论文部分内容阅读
水稻是我国的三大主粮之一,而免耕作为一种新型保护性耕作措施被广泛运用于我国的水稻生产。为了提高免耕稻田的氮肥利用率,近年来氮肥深施措施在我国得到推广。相对于传统表施,氮肥深施可以在增加作物产量的同时减少氮素流失,但其对土壤有机质特性、甲烷排放及相关微生物群落的影响及作用机制仍不明确。本研究于2013–2016年在湖北省武穴市花桥镇试验基地进行水稻-油菜免耕复种大田试验,研究了不同深度氮肥深施措施下免耕稻田中土壤有机质特性、甲烷排放及微生物群落的响应差异与机制。试验处理包括不施氮肥空白对照(CK)、氮肥表施(SB)、氮肥深施5 cm(5D)、氮肥深施10 cm(10D)和氮肥深施20 cm(20D)。本试验通过磷脂脂肪酸法和实时定量PCR等方法研究土壤中微生物群落丰度和组成的变化,通过湿筛法和密度筛分法研究土壤有机质各组分的有机碳含量和物理结构,通过核磁共振和热裂解气相色谱/质谱联用法研究土壤有机质的化学组成和性质,通过主成分分析、冗余分析和结构方程模型等分析方法对试验数据进行多元统计分析。主要试验结果如下:(1)与传统表施相比,氮肥深施10 cm改良了免耕稻田土壤的物理结构特性和团聚体稳定性,改变了大团聚体中有机碳的累积量和分布以及各微生物群落的丰度:氮肥深施下土壤容重降低16.4%–16.7%,土壤孔隙度显著提高25.5%–35.1%,团聚体平均重量直径增加3.9%–4.2%;大团聚体中的总有机碳含量以及游离态和闭蓄态颗粒有机质的有机碳含量分别提高9.7%–18.7%、13.3%–20.7%和9.0%–13.7%;大团聚体中的总微生物量以及细菌、放线菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的群落丰度分别升高15.4%–40.0%、18.9%–49.6%、37.9%–38.6%、25.7%–46.9%和33.9%–115.1%,真菌群落丰度则降低26.4%–59.9%。(2)与传统表施相比,氮肥深施尤其是深施10 cm提高了免耕稻田土壤腐殖质的品质和稳定性,提高了土壤活性有机质的有机碳含量并改变了活性有机质的化学组成,以及改变了土壤中各胞外酶的活性:氮肥深施下土壤腐殖质中胡敏酸的有机碳含量升高10.5%–30.7%,胡敏酸/富里酸的比例升高22.2%–33.1%,胡敏酸的烷基碳/烷氧碳比例以及疏水性分别增加2.3%–27.8%和1.3%–11.6%;土壤活性有机质的有机碳含量增加31.7%–53.5%,活性有机质中多糖和脂质的含量分别提高9.0%–24.1%和43.4%–68.3%,含氮化合物的含量则降低31.1%–32.8%;土壤中β-葡糖苷酶和β-N-乙酰氨基葡糖苷酶的活性分别降低22.2%–48.9%和32.7%–40.4%,L-亮氨酸氨基肽酶和酚氧化酶的活性分别提高37.1%–38.5%和11.0%–16.0%。(3)与传统表施相比,氮肥深施尤其是深施10 cm促进了免耕稻田水稻的生长,提高了土壤活性有机碳的含量,增加了土壤微生物总量及各微生物群落的丰度,但降低了土壤的甲烷排放量:氮肥深施下作物的C和N累积量分别提高20.6%–57.8%和24.4%–59.2%,微生物量碳和可溶性碳的含量分别提高12.0%–56.0%和19.5%–53.7%,微生物总量和细菌群落生物量分别增加12.2%–70.0%和14.5%–81.6%,产甲烷菌和甲烷氧化菌的丰度分别提高27.1%–41.0%和23.3%–184.8%,但同时产甲烷菌和甲烷氧化菌的比例下降3.3%–50.0%,土壤剖面甲烷浓度、地表甲烷排放通量和甲烷季节累积排放量则分别减少9.2%–53.7%、6.8%–38.6%和6.4%–38.7%。(4)氮肥深施10 cm通过提高大团聚体中颗粒态有机质的有机碳含量和微生物群落的丰度来直接或间接改变大团聚体有机碳的含量、分布和有效性,进而提高土壤的孔隙度和团聚体稳定性,最终达到改良土壤物理结构特性和有机质品质的效果;此外,一方面氮肥深施尤其是深施10 cm通过对作物生长和微生物群落丰度的促进来提高胡敏酸和活性有机质的有机碳含量,通过对土壤中β-葡糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡糖苷酶和酚氧化酶活性的调控来改变胡敏酸和活性有机质的化学组成与性质,从而在促进土壤惰性有机质稳定性的同时提高活性有机质的有效性,另一方面氮肥深施尤其是深施10 cm时土壤活性有机质中多糖的累积又会对团聚体稳定性和土壤孔隙度等物理结构特性起到改善作用,从而达到提高土壤肥力和质量的作用;最后,氮肥深施直接或间接通过对作物生长、土壤微生物群落丰度和活性有机碳含量的提高以及对土壤中多糖水解酶活性的抑制来降低产甲烷菌和甲烷氧化菌的丰度比例,从而最终达到有效抑制免耕稻田甲烷排放的效果,氮肥深施10 cm则由于其土壤中mmo X群落的丰度最高而成为最能有效降低免耕稻田甲烷排放量的氮肥深施措施。综上所述,相对于传统表施,氮肥深施措施能在促进作物生长、提高氮肥利用率的同时有效抑制免耕稻田土壤的甲烷排放,可以通过对土壤有机质物理和化学特性的调控提高土壤的质量和肥力,且在氮肥施用深度为10 cm时效果最佳,因此应该在免耕稻田农业生产中得到进一步推广和发展。