耕作與秸稈還田方式對稻田N2O排放、水稻氮吸收及產(chǎn)量的影響

馮珺珩 黃金鳳 劉天奇 曹湊貴,2 李成芳,2,*

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耕作與秸稈還田方式對稻田N2O排放、水稻氮吸收及產(chǎn)量的影響

馮珺珩1黃金鳳1劉天奇1曹湊貴1,2李成芳1,2,*

1農(nóng)業(yè)部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 湖北武漢 430070;2長江大學(xué) / 長江大學(xué)主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北荊州 434023

保護(hù)性耕作是改善農(nóng)田土壤肥力的重要舉措, 然而其對作物氮吸收與產(chǎn)量的作用尚不明確。為此, 本試驗(yàn)于2016—2017年稻季在湖北省武穴市花橋鎮(zhèn), 設(shè)置常規(guī)翻耕與免耕兩種耕作方式以及前茬作物秸稈全量還田與不還田兩種秸稈還田方法, 研究耕作與秸稈還田方式對稻田土壤N2O排放、根系酶活性、水稻氮吸收與產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明, 耕作方式顯著影響土壤N2O排放, 但不影響根系硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性、水稻氮吸收與產(chǎn)量。與翻耕處理相比, 免耕處理2016年和2017年土壤N2O排放量分別顯著提高了12.5%~18.2%和21.1%~38.6%。秸稈還田顯著影響土壤N2O排放量、根系酶活性、水稻氮吸收與產(chǎn)量。相對于秸稈不還田處理, 秸稈還田處理2016年和2017年土壤N2O排放量分別顯著提高了38.5%~45.5%和13.1%~29.5%。秸稈還田處理相對于不還田處理根系硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性分別顯著增加了6.7%~45.9%和9.0%~46.7%, 水稻氮吸收量提高了12.5%~26.0%, 產(chǎn)量增加了9.4%~12.6%。本文認(rèn)為, 雖然秸稈還田提高了水稻氮吸收與產(chǎn)量, 但也促進(jìn)了土壤N2O的排放, 因此在評估保護(hù)性耕作稻田溫室效應(yīng)時應(yīng)加強(qiáng)對溫室氣體(CH4和N2O)排放和土壤碳固定影響的長期監(jiān)測, 以期為發(fā)展低碳稻作提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

免耕; 根系; 硝酸還原酶; 谷氨酰胺合成酶; 溫室氣體

隨著世界人口的逐步增加, 人類對糧食的需求日益增大。但不合理農(nóng)藝措施, 例如頻繁耕作、秸稈焚燒、過度施用化肥等, 導(dǎo)致農(nóng)田土壤退化[1], 降低作物產(chǎn)量[2], 影響著全球糧食安全。頻繁耕作強(qiáng)烈地擾動土壤, 破壞土壤大團(tuán)聚體, 促進(jìn)土壤有機(jī)物的氧化, 降低土壤生物多樣性, 加速土壤侵蝕, 最終導(dǎo)致土壤退化[3]。作物秸稈是一種重要的可再生資源, 發(fā)展有效的秸稈利用技術(shù)是一項巨大的挑戰(zhàn)[1]。在中國, 農(nóng)民一般選擇在田間焚燒作物秸稈, 以減少處理秸稈的人力投入, 然而焚燒秸稈會造成大氣污染, 且降低土壤肥力[4]。因此, 為了減緩?fù)寥劳嘶c實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤的可持續(xù)生產(chǎn), 保護(hù)性耕作措施(如免耕、秸稈還田等)已被廣為提倡。

