稻田土壤系统对沼液还田的响应与氮淋溶风险阻控研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nayinian2688
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“沼液还田”因其成本低廉、技术简单以及废物资源化利用等优势在农业耕作中日益受到重视,然而沼液中的氮含量较高,在外源降水的驱动下,往往在灌区土壤中形成氮素的积累与淋溶,造成地下水和周围地表水氮污染隐患,进而成为沼液还田推广应用的瓶颈因素。本研究通过现场调研及构建实验室模拟体系,探究水稻全生长周期中稻田土壤系统对沼液还田的响应,并基于沼液还田土壤在降雨驱动下的淋溶规律研究,探讨了初期降雨时间间隔的不同对沼液还田土壤的氮淋溶影响,同时比较了稻草秸秆复配不同材料对沼液还田土壤的氮淋溶阻控效应,以期为缓解沼液还田过程存在的氮淋溶风险问题提供技术支撑。主要研究结果如下:(1)通过水稻全生长周期中稻田土壤系统对沼液还田的响应研究,发现沼液在稻田中的应用总体有助于提升稻田的养分水平。与CF(化肥处理)相比,BCF(沼液复合化肥处理)稻田水中总氮、总磷与有机质浓度平均增长了48.02%、118.75%和55.23%,且在两种处理下均呈先上升后下降的趋势。与CF相比,水稻各生长阶段下BCF耕层土壤中全磷和有机碳含量分别提升1.92%-13.54%和4.70%-21.31%,然而沼液施加总体降低了稻田耕层土壤中全氮的含量,特别是在灌浆期(降低21.17%)。另外,研究发现沼液能促进与N、P和C循环相关的根际细菌和真菌相对丰度的增加,进而促进土壤中养分循环能力。与CF相比,水稻根际中溶磷和纤维素分解相关细菌(如,Bacillus)和真菌(如,Mortierella)以及氮循环相关的细菌(如,Nitrosospira)在BCF中相对丰度更高,尤其是在水稻生殖生长阶段(孕穗期、灌浆期)。此外,BCF水稻生长过程中,DNRA(硝酸盐异化还原成铵)过程相关的细菌相对丰度逐渐增加,而与反硝化过程相关的细菌相对丰度逐渐降低。与此同时,相关性网络分析表明,相较于CF,BCF中根际微生物间的相互关联及作用更为紧密,这对土壤中养分的循环具有重要作用。(2)通过对沼液还田土壤在降雨驱动下淋溶规律的研究,发现降雨初期淋溶液中的无机氮主要以硝态氮形式存在,后期主要以铵态氮形式存在。硝态氮的淋溶量与原土柱本底硝态氮量呈明显正相关,其淋溶速率与降雨强度没有明显的相关性。不同的是,铵态氮的累积淋溶量与淋溶时间和降雨强度均表现出较好的相关性,这种差异主要由土壤中阳离子交换容量产生对铵态氮的吸附所致。另外,强降雨下土壤中铵态氮含量的变化量(3.04-14.74 mg/kg)显著高于弱降雨下(0.27-4.80 mg/kg),进一步说明降雨强度显著影响土壤铵态氮的淋溶,据此建议在降雨强度小的季节施加沼液可降低沼液还田土壤氮淋溶风险。(3)通过研究沼液施加后,不同时间间隔(1 d、5 d)的初期降雨对氮素淋溶的影响,发现在初期降雨时间间隔为5 d时,三种沼液施加强度BS1(63 kg N/ha)、BS2(130 kg N/ha)和BS3(270 kg N/ha)条件下的总氮累积淋溶量分别比间隔为1 d时低14.81%、20.47%和21.37%,这主要是因为初期降雨时间间隔的延长可使土壤表层更长时间处于好氧状态,从而促进氨氮的硝化转化,并在土柱中形成的好氧-缺氧-厌氧环境中实现部分氮的脱除,从而降低总氮淋溶量。结果表明初期降雨时间间隔的延长有助于降低沼液还田土壤氮淋溶风险。(4)通过稻草秸秆复配不同材料对沼液还田土壤氮淋溶阻控的研究,发现相较于空白组,S(稻草秸秆)和S+I(稻草秸秆复配铁基)添加组中,土壤淋溶液的总氮累积淋溶量分别降低了23.23%和36.32%,而B(生物炭)和S+B(稻草秸秆复配生物炭)组则分别高出21.39%和8.59%。土壤氮赋存形态、微生物高通量测序及PICRUSt功能预测结果表明,S组耕层土壤中铵态氮、硝态氮含量及DNRA过程相关菌属Anaeromyxobacter、Nrf AH基因相对丰度较高;S+I组土壤中铵态氮、硝态氮含量最低,且与反硝化过程相关的微生物Bacteroidota、norank_f_Anaerolineaceae及功能基因Nir K、Nor BC、Nos Z等相对丰度较高。以上结果说明S组促进了与DNRA过程相关的微生物活性,提高了耕层土壤氮的保留能力,而S+I组则可能是通过强化土壤的反硝化过程以减少氮淋溶。B组由于生物炭孔隙结构引起土壤充氧条件,导致硝化过程较强,而在S+B组中该过程减弱,进而减少氮淋溶,S+B组中硝化过程有关微生物及功能基因丰度与B组相比也有所下降。综合分析,稻草秸秆原生质、稻草秸秆复配铁基材料均有助于沼液还田土壤氮淋溶的阻控。
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