摘要
长江中游雨热资源丰富，农业种植模式以一年两熟的水旱轮作方式为主，是我国重要的粮油生产基地。施用氮肥是保障作物产量的重要手段，不同的氮素管理措施影响土壤-植物体系氮素循环特征。而不同轮作体系对氮素盈余的改变和季节性干湿交替对活性氮损失的影响使水旱轮作体系氮素循环过程复杂。明确不同氮素管理措施在典型水旱轮作体系中氮素利用与损失的特征，对调控区域氮肥合理施用，减少活性氮损失有着重要意义。本研究依托长期定位试验平台，研究了不同氮素管理措施（不施氮：PK，平衡施肥：NPK，平衡施肥配合秸秆还田：NPK+St和高量施肥：HNPK）下油菜-水稻（油-稻）和小麦-水稻（麦-稻）两种水旱轮作体系氮素利用与损失特征。通过15N同位素标记大田试验，明确油-稻和麦-稻轮作体系对冬季残留在土壤有机氮库中的肥料氮及后茬水稻再吸收的影响。通过室内培养试验，探究水旱轮作对冬季N2O排放和NH3挥发的影响的相关机制。主要研究结果如下： （1）合理的氮肥施用提高了水稻对氮肥的利用。在油-稻和麦-稻轮作中，与HNPK处理相比，NPK施肥处理显著提高氮肥回收利用率和偏生产力。与NPK处理相比，NPK+St处理在油-稻和麦-稻轮作中分别提高了11.71%和14.92%的水稻产量，氮肥回收利用率分别增加了6.15和10.31个百分点。相同氮素管理措施下，油-稻轮作较麦-稻轮作增加了水稻的产量和氮素吸收量，两种轮作间氮肥回收利用率和偏生产力未表现出显著差异。 （2）不同氮素管理对水、旱两季土壤NH3挥发和N2O排放的影响不同。从累积排放量来看，HNPK处理显著增加了水稻季各施肥时期的NH3挥发。然而与NPK处理相比，水稻季NPK+St处理未显著影响两种轮作体系各施肥期的NH3挥发和N2O排放。从排放因子来看，水稻季NH3和N2O排放因子（EF）分别为8.39-9.94和0.10-0.12，轮作间和处理间均表现为差异不显著。冬季NPK+St处理主要增加了追肥期的NH3挥发（增幅154.82%-187.22%）和基肥期与薹肥/拔节肥期的N2O排放（增幅22.80%-104.64%）。轮作间的差异主要表现在冬季作物全生育期N2O排放总量而非各施肥时期的N2O排放量，即土壤氮诱导的N2O排放增加可能是导致油-稻轮作体系土壤N2O排放量增加的主要因素。 （3）不同轮作体系土壤底物氮浓度的差异取决于轮作周年氮盈余量以及盈余的氮素进入土壤氮库的固存。不同氮素管理下油菜地上部氮吸收量（8.28-115.71kgN/hm2）低于小麦（32.01-238.55kgN/hm2），因此轮作周年氮盈余量表现为油-稻轮作显著高于麦-稻轮作，增幅为4.54%-69.38%。经过三年的轮作种植，油-稻轮作土壤全氮较麦-稻轮作提高6.80%-19.72%，油-稻轮作冬季作物收获后土壤硝态氮含量较麦-稻轮作提高19.43%-43.96%。 （4）不同氮素管理措施和前季作物氮肥利用效率的差异影响了肥料氮在土壤的残留及下季水稻对残留肥料氮的吸收。15N同位素标记田间微区试验发现，冬季作物收获后，油-稻轮作肥料氮在土壤的残留量较麦-稻轮作增加了15.17%-34.02%。与氮素残留特征的表现相似，油-稻轮作水稻季对冬季残留氮的再吸收量较麦-稻轮作高出30.08%-64.26%。NPK+St处理夏季水稻对冬季残留氮的再吸收量高于NPK和HNPK处理。进一步分析残留肥料氮向土壤有机氮的转化表明，NPK+St处理将残留的肥料氮更多的转化进入氨基酸态氮（AAN）和氨基糖态氮（ASN）库中，NPK和HNPK处理则进入酸解铵态氮（HAN）库和氨基酸态氮（AAN）中。相较于麦-稻轮作，油-稻轮作将残留的肥料氮更多的转化到酸解铵态氮和氨基酸态氮库中。 （5）水旱轮作典型的季节性干湿交替是影响肥料氮损失的重要因素。基于室内培养试验模拟不同土壤干湿状况后发现，土壤湿度逐渐降低（土壤水分含量WFPS由70%降至50%）可以减少尿素添加后引起的土壤N2O和NH3排放。重新湿润后，土壤N2O排放有所恢复，但仍低于相同水分含量的恒湿土壤；而土壤NH3挥发在土壤复湿过程中持续降低。通过土壤功能微生物和底物浓度与N2O和NH3排放间相关性分析，我们认为干燥过程降低N2O和NH3排放的原因在于干燥过程中土壤NH+4-N浓度的降低导致氨氧化过程底物供应不足和土壤对NH+4的吸附能力增强；而amoA-b和ureC群落结构的改变和丰度的降低导致氨氧化和产脲酶微生物活性的降低。 综上所述，不同氮素管理措施在水旱轮作体系周年氮利用与损失特征不同。不同水旱轮作模式影响了夏季水稻的氮素吸收和冬季N2O和NH3排放。与麦-稻轮作相比，油-稻轮作通过增加冬季残留肥料氮向土壤酸解铵态氮和氨基酸态氮库的转化，进而增加后季水稻对氮素的吸收以降低不同氮素管理措施对其的影响。相较于麦-稻轮作，油-稻轮作通过提高土壤氮含量或影响土壤干湿交替程度，改变冬季NH3挥发与N2O排放。
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