雖然氧化亞氮(N2O)在大氣中的含量遠(yuǎn)低于二氧化碳(CO2), 但其增溫潛勢是CO2的268倍[5], 是造成全球變暖的主要溫室氣體之一。耕作措施主要通過改變土壤水分、碳源和氧氣的可利用性影響N2O排放。然而當(dāng)前對于耕作對土壤N2O排放的影響研究結(jié)果不一致。Zhang等[6]發(fā)現(xiàn)翻耕與免耕對稻田土壤N2O排放的影響不顯著, 其原因可能在于試驗(yàn)點(diǎn)沙壤土良好的透氣性緩解了耕作的影響。然而, 有研究發(fā)現(xiàn)免耕增加了土壤N2O排放[7-8]。例如, Zhang等[7]報道, 免耕促進(jìn)了秸稈在土壤表層的積累, 其為反硝化細(xì)菌提供碳源, 促進(jìn)反硝化作用, 增加了N2O排放。Venterea等[9]指出免耕增加了土壤濕度, 降低了土壤溫度, 從而抑制土壤的硝化作用; 同時, 免耕條件下土壤C/N比高于翻耕, 促進(jìn)了土壤反硝化作用, 最終提高了N2O排放。Rochette等[8]發(fā)現(xiàn)免耕有利于厭氧環(huán)境形成, 促進(jìn)反硝化作用從而有利N2O產(chǎn)生。目前國內(nèi)關(guān)于秸稈還田對氧化亞氮的排放的影響研究較多, 但也尚無統(tǒng)一的結(jié)論。張岳芳等[10]認(rèn)為秸稈還田會降低土壤N2O的排放, 且當(dāng)秸稈還田和旋耕一起進(jìn)行時, N2O排放會被進(jìn)一步削弱。也有研究認(rèn)為秸稈還田降低了土壤Eh, 促進(jìn)了硝化作用產(chǎn)生的N2O還原為N2, 從而降低了N2O的排放[11]。還有學(xué)者從微生物角度出發(fā), 研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田增加了土壤中氮固定相關(guān)微生物的豐度, 增加土壤與微生物對氮的固定, 降低硝化和反硝化作用, 從而減少N2O的排放[12]。不同的研究結(jié)論可能受限于不同試驗(yàn)所處位置、氣候、土壤、種植制度等的影響[13]。因此進(jìn)一步研究免耕與秸稈還田對土壤N2O排放的影響對于發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)具有重要的意義。

免耕和秸稈還田作為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效手段, 具有節(jié)省勞力、環(huán)境友好等特征, 有利于維持土壤生產(chǎn)力和糧食穩(wěn)產(chǎn)[6]。然而, 不恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用免耕與秸稈還田也有可能導(dǎo)致作物減產(chǎn)等不良后果[13], 因此有必要進(jìn)一步研究免耕與秸稈還田對水稻氮吸收與產(chǎn)量的影響, 為探討可持續(xù)的稻田生產(chǎn)提供理論依據(jù)。本文在6年大田試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 研究耕作方式(翻耕與免耕)與秸稈還田方法(前茬作物秸稈不還田與全量還田)對2016年和2017年水稻生長季節(jié)土壤N2O排放、水稻氮吸收與產(chǎn)量的影響, 以期為降低氮肥損失和提高氮肥利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

湖北省武穴市花橋鎮(zhèn)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地, 屬長江中下游稻區(qū)(115°30′E, 29°55′N), 海拔20 m, 亞熱帶季風(fēng)氣候, 年均溫16.0~16.8℃, 年降雨量1278.7~1442.6 mm, 土壤潴育型水稻土, 為第四紀(jì)紅土沉積物發(fā)育。初始耕層土壤: pH 5.90, 含有機(jī)質(zhì)23.0 g kg–1、全氮2.60 g kg–1、全磷0.60 g kg–1。2016和2017年試驗(yàn)期間日氣溫見圖1。

圖1 2016–2017年稻季日均氣溫變化

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)點(diǎn)長期采用稻-麥復(fù)種模式, 水稻品種為黃華占(L.), 小麥品種為鄭麥9023 (L.)。自2011年開始實(shí)行免耕, 前茬作物秸稈全量還田。

設(shè)翻耕+前季作物秸稈不還田(CTNS)、翻耕+前季作物秸稈全量還田(CTS)、免耕+前季作物秸稈不還田(NTNS)和免耕+前季作物秸稈全量還田(NTS) 4個處理, 3次重復(fù), 每個小區(qū)面積為11 m × 10 m。水稻或小麥成熟后采用機(jī)械收獲。用粉碎機(jī)將切成5~7 cm碎片覆蓋于免耕土壤表層或混入翻耕土壤。施用基肥前3 d用3%克無蹤封閉除草。施基肥后立即用旋耕機(jī)翻耕土壤, 耕作深度為20 cm, 之后用犁耙耙平。對于免耕處理, 肥料表施。

