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旱地农田生态系统是N2O的重要排放源之一,而田间施肥管理则对农田N2O排放有显著影响。因此,在保障作物产量的前提下,如何通过优化施肥方式来降低农田温室气体排放是目前研究者的关注焦点之一。近年,为防止土壤退化,提高土壤肥力,我国提倡采取有机肥与无机肥配施模式。然而,这种配施模式对农田N2O排放的影响研究较少,尤其在耕地面积占13%的中国东北,缺乏相应田间数据。
土壤微生物在农田土壤氮素转化中起着重要作用,氮素矿化作用、同化作用、硝化作用和反硝化作用离不开微生物的参与。本论文选择吉林省公主岭典型黑土玉米种植农田为研究对象,研究了无机肥和有机肥配施模式(以NxMy表示,其中N和x分别表示化肥及化肥氮的施用量,单位是Kg N ha-1,M和y分别表示厩肥及施用量,单位是m3 ha-1)对东北典型玉米农作体系N2O排放及玉米产量的影响,同时监测了土壤硝化速率、矿化速率和土壤呼吸等土壤微生物过程变化,并采用传统平皿培养和RT-QPCR技术监测了不同施肥模式下土壤微生物量的变化规律,旨在为中国东北农田施肥方式如何影响N2O排放提供基础数据,为制定氧化亚氮减排策略提供理论依据。论文取得了如下主要结果:
(1)秋天施入12~15m3 ha-1有机肥,可以为第二年春天玉米生长提供NH4+和NO3-的量分别为17-47mg N kg-1和3.1-45.7 mg N kg-1,上述结果显示秋天施加有机肥提高了土壤速效氮含量;
(2)减量施化肥与秋施有机肥相结合模式有提高作物产量的趋势,但各施肥处理间作物产量没有明显差异。2010年化肥与有机肥配施模式,玉米产量为9.6~10.4 tonha-1,比只施化肥处理(N230M0)多1.2~2.2 ton ha-1;2011年化肥与有机肥配施模式玉米产量为11.3 ton ha-1,比只施化肥处理(N230M0)多0.6 ton ha-1;
(3)农田土壤的N2O排放量与化肥施入量显著正相关(P<0.05)。2010年化肥氮诱导的N2O释放因子为1.05%(0.96~1.08%),2011年化肥氮诱导的N2O释放因子为1.12%(0.40~1.85%); N2O排放量与秋天施加有机肥量间未发现相关性;
(4)无肥处理土壤矿化速率一直处于较低状态(0.1~1.4mg N kg-1 d-1);4月~6月,只施化肥处理(N230M0)土壤矿化速率为2.3~4.9 mg N kg-1 d-1,高于化肥与有机肥配施处理(N200M15)(0.9~3.5 mg N kg-1 d-1),而由于7月~11月间N230M0处理没有追肥,N230M0处理的土壤矿化速率为0.9~3.1 mg Nkg-1 d-1,低于N200M15处理(1.0~5.4 mg N kg-1 d-1),这说明化肥增加了土壤氮素的矿化作用。
(5)土壤硝化作用潜势与温度显著相关(P<0.05),各处理土壤硝化作用潜势在7月和8月份较高。采样期间,各处理土壤硝化作用潜势的大小顺序为:N200M15>N230M0>N0M0,表明有机肥或化肥都能增加土壤的硝化作用潜势;
(6)与无肥处理组(N0M0)相比,N230M0处理组土壤微生物量(AOA amoA、AOB amoA和nirS基因拷贝数,土壤细菌、真菌)减少,而N200M15处理组土壤微生物量指标都增加,这表明化肥使土壤微生物数量降低,而有机肥使土壤微生物数量增加。