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近些年,农村劳动力的短缺使得免耕栽培技术得到大面积的推广和应用。然而,免耕稻田仍然采用传统的氮肥撒施技术,氮肥颗粒滞留于土壤表层会导致免耕稻田气态氮损失加大,氮肥利用率和产量降低。因此研究氮肥深施模式下免耕稻田氨挥发和氧化亚氮的释放、氮素利用的变化特征及相应微生物调控机制,可以为该技术的推广与相关研究提供科学依据。本研究于2013-2016年在湖北省武穴市花桥镇试验基地进行,以长期免耕稻田为研究对象,设置不同的氮肥施用深度,研究了氮肥深施对免耕稻田氨挥发、氧化亚氮排放与氮肥利用率的影响。具体试验处理包括:不施氮肥对照(CK)、传统表施(S)、5 cm穴施(5P)、10 cm穴施(10P)和20 cm穴施(20P)。本研究从土壤硝化和反硝化作用功能微生物群落分析出发,探讨不同氮肥施用深度下氧化亚氮排放的微生物调控机理,通过根际速效氮供应模型分析氮肥施用深度对水稻根系生长和氮吸收的影响;同时,设置氮肥深施比例盆栽试验,为进一步完善免耕稻田氮肥深施模式提供理论依据。主要试验结果如下:(1)免耕稻田氮肥深施相对于氮肥表施提高了水稻全生育期平均土壤铵态氮含量19.4%-94.5%,降低了平均地表水铵态氮含量22.5%-49.4%,显著降低了氨挥发总量32.4%-93.5%,且随氮肥施用深度的加大其对氨挥发的抑制作用也随之加强。(2)相对于免耕稻田氮肥表施,氮肥深施显著降低了土壤氧化还原电位、pH和溶氧量,降低水稻全生育期平均土壤剖面氧化亚氮浓度16.7%-17.3%,显著降低了稻田氧化亚氮排放总量25.4%-26.5%。受土壤还原性、硝化作用和反硝化作用对氧化亚氮排放的综合调控作用,氮肥深施10 cm处理相对于深施5 cm处理和深施20 cm处理分别减少氧化亚氮排放总量19.8%-24.1%和23.6%-26.1%。(3)免耕稻田氮肥深施相对于氮肥表施由于土壤速效氮底物含量的提高,促进了相应氨氧化古菌、氨氧化细菌、nirK型和nirS型反硝化细菌功能微生物群落代谢,提高水稻全生育期平均根际硝态氮供应速率18.5%-23.5%。同时,氮肥深施处理中深施10 cm处理相对于其他氮肥深施处理提高了水稻全生育期平均根际硝态氮供应速率6.3%-20.4%,提高了根表面积8.4%-23.5%,促进了根系对氮肥的吸收利用。(4)与氮肥表施相比,免耕稻田氮肥深施通过降低氮肥气态损失29.2%-30.5%,提高根际硝态氮供应速率,同时通过促进根系生长,促进了氮肥的吸收,提高氮肥利用率43.2%-47.6%。综合分析认为免耕稻田10 cm为最适氮肥施用深度,能有效降低氮肥气态损失和提高氮肥利用率。(5)基肥深施氮肥量控制在总施氮量的70%以内,氮肥深施比例加大可以提高水稻根际速效氮供应速率,促进根系生长进而提高氮肥利用率;当基肥深施氮肥量超过总施氮量70%,水稻生育后期对氮的需求没有得到满足,氮肥利用率和产量不再升高。氮肥深施70%相对于其他氮肥深施比例处理提高氮肥利用率21.9%-29.5%,提高产量16.9%-28.3%。综上所述,四年的大田和盆栽试验结果表明,氮肥深施可以显著降低免耕稻田氨挥发和氧化亚氮气态氮损失,进而提高水稻根际速效氮供应速率,促进根系生长和根系氮吸收,提高免耕稻田氮肥利用率和产量;同时,对于常规杂交中秆品种水稻,免耕稻田氮肥深施模式最适氮肥深施比例和深度为全氮肥施用量的70%作为基肥深施在10 cm土层。