2016年6月31日和2017年7月6日采用拋秧方式移栽水稻, 密度為30萬穴 hm–2。水稻全生育期氮、磷、鉀肥施用量為180 kg N hm–2、90 kg P2O5hm–2、180 kg K2O hm–2。氮肥在苗期、分蘗期、拔節(jié)期與齊穗期按5.0∶2.0∶1.2∶1.8比例施用, 其中苗期用復(fù)合肥, 其他時期追用尿素; 磷、鉀肥作為基肥一次性施用。直播小麥用種量為150 kg hm–2, 全生育期施肥量為144 kg N hm–2、72 kg P2O5hm–2、144 kg K2O hm–2。其中磷、鉀肥作為基肥一次性施用, 氮肥分3次(苗期、拔節(jié)期和齊穗期)施用。除了在分蘗盛期曬田控分蘗與水稻收獲前7~10 d排干稻田, 水稻生長期間進(jìn)行干濕灌溉。麥季除了播種后灌溉外不再灌溉。2016年9月28日和2017年10月12日收獲水稻。病蟲草害防治視實(shí)際情況而定。

1.3 氣樣采集與N2O通量測定

采樣箱箱體由聚乙烯材料制成, 半徑0.38 m, 箱體高度依據(jù)水稻高度調(diào)節(jié), 外面包裹保溫膜, 箱體頂設(shè)有一個采樣孔, 連接一個三通閥, 并在箱體頂部安置4個小風(fēng)扇以充分混合箱內(nèi)氣體, 同時安裝一個溫度計用以測定箱內(nèi)溫度。水稻拋秧后每7~10 d采樣一次, 視氮肥施用和降雨進(jìn)行調(diào)整采樣的具體日期和頻率。在上午8:30—11:00將采樣箱放入事先插入土壤5 cm深處的不銹鋼底座, 加水密封, 分別于閉箱后0、10、20和30 min用注射器采集25 mL混合氣體, 注入預(yù)先抽真空的玻璃瓶中, 帶回室內(nèi)。采用Shimadzu GC-14B氣相色譜儀測定N2O濃度[14]。N2O檢測器為ECD (電子捕獲檢測器), 檢測器溫度為330℃, 柱溫為50℃。對4個氣樣濃度進(jìn)行線性回歸, 得出氣體排放速率, 并根據(jù)下面方程計算N2O排放通量[15]。

=×× d/d× 273/(273 +)

式中,是氣體(N2O)排放通量(μg m–2h–1),是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度,是箱高, d/d為采樣箱內(nèi)氣體濃度變化率,為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度(℃)。

采用插值法計算N2O累積排放量[14]。

1.4 植株和土樣采集與測定

在水稻分蘗盛期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期采集植株和土壤樣。

在每小區(qū)隨機(jī)劃定一個1 m2區(qū)域, 統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)水稻植株平均分蘗數(shù), 據(jù)此其隨機(jī)選取5兜具有代表性的水稻植株, 用鍬將整株水稻挖出, 用于水稻植株氮含量與根系酶活性分析。同時隨機(jī)取9點(diǎn)0~20 cm土層的土壤, 混合過2 mm篩, 去除根系、植物殘體及其他雜質(zhì), 用于土壤NH4+-N和NO3–-N含量測定。

將取好的水稻植株樣帶回實(shí)驗(yàn)室, 分解為根與地上部, 洗凈、烘干、粉碎, 用碳氮元素分析儀(Vario Max CN, Elementar, 德國)測定各組織氮含量。樣品氮含量與植株干物質(zhì)量乘積即為各組織吸氮量, 水稻吸氮量即為各組織吸氮量之和。

采用魯如坤[16]所描述的方法測定土壤NH4+-N和NO3–-N含量, 稱取10 g新鮮土樣于離心管中, 加入KCl溶液振蕩, 過濾, 用紫外分光光度計測定一部分濾液的土壤NO3–-N, 用靛酚藍(lán)比色法測定另一部分濾液的土壤NH4+-N。

