耕作与秸秆还田方式对稻田N2O排放、水稻氮吸收及产量的影响

冯珺珩 黄金凤 刘天奇 曹凑贵,2 李成芳,2,*



耕作与秸秆还田方式对稻田N2O排放、水稻氮吸收及产量的影响

冯珺珩1黄金凤1刘天奇1曹凑贵1,2李成芳1,2,*

1农业部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室 / 华中农业大学植物科学技术学院, 湖北武汉 430070;2长江大学 / 长江大学主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心, 湖北荆州 434023

保护性耕作是改善农田土壤肥力的重要举措, 然而其对作物氮吸收与产量的作用尚不明确。为此, 本试验于2016—2017年稻季在湖北省武穴市花桥镇, 设置常规翻耕与免耕两种耕作方式以及前茬作物秸秆全量还田与不还田两种秸秆还田方法, 研究耕作与秸秆还田方式对稻田土壤N2O排放、根系酶活性、水稻氮吸收与产量的影响。结果表明, 耕作方式显著影响土壤N2O排放, 但不影响根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性、水稻氮吸收与产量。与翻耕处理相比, 免耕处理2016年和2017年土壤N2O排放量分别显著提高了12.5%~18.2%和21.1%~38.6%。秸秆还田显著影响土壤N2O排放量、根系酶活性、水稻氮吸收与产量。相对于秸秆不还田处理, 秸秆还田处理2016年和2017年土壤N2O排放量分别显著提高了38.5%~45.5%和13.1%~29.5%。秸秆还田处理相对于不还田处理根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性分别显著增加了6.7%~45.9%和9.0%~46.7%, 水稻氮吸收量提高了12.5%~26.0%, 产量增加了9.4%~12.6%。本文认为, 虽然秸秆还田提高了水稻氮吸收与产量, 但也促进了土壤N2O的排放, 因此在评估保护性耕作稻田温室效应时应加强对温室气体(CH4和N2O)排放和土壤碳固定影响的长期监测, 以期为发展低碳稻作提供理论依据和技术支撑。

免耕; 根系; 硝酸还原酶; 谷氨酰胺合成酶; 温室气体

随着世界人口的逐步增加, 人类对粮食的需求日益增大。但不合理农艺措施, 例如频繁耕作、秸秆焚烧、过度施用化肥等, 导致农田土壤退化[1], 降低作物产量[2], 影响着全球粮食安全。频繁耕作强烈地扰动土壤, 破坏土壤大团聚体, 促进土壤有机物的氧化, 降低土壤生物多样性, 加速土壤侵蚀, 最终导致土壤退化[3]。作物秸秆是一种重要的可再生资源, 发展有效的秸秆利用技术是一项巨大的挑战[1]。在中国, 农民一般选择在田间焚烧作物秸秆, 以减少处理秸秆的人力投入, 然而焚烧秸秆会造成大气污染, 且降低土壤肥力[4]。因此, 为了减缓土壤退化与实现农田土壤的可持续生产, 保护性耕作措施(如免耕、秸秆还田等)已被广为提倡。

虽然氧化亚氮(N2O)在大气中的含量远低于二氧化碳(CO2), 但其增温潜势是CO2的268倍[5], 是造成全球变暖的主要温室气体之一。耕作措施主要通过改变土壤水分、碳源和氧气的可利用性影响N2O排放。然而当前对于耕作对土壤N2O排放的影响研究结果不一致。Zhang等[6]发现翻耕与免耕对稻田土壤N2O排放的影响不显著, 其原因可能在于试验点沙壤土良好的透气性缓解了耕作的影响。然而, 有研究发现免耕增加了土壤N2O排放[7-8]。例如, Zhang等[7]报道, 免耕促进了秸秆在土壤表层的积累, 其为反硝化细菌提供碳源, 促进反硝化作用, 增加了N2O排放。Venterea等[9]指出免耕增加了土壤湿度, 降低了土壤温度, 从而抑制土壤的硝化作用; 同时, 免耕条件下土壤C/N比高于翻耕, 促进了土壤反硝化作用, 最终提高了N2O排放。Rochette等[8]发现免耕有利于厌氧环境形成, 促进反硝化作用从而有利N2O产生。目前国内关于秸秆还田对氧化亚氮的排放的影响研究较多, 但也尚无统一的结论。张岳芳等[10]认为秸秆还田会降低土壤N2O的排放, 且当秸秆还田和旋耕一起进行时, N2O排放会被进一步削弱。也有研究认为秸秆还田降低了土壤Eh, 促进了硝化作用产生的N2O还原为N2, 从而降低了N2O的排放[11]。还有学者从微生物角度出发, 研究发现秸秆还田增加了土壤中氮固定相关微生物的丰度, 增加土壤与微生物对氮的固定, 降低硝化和反硝化作用, 从而减少N2O的排放[12]。不同的研究结论可能受限于不同试验所处位置、气候、土壤、种植制度等的影响[13]。因此进一步研究免耕与秸秆还田对土壤N2O排放的影响对于发展低碳农业具有重要的意义。

