设施菜地水旱轮作下氮素去向定量评价及对土壤盈余氮库的调控机制

In some of the greenhouse vegetable growing areas, paddy-upland rotation as one of the successful agronomic measures to solve the problems of soil secondary salinization and continuous cropping obstacle. Clearly understood the N nutrient flow and cycling, quantify and regulation of N flow in this rotation, can achieve the goal of high yield, improved N use efficiency and reducing environmental pollution. However, the study of the N cycling in paddy-upland rotation in greenhouse vegetable system lagging seriously behind. In this study, field experiment was carried out to systematic and quantitative investigate the annual N fate and environmental consequences in paddy-upland rotation in greenhouse vegetable system. From the pathway of dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) in a soil, using the 15N tracing technique to study the DNRA rates and relative potential in soil surplus N pools, the effects of organic materials on DNRA relative potential under flooding condition, and correlation between fermentative and sulfur-driven DNRA pathways, to clarify the regulatory mechanism of surplus N pools in greenhouse vegetable field under paddy-upland rotation. Finally, to provide the scientific basis for the continuous extending of the paddy-upland rotation in greenhouse vegetable systems and the correspond measures to reduce input and emission, improve the nutrient use efficiency.

在我国的一些设施蔬菜种植区，生产实践中尝试以菜稻轮作作为一种农艺措施来减轻设施蔬菜土壤的次生盐渍化和连作障碍等问题获得了成功。明确设施蔬菜种植体系的氮养分流动和氮素循环规律，量化并调控氮素在体系中的流向，可使其达到满足高产、提高氮素利用率和减少环境污染的目的。然而，针对菜稻轮作体系下的氮养分流动等科学问题的研究明显滞后。本项目以菜稻轮作为研究对象，通过田间试验，系统、定量化的研究菜稻轮作体系周年氮素去向规律及其对生态环境的影响；从可实现土壤NO3- 固持的硝酸根异化还原为铵（DNRA）过程入手，采用15N培养实验，从设施土壤盈余氮库中DNRA速率和相对潜势、设施土壤淹水条件下不同碳源有机物料对DNRA 潜势的影响以及发酵和硫驱动DNRA途径间的相关关系开展深入研究，阐明设施菜地水旱轮作下土壤盈余氮库的DNRA过程调控机制。最终为菜稻轮作的持续推广以及相应的减施减排增效措施的提出提供科学依据

在设施蔬菜产区进行菜稻轮作可减轻土壤障碍等问题，但存在环境排放风险，明确体系氮养分环境归趋，量化并调控氮素在体系中的流向，可实现高产、提高氮素利用率和减少环境污染的目标。本项目以菜稻轮作为研究对象，通过田间试验，系统、定量化的研究菜稻轮作体系周年氮素去向规律及其对生态环境的影响；从可实现土壤NO3- 固持的硝酸根异化还原为铵（DNRA）过程入手，采用15N示踪培养实验，从设施土壤盈余氮库中DNRA速率和相对潜势、设施土壤淹水条件下不同碳源有机物料对DNRA 潜势的影响以及发酵和硫驱动DNRA途径间的相关关系开展深入研究，阐明设施菜地水旱轮作下土壤盈余氮库的DNRA过程调控机制。结果表明，甘蓝和水稻季总氮淋洗量分别为25.6和8.8kg N/ha，排放系数分别为7.4% 和 2.1%；氨挥发量分别为 9 kg/ha 和 22 kg/ha，排放系数分别为4.5% 和 8.1%； N2O排放量分别为 1.5 kg/ha 和 1.3 kg/ha，排放系数分别为0.75% 和 0.57%。稻菜轮作化肥氮减施30%，周年总氮淋洗量可减少26.1%、氨挥发减排 23.3%、N2O减排35.6%。不同土地利用方式下的土壤DNRA总速率菜地>稻菜>稻田，培养6h土壤DNRA总速率最小值和最大值分别是12.23和36.9 mg N kg-1干土d-1，培养12h土壤DNRA总速率最小值和最大值分别是8.49和25.8mg N kg-1干土d-1，土地利用类型不同对土壤DNRA总速率的影响显著。不同土地利用方式下的土壤DNRA相对潜势受土地利用类型影响较显著，土壤DNRA 相对潜势的最小值和最大值分别是2.26%和8.26%；培养6h土壤DNRA相对潜势菜地>稻菜>稻田，培养12h土壤DNRA相对潜势菜地最高，稻菜和稻田土壤无显著差异。添加不同种类有机物料对土壤DNRA 相对潜势的影响均较小；添加和未添加葡萄糖处理在土壤DNRA相对潜势的变化范围分别是18.97% ~25.34%和10.8%~23.4%；添加葡萄糖显著提高了不添加及添加低量自由硫化物的土壤DNRA相对潜势，对添加了高量自由硫化物的土壤DNRA 相对潜势影响很小；同时发现发酵和硫驱动的DNRA 类型之间的相互抑制作用因培养时间和自由硫化物输入量而异。该研究为菜稻轮作的持续推广以及相应的减施减排增效措施的提出提供科学依据。