采用NR-2-Y與GS-2-Y試劑盒——可見分光光度法測定根系硝酸還原酶(NR)與谷氨酰胺合成酶(GS)活性, 試劑盒購于蘇州科銘生物技術(shù)有限公司。

收獲水稻收獲時從每個小區(qū)選取2個5 m2區(qū)域作為測產(chǎn)區(qū), 收割計產(chǎn)。曬干后測定稻谷質(zhì)量和含水量, 按標(biāo)準(zhǔn)含水量13.5%折算水稻產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SAS (Version 9.4; SAS Institute, Inc., Cary, NC)軟件的多因素方差分析(Univariate-way ANOVA)比較不同耕作方式和秸稈還田下各指標(biāo)的差異, 采用LSD法進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)(<0.05)。試驗(yàn)結(jié)果以3次重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤來表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤NH4+-N和NO3–-N含量

耕作方式與秸稈還田顯著影響著稻季土壤NH4+-N和NO3–-N含量(表1)。總體上, 與翻耕處理相比, 免耕處理2016和2017年拔節(jié)期、齊穗期與成熟期NH4+-N含量顯著提高了25.9%~31.8%、17.0%~19.3%和15.8%~26.3%, NO3–-N含量顯著增加了21.5%~22.7%、16.6%~24.1%和16.0%~53.7%。秸稈還田處理相對于秸稈不還田處理顯著提高了2016和2017年拔節(jié)期、齊穗期與成熟期NH4+-N, 增幅達(dá)10.6%~21.3%、21.1%~28.6%和19.4%~28.7%; 同時NO3–-N含量顯著提高了22.5%~30.9%、32.4%~ 33.3%和37.3%~42.1%。除了2016年齊穗期外, 耕作方式與秸稈還田的交互作用對土壤NH4+-N和NO3–-N含量沒有顯著影響。

2.2 N2O排放

各處理N2O通量變化基本一致, 并在每次氮肥施用后1~2 d出現(xiàn)峰值(圖2)。各處理土壤N2O通量在2016年稻季為1.00~25.20 μg m–2h–1, 在2017年稻季為?13.05~99.58 μg m–2h–1。

耕作方式與秸稈還田顯著影響稻田土壤N2O排放(表2)。與翻耕處理相比, 免耕處理2016年和2017年N2O累積排放量分別顯著提高了12.5%~18.2%和21.1%~38.6%。與秸稈不還田處理相比, 秸稈還田處理2016和2017年N2O累積排放量分別顯著提高了38.5%~45.5%和13.1%~29.5%。耕作方式與秸稈還田的交互作用對N2O排放沒有顯著影響。

表1 2016?2017年水稻不同生育期土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變化

CTNS: 翻耕+前季作物秸稈不還田; CTS: 翻耕+前季作物秸稈全量還田; NTNS: 免耕+前季作物秸稈不還田; NTS: 免耕+前季作物秸稈全量還田。T: 耕作方式; S: 秸稈管理。*和**分別表示< 0.05和< 0.01水平差異顯著; ns表示在0.05水平下差異不顯著。

CTNS: conventional intensive tillage without straw returning; CTS: conventional intensive tillage plus straw returning; NTNS: no-tillage without straw returning; NTS: no-tillage plus straw returning. T: tillage practices; S: straw managements. * and ** represent significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels: respectively; ns represents no significance at the 0.05 probability level.

圖2 2016?2017年不同處理稻田土壤N2O通量的季節(jié)變化

CTNS: 翻耕+前季作物秸稈不還田; CTS: 翻耕+前季作物秸稈全量還田; NTNS: 免耕+前季作物秸稈不還田; NTS: 免耕+前季作物秸稈全量還田。實(shí)線箭頭表示施肥, 虛線箭頭表示排水。

CTNS: conventional intensive tillage without straw returning; CTS: conventional intensive tillage plus straw returning; NTNS: no-tillage and without straw returning; NTS: no-tillage plus straw returning. The solid arrow means N fertilization, and the dotted arrow means drainage of paddy field.