免耕和秸秆还田作为实现农业可持续发展的有效手段, 具有节省劳力、环境友好等特征, 有利于维持土壤生产力和粮食稳产[6]。然而, 不恰当地运用免耕与秸秆还田也有可能导致作物减产等不良后果[13], 因此有必要进一步研究免耕与秸秆还田对水稻氮吸收与产量的影响, 为探讨可持续的稻田生产提供理论依据。本文在6年大田试验的基础上, 研究耕作方式(翻耕与免耕)与秸秆还田方法(前茬作物秸秆不还田与全量还田)对2016年和2017年水稻生长季节土壤N2O排放、水稻氮吸收与产量的影响, 以期为降低氮肥损失和提高氮肥利用率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

湖北省武穴市花桥镇华中农业大学试验基地, 属长江中下游稻区(115°30′E, 29°55′N), 海拔20 m, 亚热带季风气候, 年均温16.0~16.8℃, 年降雨量1278.7~1442.6 mm, 土壤潴育型水稻土, 为第四纪红土沉积物发育。初始耕层土壤: pH 5.90, 含有机质23.0 g kg–1、全氮2.60 g kg–1、全磷0.60 g kg–1。2016和2017年试验期间日气温见图1。

图1 2016–2017年稻季日均气温变化

1.2 试验设计

试验点长期采用稻-麦复种模式, 水稻品种为黄华占(L.), 小麦品种为郑麦9023 (L.)。自2011年开始实行免耕, 前茬作物秸秆全量还田。

设翻耕+前季作物秸秆不还田(CTNS)、翻耕+前季作物秸秆全量还田(CTS)、免耕+前季作物秸秆不还田(NTNS)和免耕+前季作物秸秆全量还田(NTS) 4个处理, 3次重复, 每个小区面积为11 m × 10 m。水稻或小麦成熟后采用机械收获。用粉碎机将切成5~7 cm碎片覆盖于免耕土壤表层或混入翻耕土壤。施用基肥前3 d用3%克无踪封闭除草。施基肥后立即用旋耕机翻耕土壤, 耕作深度为20 cm, 之后用犁耙耙平。对于免耕处理, 肥料表施。

2016年6月31日和2017年7月6日采用抛秧方式移栽水稻, 密度为30万穴 hm–2。水稻全生育期氮、磷、钾肥施用量为180 kg N hm–2、90 kg P2O5hm–2、180 kg K2O hm–2。氮肥在苗期、分蘖期、拔节期与齐穗期按5.0∶2.0∶1.2∶1.8比例施用, 其中苗期用复合肥, 其他时期追用尿素; 磷、钾肥作为基肥一次性施用。直播小麦用种量为150 kg hm–2, 全生育期施肥量为144 kg N hm–2、72 kg P2O5hm–2、144 kg K2O hm–2。其中磷、钾肥作为基肥一次性施用, 氮肥分3次(苗期、拔节期和齐穗期)施用。除了在分蘖盛期晒田控分蘖与水稻收获前7~10 d排干稻田, 水稻生长期间进行干湿灌溉。麦季除了播种后灌溉外不再灌溉。2016年9月28日和2017年10月12日收获水稻。病虫草害防治视实际情况而定。

1.3 气样采集与N2O通量测定

采样箱箱体由聚乙烯材料制成, 半径0.38 m, 箱体高度依据水稻高度调节, 外面包裹保温膜, 箱体顶设有一个采样孔, 连接一个三通阀, 并在箱体顶部安置4个小风扇以充分混合箱内气体, 同时安装一个温度计用以测定箱内温度。水稻抛秧后每7~10 d采样一次, 视氮肥施用和降雨进行调整采样的具体日期和频率。在上午8:30—11:00将采样箱放入事先插入土壤5 cm深处的不锈钢底座, 加水密封, 分别于闭箱后0、10、20和30 min用注射器采集25 mL混合气体, 注入预先抽真空的玻璃瓶中, 带回室内。采用Shimadzu GC-14B气相色谱仪测定N2O浓度[14]。N2O检测器为ECD (电子捕获检测器), 检测器温度为330℃, 柱温为50℃。对4个气样浓度进行线性回归, 得出气体排放速率, 并根据下面方程计算N2O排放通量[15]。

