【摘 要】
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滨海地区禽畜养殖业快速发展的同时产生大量沼液,沼液富含氮(N)素等作物所需的营养物质,它的农田消纳在国家种养结合和化肥替代与减量战略中扮演重要角色。秸秆还田是滨海地区重要的农田管理措施,这不仅影响土壤碳N平衡并改变土壤性质,而且对土壤N素的周转产生显著影响。反硝化(Den)和硝态氮(NO3--N)氨化(DNRA)是土壤NO3--N异化还原的重要途径,二者与土壤温室气体N2O的形成密切相关。以往有关
【基金项目】
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国家重点研发计划项目(2017YFC0505803);
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滨海地区禽畜养殖业快速发展的同时产生大量沼液,沼液富含氮(N)素等作物所需的营养物质,它的农田消纳在国家种养结合和化肥替代与减量战略中扮演重要角色。秸秆还田是滨海地区重要的农田管理措施,这不仅影响土壤碳N平衡并改变土壤性质,而且对土壤N素的周转产生显著影响。反硝化(Den)和硝态氮(NO3--N)氨化(DNRA)是土壤NO3--N异化还原的重要途径,二者与土壤温室气体N2O的形成密切相关。以往有关沼液替代化肥以及化肥秸秆联用对土壤Den影响的研究较为充分,而同步研究土壤Den和DNRA过程,特别是在秸秆还田背景下开展的相关研究还未见报道。本文以江苏东台滨海盐土农区水稻田为对象,借助15N同位素示踪技术,开展如下研究:(1)沼液替代化肥下的室内土培实验,设置空白(C0,0 kg N/hm2)、低量(C1,75 kg N/hm2)、中量(C2,150 kg N/hm2)和高量(C3,225 kg N/hm2)等4个化肥处理,以及等N量沼液替代化肥(B0,0 kg N/hm2;B1,75 kg N/hm2;B2,150 kg N/hm2;B3,225 kg N/hm2)等4个处理,研究沼液替代化肥对土壤Den和DNRA速率的影响;(2)秸秆还田和沼液替代化肥下的田间小区实验,设置空白(CK,0 kg N/hm2)、单加沼液(B,225 kg N/hm2)、单加化肥(C,225 kg N/hm2)、同时加沼液与秸秆(BS,225 kg N/hm2,秸秆量7.5 t/hm2)、同时加化肥与秸秆(CS,225 kg N/hm2,秸秆量7.5 t/hm2)等5个处理,研究水稻不同生育期(分蘖期、抽穗期和成熟期)各处理土壤Den和DNRA速率的变化特征;(3)生物炭添加下的室内土培实验,设置CK、B、C、BS和CS等处理,研究添加生物炭(生物炭和土壤质量比:0和1%)对各处理土壤Den和DNRA速率的影响,同步分析各处理土壤Den和DNRA速率与土壤性状的关系,明确秸秆还田措施下沼液替代化肥对稻田土壤Den和DNRA特征的影响,以期为滨海盐土农区沼液替代化肥措施下土壤N2O排放的评估与调控提供理论依据。本论文的主要研究结果与结论如下:(1)沼液替代化肥处理(B1、B2和B3)培养1 h后,土壤Den速率为4.6~7.3μg N2O-15N/kg/h,化肥处理(C1、C2和C3)土壤Den速率为1.9~2.9μg N2O-15N/kg/h;24 h时,沼液替代化肥和化肥处理土壤Den速率无显著差异(P<0.05)。这表明,沼液替代化肥后,在短期内(1~24 h)土壤Den速率会显著加快。72 h后,化肥处理间土壤Den速率无显著差异,而沼液替代化肥处理间土壤Den速率表现为B2>B3>B1。这表明,沼液替代化肥降低了土壤N素以Den形式的逸失强度,有助于土壤N2O释放量的降低。此外,加入沼液或化肥培养48 h后土壤DNRA速率出现负值,这可能是由于土壤DNRA过程生成的NH4+-N通过氨挥发或厌氧氨氧化途径损失所致。(2)水稻成熟期(收获后),沼液替代化肥处理(B和C相比)土壤Den速率显著降低,降低幅度为31.8%(P<0.05)。相比较而言,秸秆还田措施下,所有观测的3个生育期下,沼液替代化肥(BS和CS相比)均使得土壤Den速率升高,升高幅度为16.8%~53.6%。这表明,秸秆还田措施下,沼液替代化肥显著增加了土壤Den速率。对不同生育期而言,B、C、BS和CS处理土壤的最高Den速率均出现在成熟期。整个生育期土壤N2O排放量的高低依次为:BS(34.6 mg/kg)>C(20.9 mg/kg)>CS(20.4 mg/kg)>B(15.3 mg/kg)>CK(2.9 mg/kg)。这表明,沼液替代化肥有利于土壤N2O减排,但添加秸秆后会促进其排放。此外,无论是否秸秆还田,各处理土壤DNRA速率均表现为水稻分蘖期最高。进一步分析发现,不添加秸秆时,无论沼液替代化肥与否,土壤Den速率均与pH正相关,与碳氮比(C:N)负相关,添加秸秆后,主导Den速率变化的因子转变为NO3--N和NH4+-N。(3)添加生物炭后,B处理土壤Den速率无显著变化,但C处理Den速率增加26.9%。相比较而言,生物炭的加入使BS和CS处理Den速率分别降低11.8%和32.3%,DNRA速率分别降低14.7%和52.6%。这表明,秸秆还田措施下,生物炭的施用可同时降低土壤Den和DNRA速率。值得关注的是,加生物炭前土壤DNRA速率表现为BS低于CS 18.1%,但添加生物炭后,BS高出CS 52.0%。这表明,秸秆还田措施下,生物炭的添加更有利于沼液替代化肥处理下土壤DNRA过程,有助于土壤N素的保存和减少土壤N2O的逸失。
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