表2 2016?2017年不同處理稻田土壤N2O累積排放量

*和**分別表示< 0.05和< 0.01水平差異顯著; ns表示在0.05水平下差異不顯著。

CTNS: conventional intensive tillage without straw returning; CTS: conventional intensive tillage plus straw returning; NTNS: no-tillage and without straw returning; NTS: no-tillage plus straw returning. * and ** represent significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; ns represents no significance at the 0.05 probability level.

2.3 根系酶活性

耕作方式顯著影響2016年分蘗期和2017年成熟期根系硝酸還原酶活性, 但對其他生育期沒有顯著影響(表3)。與秸稈不還田處理相比, 秸稈還田處理2016年分蘗期、拔節(jié)期、齊穗期與成熟期根系硝酸還原酶活性分別提高了9.6%、28.8%、11.8%和6.7%, 2017年拔節(jié)期、齊穗期與成熟期根系硝酸還原酶活性增加了34.8%、45.9%和25.0%。

類似硝酸還原酶活性, 總體上, 耕作方式對根系谷氨酰胺合成酶活性沒有顯著影響, 但秸稈還田顯著影響著根系谷氨酰胺合成酶活性(表3)。與秸稈不還田處理相比, 秸稈還田處理2016年分蘗期、拔節(jié)期與成熟期根系谷氨酰胺合成酶活性顯著增加了13.8%、9.0%和46.7%, 2017年拔節(jié)期、齊穗期與成熟期根系硝酸還原酶活性提高了43.3%、26.2%和13.2%。耕作方式與秸稈還田的交互作用對根系硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性沒有影響。

2.4 水稻氮吸收與產(chǎn)量

耕作方式對水稻氮吸收量與產(chǎn)量沒有顯著影響, 而秸稈還田顯著影響水稻氮吸收量與產(chǎn)量(表4)。與秸稈不還田處理相比, 秸稈還田處理水稻氮吸收量與產(chǎn)量分別提高了12.5%~26.0%和9.4%~ 12.6%。同時, 耕作方式與秸稈還田的交互作用顯著影響水稻氮吸收量, 但對產(chǎn)量沒有影響。

表3 2016?2017年水稻不同生育期不同處理根系硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性的變化

CTNS: 翻耕+前季作物秸稈不還田; CTS: 翻耕+前季作物秸稈全量還田; NTNS: 免耕+前季作物秸稈不還田; NTS: 免耕+前季作物秸稈全量還田。T: 耕作方式; S: 秸稈管理。*和**分別表示< 0.05和< 0.01水平差異顯著; ns表示在0.05水平下差異不顯著。

CTNS: conventional intensive tillage without straw returning; CTS: conventional intensive tillage plus straw returning; NTNS: no-tillage without straw returning; NTS: no-tillage plus straw returning. T: tillage practices; S: straw managements. * and ** represent significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; ns represents no significance at the 0.05 level.

表4 2016?2017年不同處理水稻氮吸收量與產(chǎn)量的變化

*和**分別表示< 0.05和< 0.01水平差異顯著; ns 表示在 0.05 水平下差異不顯著。

CTNS: conventional intensive tillage without straw returning; CTS: conventional intensive tillage plus straw returning; NTNS: no-tillage without straw returning; NTS: no-tillage plus straw returning. * and ** represent significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; ns represents no significance at the 0.05 probability level.

3 討論

3.1 N2O排放

在每次氮肥施用后1~2 d出現(xiàn)N2O排放峰值(圖2), 這與前人的研究結(jié)果一致[6,8,10]。這可能是氮肥施用提高了土壤無機(jī)氮含量, 為土壤硝化與反硝化作用提供了反應(yīng)底物, 因此促進(jìn)了N2O排放[6]。

