量处理,分别为0 m3/ha(CK-R)、250 m3/ha(BS1-R)、500 m3/ha(BS2-R)、750 m3/ha(BS3-R)。小麦田设置为0 m3/ha(CK-W)、166 m3/ha(BS1-W)、332 m3/ha(BS2-W)、498 m3/ha(BS3-W);(2)沼液替代化肥试验:以水稻田、小麦田N素输入总量分别控制在225 kg/ha、150 kg/ha为前提,水稻田、小麦田均设置4个沼液替代水平,分别为100%化肥(CBS0-R、CBS0-W)、33%沼液+67%化肥(CBS1-R、CBS1-W)、66%沼液+34%化肥(CBS2-R、CBS2-W)、100%沼液(CBS3-R、CBS3-W)。田间小区试验总计8个处理,主要研究:土壤全氮(TN)、酸解铵态氮(AN)、氨基酸态氮(AAN)、氨基糖态氮(ASN)、酸解未知态氮(UN)、非酸解氮(NHN)以及SON矿化的变化特征,同步分析土壤细菌群落、土壤p H、EC、有机碳(SOC)的变化以及与土壤氮矿化势(N0)的关系,以期为江苏滨海农区沼液最佳用量的确定和土壤N素的管理提供理论依据。本论文主要结果和结论如下:(1)对于水稻季土壤,与不施沼液(CK-R)相比,低(BS1-R)、中(BS2-R)、高(BS3-R)沼液用量显著提高了土壤N0(P<0.05),涨幅处于26.7%~34.95%,但3个用量之间无显著差异。相比较而言,等N量处理下,水稻季土壤N0大小为:CBS3-R=CBS2-R>CBS1-R>CBS0-R。这表明,施用沼液可显著提高稻田土壤的供N能力,当沼液替代水平高于66%时,稻田土壤的供N能力最强。对于小麦季而言,施用沼液可显著提高土壤N0,与不施沼液(CK-W)相比,低(BS1-W)、中(BS2-W)、高(BS3-W)沼液用量下的涨幅分别为103.2%、72.2%、129.4%,且BS3-W处理下土壤N0显著高于BS2-W,涨幅为33.2%。另一方面,等N量处理下,小麦季土壤N0大小为:CBS3-W=CBS0-W>CBS2-W。这表明,在332~498 m3/ha的沼液用量下,麦田土壤的供N能力随沼液用量提高而升高,并且沼液全量替代化肥不会造成麦田土壤供N能力的下降。(2)与不施沼液(CK-R)相比,水稻季土壤AAN含量在低沼液用量(BS1-R)下显著下降(P<0.05),降幅为20.7%,但AN在低(BS1-R)、中(BS2-R)沼液用量下无显著变化,高沼液用量(BS3-R)下升高14.8%。这表明,低、中量的沼液施用并未显著贡献于稻田土壤AN、AAN含量的增加。相比较而言,等N量处理下,与100%施用化肥(CBS0-R)相比,沼液替代化肥显著提高了所有SON组分的含量,其中AN、AAN、NHN含量的涨幅分别为15.1%~17.6%、25.6%~39.2%、38.9%~73.9%。这表明,沼液替代化肥对稻田土壤的易矿化N库、难矿化N库均有显著提升作用。对于麦田土壤,与不施沼液相比(CK-W),NHN含量在BS2-W处理下降低57.9%,BS3-W处理下上升218.3%。等N量处理下,33%(CBS1-W)、66%(CBS2-W)的沼液替代水平显著提升了NHN含量,与100%施用化肥(CBS0-W)相比,分别上涨47.6%、35.4%。这表明,仅在沼液用量高于332 m3/ha或替代化肥水平处于33%~66%时,麦田土壤难矿化N库才会有显著提升。(3)16s rDNA第二代高通量测序结果表明:对于稻田土壤,以相对丰度≥1%为标准,与CK-R相比较,BS1-R、BS2-R、BS3-R处理下消失与新出现的属的相对丰度总和占CK-R处理下主要细菌属相对丰度总和的比例分别为12.7%、16.7%、20.7%。相比较而言,等N量处理下,与CBS0-R相比较,CBS1-R、CBS2-R、CBS3-R处理下该变化产生的相对丰度总和占CBS0-R处理下主要细菌属相对丰度总和的比例分别为11.1%、18.4%、23.5%。这表明,不同沼液用量与替代化肥水平对稻田土壤主要细菌属组成结构的影响相似,变化处于11.1%~23.5%。对于麦田土壤而言,与CK-W相比较,BS1-W、BS2-W、BS3-W处理下消失与新出现的属的相对丰度总和占CK-W处理下主要细菌属相对丰度总和的比例分别为6.3%、22.6%、25.3%。相比较而言,等N量处理下,与CBS0-W相比较,CBS1-W、CBS2-W、CBS3-W处理下该变化产生的相对丰度总和占CBS0-W处理下主要细菌属相对丰度总和的比例分别为7.9%、11.1%、13.2%。这表明,沼液用量或替代水平越高,对土壤主要细菌属的组成结构产生的影响就越大。另一方面,BS3-R处理显著降低了水稻季土壤细菌群落Chao1指数、Shannon指数与Simpson指数(P<0.05)。这表明,施用高量沼液可能会造成稻田土壤细菌群落多样性的降低。(4)对于稻田土壤,不同沼液用量下Pedosphaeraceae_unclassified、KD4-96_unclassified、SOC对土壤N0有显著影响(P<0.05),三者对N0的贡献度分别为34.9%、32.3%、19.1%。这表明,生物因子是主导水稻季SON矿化的关键因子。相比较而言,等N量处理下,土壤TN、Thermodesulfovibrionia_unclassified、Latescibacteria_unclassified、Geobacter、S085_unc-lassified对土壤N0有极显著影响(P<0.01),对土壤N0的贡献度分别为56.4%、19.5%、10.0%、8.2%、5.9%。这表明,沼液替代化肥时,非生物因子与生物因子同时对稻田土壤N0起着重要影响。对于麦田土壤,不同沼液用量下Saprospiraceae_unclassified、土壤AAN、Pedosp-haeraceae_unclassified、Subgroup_10对土壤N0有显著影响,对土壤N0的贡献度分别为51.6%、39.3%、5.1%、4.0%。这表明,生物因子与非生物因子同时对小麦季SON矿化有重要影响。相比较而言,等N量处理下,仅有土壤AN与NHN与土壤N0有极显著相关关系,贡献度分别为51.0%、36.5%。这表明,沼液替代化肥模式下,非生物因子是主导小麦SON矿化的关键因素。
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