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粮食安全一直是世界关注的热点话题,多元化水旱轮作种植模式是提高复种指数、保障粮食安全、提高资源利用率的有效手段。本研究于2017-2019年开展相同设计的油-稻、麦-稻和菜-稻盆栽试验和大田试验,试验设计为:采用3因素裂区设计,主区为油-稻、麦-稻和菜-稻3种轮作方式,裂区为油/麦/菜季设置常规施氮Nc(油菜,180 kg·hm-2;小麦,150 kg·hm-2;青菜,180 kg·hm-2)和减量施氮Nr(油菜,150 kg·hm-2;小麦,120 kg·hm-2;青菜,150 kg·hm-2)2个处理,裂裂区为在水稻季N肥150 kg·hm-2用量基础上设置M1、M2和M3 3个氮肥运筹方式,其基肥、分蘖肥、穗肥的用量比分别为2:2:6、3:3:4和4:4:2,以不施氮为对照（M0）;盆栽试验为15N同位素标记的示踪研究,通过定量估算同位素标记的氮肥的投入、产出,明确其在旱、水两季的准确去向。通过稻季氮肥调控,结合水稻形态建成、物质积累、氮素利用、稻季土壤养分及碳库组分、微生物群落、酶活差异、产量形成等生理生化变化,探索土壤理化性质变化规律及氮素养分对周年生产力的影响,建立以提高氮素周年循环利用效率为核心的丰产、高效和环境友好的多元化水稻种植技术模式,旨在为多元化种植模式下氮素的周年高效利用提供理论依据和实践参考。主要研究结果如下:1.通过盆栽试验研究表明,多元化种植模式下优化施肥能够有效调节氮素的固持与供应,提高氮肥利用率,降低氮肥损失。通过15N同位素标记发现,油/麦/菜-稻模式下,通过前季15N示踪估算出青菜中15N积累量最大,油菜次之,小麦最少。油菜季和青菜季Nr及小麦季Nc下,前季残留15N在稻季均以氮肥M3运筹下水稻植株15N积累量最大,分别占前茬残留氮的21.35%、24.91%和46.72%。氮素损失率以油菜季最大,青菜季次之,小麦季最小。油菜季Nc和Nr下,水稻季氮农学利用率和氮肥偏生产力均以M3运筹下最高。小麦季和青菜季Nc和Nr下,水稻季氮农学利用率和氮肥偏生产力均以M2运筹下最高。从周年氮素回收利用率来看,油菜季Nc和Nr下周年氮素回收利用率均以M3最高,小麦季和青菜季Nc和Nr下以M2最高,以上结果说明多元化种植模式下通过优化施氮管理,可显著提高作物周年氮素利用效率。2.通过大田试验结果表明,氮肥调控是实现多元化种植模式下作物周年产量和氮肥利用效率协同提高的重要途径。油菜季Nc和Nr下,稻季氮肥管理M3处理通过提高水稻有效穗和穗粒数,实现增产,两年平均产量分别为9410.26 kg·hm-2和9545.15 kg·hm-2。小麦季Nc和Nr下,M3处理水稻穗粒数和千粒重较多,产量优势突出,两年平均产量分别为9459.87 kg·hm-2和9319.91 kg·hm-2。青菜季Nc和Nr下,M2处理提高了水稻穗粒数和结实率,产量较高,两年平均产量分别为9370.18 kg·hm-2和9244.83 kg·hm-2。从周年产量来看,稻季合理氮肥管理能够降低前茬减量施氮造成的作物产量损失。油菜季Nr相对于Nc,周年节氮30kg·hm-2,在M3处理下作物周年产量仅下降1.75%,差异不显著;小麦季和青菜季Nr相对于Nc,产量表现最佳的M2处理周年产量分别下降5.42%和14.39%,差异显著。多元化种植模式下优化氮肥管理增加了水稻根系长度（TRL）和根体积（TRV）,提高了水稻高效叶面积,增加了可溶性蛋白含量和保护酶活性,降低了丙二醛含量,促进功能叶的生长和发育,提高营养器官的含氮量,使抽穗期的叶面积和净光合速率显著增加,同时延缓了叶片衰老,从而显著地提高了抽穗后物质的生产,以油菜季减量施氮（Nr）,稻季M3处理优势更明显。氮素干物质生产效率和氮素稻谷生产效率随稻季氮肥后移比例的增大呈增加趋势。说明多元化种植模式下优化氮肥管理可以通过提高根系活力、增加氮代谢相关酶活性和光合作用等生理指标实现水稻产量和氮肥利用效率协同提高。3.通过大田试验结果表明,多元化种植模式下优化氮肥管理增强土壤氮素转化强度,提高养分活化能力。经逐步回归分析可知,水稻产量=0.279×TOC+8.46×OM+0.196×NH4+-N-0.242×NO3--N-0.017×DOC（R~2=0.87*）（TOC-总有机碳;OM-有机质;NH4+-N-铵态氮;NO3--N-硝态氮;DOC-可溶性有机碳）,表明作物周年产量与土壤总有机碳、有机质、全氮和速效磷关联度较高,是影响水稻产量的主要因素。在水稻成熟期,土壤有机质和铵态氮含量以M3处理最高,土壤中TOC在不同的前茬作物下表现为:青菜（Pg）＞油菜（Pr）＞小麦（Pw）,Pg下相对于Pr和Pw分别增加了0.34%和6.36%,TOC在M3处理下相对于M2、M1和M0分别提高了5.53%、9.39%和13.19%,综合来看,油菜季Nr耦合稻季氮肥M3运筹下的TOC高于其他处理。氨氧化作用的主要承担者是氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）,与土壤氮循环密切相关。本研究结果表明,在优化氮肥管理模式下,氨氧化过程中的主要承担者是AOB而非AOA。氨氧化细菌（AOB）中Proteobacteria相对丰度在油菜季Nr耦合稻季氮肥M3运筹下理下最大,说明该模式提高了氨氧化细菌（AOB）中变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度,增强土壤氮素转化强度,提高养分活化能力。4.多元化种植模式下优化氮肥管理促进了秸秆腐解,提高养分释放率。本研究结果表明,油菜秸秆和小麦秸秆经过腐解,秸秆中养分释放率均表现为钾＞磷＞氮,翻埋100 d后,油菜秸秆中39.68%-62.34%的氮、49.37%-71.43%的磷、74.75%-80%的钾被释放;小麦秸秆中41.69%-62.37%的氮、41.69%-71.08%的磷、74.86%-75%的钾被释放;腐解30 d时,秸秆中已有超过75%的钾素释放出来,说明多元化种植模式下优化氮肥管理可以加快秸秆养分释放。从资源高效和环境效益方面综合考虑,油菜季减量施氮耦合稻季氮肥基:蘖:穗肥比4:4:2（M3）运筹下的作物周年产量下降不显著,周年氮素施用量减少、利用效率高,土壤氮素转化强度加大,土壤养分活化能力增强,提高了轮作系统作物养分资源高效利用,是四川盆地稳产、节氮和环境友好的绿色种植模式。