N2O是厭氧反硝化作用與好氧硝化作用的產(chǎn)物[17]。土壤容重、團(tuán)聚體、氮源與有效碳源等是影響土壤N2O排放的因素[8,18]。耕作方式通過影響這些因素影響著土壤N2O排放[18]。本研究指出, 與翻耕處理相比, 免耕處理N2O排放提高了12.5%~ 38.6% (表2)。這和Zhang等[6]在同一試驗(yàn)點(diǎn)的研究結(jié)果一致。免耕相對于翻耕提高了土壤大團(tuán)聚體含量[8], 大團(tuán)聚體內(nèi)部的厭氧狀態(tài)有利于反硝化作用的進(jìn)行[19], 導(dǎo)致了免耕稻田更多的N2O產(chǎn)生。與此同時, 長期免耕使得土壤容重增加, 土壤通氣性下降, 有利于反硝化微生物活動[17], 導(dǎo)致免耕土壤N2O排放增加。同時, 免耕表層殘留的作物秸稈促使表層土壤有機(jī)碳氮富集[8], 為土壤反硝化作用提供了更多的反應(yīng)底物, 提高了土壤N2O排放。此外, 試驗(yàn)期間, 稻田土壤15~30℃溫度(圖1)有利于土壤硝化與反硝化作用, 同時免耕表土層具有更高含量的有機(jī)碳和無機(jī)氮(表1), 促進(jìn)了免耕土壤N2O排放。本研究結(jié)果與Harada等[20]、Zhang等[6]報道結(jié)果不一致。他們指出免耕與翻耕稻田土壤N2O排放差異不顯著。其原因可能與土壤質(zhì)地不同有關(guān)。本研究試驗(yàn)地為稻田黏壤土, 而他們用的是偏沙性壤土。Rochette等[8]綜述了免耕對土壤N2O排放的影響, 指出土壤質(zhì)地調(diào)控免耕土壤N2O排放, 通氣性較差的黏壤土促進(jìn)免耕土壤N2O產(chǎn)生, 而通氣性較好的沙壤土導(dǎo)致免耕與翻耕土壤N2O排放差異不顯著。

有研究指出, 秸稈還田促進(jìn)了N2O排放(表2)。秸稈添加為土壤帶來更多的有效養(yǎng)分, 提高土壤有機(jī)碳與無機(jī)氮含量(表1), 同時秸稈覆蓋在土壤表層能起到保溫保濕的作用[21]。有機(jī)物是微生物生長活動的底物, 底物有效性增加, 微生物活性也會隨之提高, 因而秸稈還田處理土壤N2O排放高于秸稈不還田處理。此外, 秸稈還田后氮肥的施用降低了稻田土壤C/N, 促進(jìn)了秸稈的降解, 為土壤硝化與反硝化作用提供了更多的反應(yīng)底物, 導(dǎo)致更多的N2O排放。然而, 本研究結(jié)果與張岳芳等[10]報道小麥秸稈還田降低了稻田N2O排放的結(jié)果不一致。其原因可能與所使用的秸稈C/N比值不同有關(guān)。本研究稻季還田的小麥秸稈C/N為41, 而張岳芳等[10]的小麥秸稈C/N為81。研究已指出, 當(dāng)秸稈C/N大于75時, 秸稈還田會促進(jìn)土壤微生物對無機(jī)氮的固定, 從而抑制硝化與反硝化作用, 進(jìn)而降低N2O排放[22]。

3.2 根系硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性

水稻根吸收的氮素經(jīng)氮代謝酶完成從NH4+到氨基酸的轉(zhuǎn)化, 主要受到包括硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶等的調(diào)控[23]。硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶是植物體內(nèi)硝態(tài)氮同化的調(diào)節(jié)酶和限速酶, 對植物氮素吸收起著關(guān)鍵作用[23]。耕作方式通過影響土壤通氣狀況和養(yǎng)分有效性影響作物根系的生長、分布和吸收, 進(jìn)而影響根系生理代謝過程[24-25]。李國清和石巖[26]研究表明, 深松相對于翻耕改善了土壤結(jié)構(gòu), 降低了小麥根系生長的土壤阻力, 提高了根系活力和硝酸還原酶活性, 從而促進(jìn)小麥增產(chǎn)。然而, 本試驗(yàn)中, 耕作方式對根系硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性沒有顯著影響(表3)。本試驗(yàn)中, 雖然免耕5~6年, 土壤容重的增加降低了稻田土壤氧氣含量, 進(jìn)而抑制了根系生長, 但是免耕導(dǎo)致的表層土壤有效養(yǎng)分富集, 例如無機(jī)氮含量的提高(表1), 在一定程度上緩解了土壤容重增加對根系生長帶來的負(fù)作用。

