摘要
保护性耕作在保障粮食安全生产、提高土壤有机质储量、改善耕地质量、促进农业可持续发展方面具有重要的作用。东北黑土区是中国重要的商品粮生产基地，自然和人为综合因素导致土壤退化严重，氮肥利用率下降，加快推进黑土区保护性耕作氮素养分管理技术的研发和推广是促进该区域农业可持续发展的必然选择，开展免耕农田土壤氮素转化、更新以及调控研究是解决这一问题的关键。本研究以连续9年免耕秸秆覆盖农田为研究对象，通过15N示踪田间原位微区试验和15N成对标记室内培养试验，系统研究肥料氮在保护性耕作农田土壤-作物系统中的迁移转化特征和分配去向，探明土壤氮初级转化速率对免耕秸秆覆盖的真实响应及其调控机制。主要结论如下: 1.基于连续3个生长季的15N示踪田间原位微区试验发现，作物对肥料氮的累收利用率在53-59％之间，当季作物利用效率(46-53％)占3年累积利用效率的比例约为88％。免耕秸秆覆盖显著提高了3年玉米的平均产量，增加比例为10-16％。 2.在当季玉米苗期，免耕秸秆覆盖相对于传统垄作显著提高了0-20cm土层肥料来源的有机氮含量以及20-40cm土层肥料来源的固定态铵含量，有效降低了0-40cm土层肥料来源矿质氮的累积。从苗期到抽雄期期间，免耕秸秆覆盖促进了0-40cm土层肥料来源固定态铵和有机氮的快速释放过程，为作物生长提供充足的氮源。在成熟期，0-100cm土层残留肥料氮、作物吸收肥料氮以及肥料氮的气态损失占所施入肥料的比例分别为34％、50％和16％，免耕秸秆覆盖使肥料氮的当季利用率提高了5-10％，其气态损失率降低了3-28％。 3.供试东北黑土春玉米田肥料来源的氨挥发可忽略不计，肥料氮的气态损失主要来自硝化-反硝化过程。当季成熟期0-100cm土壤剖面中约有7.3％的肥料氮以硝态氮的形式垂直运移到80-100cm土层，在随后两个生长季成熟期0-300cm剖面中肥料来源硝态氮的累积峰值分别出现在140-180cm以及180-220cm土层，免耕秸秆覆盖显著降低了土壤剖面中肥料来源硝态氮的累积总量。 4.15N成对标记室内培养试验发现，免耕秸秆覆盖通过减少土壤扰动和增加有机质输入，降低了氮初级矿化速率，同时提高了微生物对铵态氮的同化作用，土壤矿化-同化周转表现铵态氮净固持作用，并且随着免耕秸秆覆盖还田量增大，净固持效果更显著，有利于土壤氮库的稳定。此外，免耕秸秆覆盖显著促进了非生物粘土矿物对铵态氮的吸附/固定以及随后的解吸/释放过程，但没有显著改变铵态氮的净吸附/固定作用，作为一种有效“缓冲机制”调控土壤铵态氮的保持与供应。土壤铵态氮的总消耗速率远大于其产生速率，供试黑土表现较高的初级转化速率同时呈现较低的净转化速率，土壤内部存在快速的铵态氮周转过程，氨挥发损失风险小。 5.免耕秸秆覆盖通过限制自养硝化底物铵态氮的供应降低了土壤硝态氮的总产生速率。与此同时，免耕秸秆覆盖提高田间最大持水量和有机碳含量，促进硝态氮异化还原为铵过程的发生，提高了土壤硝态氮的总消耗速率。供试土壤总硝态氮的产生远大于其消耗速率，表现硝态氮的净产生作用。免耕秸秆覆盖减少硝态氮的净产生速率同时显著提高土壤硝态氮的保持能力，有利于降低硝态氮的损失风险。 综合上述结果，说明提高肥料利用效率的关键在于增加当季作物对氮肥的吸收利用，免耕秸秆覆盖通过调控肥料氮在土壤不同形态氮库的转化过程，有效保障了土壤保氮以及供氮与作物需氮之间的同步性，有利于稳产增产、提高氮肥的利用效率，同时减少肥料氮损失带来的环境问题。此外，土壤氮库仍是作物吸收氮素的主要来源，免耕秸秆覆盖有利于培肥土壤并保障其持续供氮能力。因此，免耕秸秆覆盖管理方式对于缓解东北黑土退化问题以及促进农业可持续发展方面具有良好的应用前景。
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