本研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田顯著提高了根系硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性(表3)。這可能是連續(xù)5~6年秸稈還田增加了土壤中的有效氮含量(表1), 同時改善了土壤通氣性, 有利于水稻根系的生長[27], 提高了根系活性[28]。本研究中秸稈還田下根系硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性的提高意味著秸稈還田處理根系能從土壤中吸收更多的氮素, 促進(jìn)水稻對氮的吸收和利用, 從而有利于水稻產(chǎn)量的提高(表4)。

3.3 水稻氮吸收與產(chǎn)量

關(guān)于耕作和秸稈還田對水稻氮素吸收的影響, 前人已有報道[8,29-30]。陳仁天等[29]研究指出, 耕作方式對水稻氮吸收的影響受土壤背景氮調(diào)控; 高土壤背景氮下, 耕作方式的影響往往被掩蓋, 而在低背景氮下, 稻田免耕有利水稻氮吸收。梁天鋒等[30]研究認(rèn)為免耕稻田降低了水稻獲得氮素的機(jī)會, 水稻氮吸收相對于翻耕水稻有所下降。本研究表明, 免耕與翻耕處理間氮素吸收量差異不顯著(表4)。與翻耕處理相比, 免耕處理雖然促進(jìn)了土壤氨揮發(fā)[8]和N2O排放(表2), 但是未擾動土壤, 且表層更多的秸稈覆蓋改善了表土層的微環(huán)境, 使得氮的損失一定程度上被彌補(bǔ)[31]。本試驗(yàn)同時發(fā)現(xiàn), 秸稈還田顯著提高了水稻氮素吸收(表4)。這可能與持續(xù)5~6年秸稈還田有關(guān)。持續(xù)的秸稈還田提高了土壤養(yǎng)分含量和改善土壤物理性狀[6], 促進(jìn)了水稻根系的生長, 提高了水稻根系活性(表3), 導(dǎo)致根系對土壤氮吸收增加。

關(guān)于耕作方式對作物產(chǎn)量影響的研究因土壤類型、氣候條件、觀測時間等出現(xiàn)了不同的結(jié) 論[6,13,32-33]。有學(xué)者認(rèn)為免耕提高了作物產(chǎn)量, 在于免耕提高了土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量, 改善了土壤物理性狀, 提高了作物氮素吸收[34]。也有研究指出, 免耕提高了土壤容重, 導(dǎo)致土壤板結(jié), 因此降低了作物產(chǎn)量[33,35]。本研究發(fā)現(xiàn), 耕作方式對水稻產(chǎn)量沒有影響(表4), 這與前人的諸多報道一致[6,8,14]。有研究報道, 沙性土具有較高的通氣性和導(dǎo)水性, 能緩解免耕造成的土壤板結(jié)問題, 因此沙性土上實(shí)行免耕能消除免耕對產(chǎn)量的負(fù)作用[9]。本試驗(yàn)地為沙壤土, 因此沒有觀察到免耕對水稻產(chǎn)量的抑制作用。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 秸稈還田顯著提高水稻產(chǎn)量(表4)。這可能是秸稈還田提高了土壤有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)態(tài)氮含量(表1), 促進(jìn)了養(yǎng)分循環(huán), 提高了土壤肥力[36], 因此促進(jìn)了作物根系的生長及其對氮素的吸收。但也有部分研究認(rèn)為秸稈還田會減少水稻的產(chǎn)量或沒有影響[37-38]。謝瑞芝等[39]分析發(fā)現(xiàn), 在多數(shù)情況下, 保護(hù)性耕作并不降低作物產(chǎn)量, 但也有少量關(guān)于秸稈還田降低作物產(chǎn)量的報道。因此, 他們認(rèn)為, 產(chǎn)量的差異也許與不同的氣候條件、土壤肥力或秸稈還田的持續(xù)時間有關(guān)。

本研究指出, 免耕相對于翻耕提高了稻田土壤N2O排放, 但可以降低CH4排放[6-7]和促進(jìn)土壤碳固定[40], 其固碳減排的長期效應(yīng)還有待研究。本研究和課題組先前的研究[6]指出秸稈還田促進(jìn)了N2O和CH4排放, 然而長期秸稈還田的稻田土壤固碳潛勢將能有效地抵消由于秸稈還田而增排的增溫潛勢[41], 因此在進(jìn)行長期秸稈還田的增溫潛勢評估時應(yīng)綜合考慮土壤碳固定。

4 結(jié)論

耕作與秸稈還田方式均顯著影響稻田土壤N2O排放。與翻耕處理相比, 免耕顯著提高了土壤N2O排放, 增幅達(dá)12.5%~38.6%。同時, 與秸稈不還田處理相比, 秸稈還田處理土壤N2O排放也顯著增加。耕作方式不影響根系硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性, 因此對水稻氮吸收與產(chǎn)量沒有顯著影響。而秸稈還田顯著提高了根系硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性, 促進(jìn)了水稻氮吸收與最終產(chǎn)量提高。在評估保護(hù)性耕作稻田溫室效應(yīng)時應(yīng)長期監(jiān)測CH4和N2O排放及對土壤碳固定的影響, 以期為發(fā)展低碳稻作提供理論依據(jù)。

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Effects of tillage and straw returning methods on N2O emission from paddy fields, nitrogen uptake of rice plant and grain yield

FENG Jun-Heng1, HUANG Jin-Feng1, LIU Tian-Qi1, CAO Cou-Gui1,2, and LI Cheng-Fang1,2,*

1MOA Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in the Middle Reaches of the Yangtze River / College of Plant Science & Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, Hubei, China;2Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry, Yangtze University, Jingzhou 434023, Hubei, China

Conservation tillage is an important practice to improve agricultural soil fertility. However, the effects of this practice on crop nitrogen uptake and grain yield remain unknown. Here, a 2-year field experiment was conducted to investigate the effects of different tillage (conventional intensive tillage [CT] and no-tillage [NT]) and straw returning methods (preceding crop straw returning [S] and removal [NS]) on soil N2O emission, root nitrate reductase and glutamine synthetase activities, nitrogen uptake of rice plants and grain yield in the 2016 and 2017 rice growing seasons at Huaqiao town, Wuxue county, Hubei province. The tillage practices and straw returning methods had significant effects on the N2O emission from paddy soil. Compared with CT treatment, NT treatment enhanced the N2O emission by 12.5%–18.2% in 2016 and 21.1%–38.6% in 2017. S treatments increased the soil N2O emission by 38.5%–45.5% in 2016 and 13.1%–29.5% in 2017 as compared with NS treatments. Straw returning methods had significant effects on root nitrate reductase and glutamine synthetase activities, as well as on nitrogen uptake of rice plants and grain yield. Compared with NS treatments, S treatments had 6.7%–45.9% higher root nitrate reductase activity and 9.0%–46.7% higher root glutamine synthetase activity, resulting in 12.5%–26.0% higher nitrogen uptake of rice plants and 9.4%– 12.6% greater grain yield. Our results indicate that straw returning significantly increases nitrogen uptake and grain yield, and also promotes soil N2O emissions, suggesting that the effects of long-term NT and straw returning on global warming potential and soil carbon sequestration should be taken into account when assessing the global warming potential of these practices.

no-tillage; root; nitrate reductase; glutamine synthetase; greenhouse gas

2018-10-21;

2019-01-19;

2019-02-26.

10.3724/SP.J.1006.2019.82051

李成芳, E-mail: lichengfang@126.com

本研究由國家自然科學(xué)基金項目(31671637), 國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2017YFD0301403)和湖北省自然科學(xué)基金項目(2018CFB608)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31671637), the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0301403), and the Natural Science Foundation of Hubei Province (2018CFB608).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190225.1432.006.html