=×× d/d× 273/(273 +)

式中,是气体(N2O)排放通量(μg m–2h–1),是标准状态下气体密度,是箱高, d/d为采样箱内气体浓度变化率,为采样过程中采样箱内的平均温度(℃)。

采用插值法计算N2O累积排放量[14]。

1.4 植株和土样采集与测定

在水稻分蘖盛期、拔节期、齐穗期和成熟期采集植株和土壤样。

在每小区随机划定一个1 m2区域, 统计区域内水稻植株平均分蘖数, 据此其随机选取5兜具有代表性的水稻植株, 用锹将整株水稻挖出, 用于水稻植株氮含量与根系酶活性分析。同时随机取9点0~20 cm土层的土壤, 混合过2 mm筛, 去除根系、植物残体及其他杂质, 用于土壤NH4+-N和NO3–-N含量测定。

将取好的水稻植株样带回实验室, 分解为根与地上部, 洗净、烘干、粉碎, 用碳氮元素分析仪(Vario Max CN, Elementar, 德国)测定各组织氮含量。样品氮含量与植株干物质量乘积即为各组织吸氮量, 水稻吸氮量即为各组织吸氮量之和。

采用鲁如坤[16]所描述的方法测定土壤NH4+-N和NO3–-N含量, 称取10 g新鲜土样于离心管中, 加入KCl溶液振荡, 过滤, 用紫外分光光度计测定一部分滤液的土壤NO3–-N, 用靛酚蓝比色法测定另一部分滤液的土壤NH4+-N。

采用NR-2-Y与GS-2-Y试剂盒——可见分光光度法测定根系硝酸还原酶(NR)与谷氨酰胺合成酶(GS)活性, 试剂盒购于苏州科铭生物技术有限公司。

收获水稻收获时从每个小区选取2个5 m2区域作为测产区, 收割计产。晒干后测定稻谷质量和含水量, 按标准含水量13.5%折算水稻产量。

1.5 数据分析

采用SAS (Version 9.4; SAS Institute, Inc., Cary, NC)软件的多因素方差分析(Univariate-way ANOVA)比较不同耕作方式和秸秆还田下各指标的差异, 采用LSD法进行显著性水平检验(<0.05)。试验结果以3次重复的平均值和标准误来表示。

2 结果与分析

2.1 土壤NH4+-N和NO3–-N含量

耕作方式与秸秆还田显著影响着稻季土壤NH4+-N和NO3–-N含量(表1)。总体上, 与翻耕处理相比, 免耕处理2016和2017年拔节期、齐穗期与成熟期NH4+-N含量显著提高了25.9%~31.8%、17.0%~19.3%和15.8%~26.3%, NO3–-N含量显著增加了21.5%~22.7%、16.6%~24.1%和16.0%~53.7%。秸秆还田处理相对于秸秆不还田处理显著提高了2016和2017年拔节期、齐穗期与成熟期NH4+-N, 增幅达10.6%~21.3%、21.1%~28.6%和19.4%~28.7%; 同时NO3–-N含量显著提高了22.5%~30.9%、32.4%~ 33.3%和37.3%~42.1%。除了2016年齐穗期外, 耕作方式与秸秆还田的交互作用对土壤NH4+-N和NO3–-N含量没有显著影响。

2.2 N2O排放

各处理N2O通量变化基本一致, 并在每次氮肥施用后1~2 d出现峰值(图2)。各处理土壤N2O通量在2016年稻季为1.00~25.20 μg m–2h–1, 在2017年稻季为−13.05~99.58 μg m–2h–1。

耕作方式与秸秆还田显著影响稻田土壤N2O排放(表2)。与翻耕处理相比, 免耕处理2016年和2017年N2O累积排放量分别显著提高了12.5%~18.2%和21.1%~38.6%。与秸秆不还田处理相比, 秸秆还田处理2016和2017年N2O累积排放量分别显著提高了38.5%~45.5%和13.1%~29.5%。耕作方式与秸秆还田的交互作用对N2O排放没有显著影响。

表1 2016−2017年水稻不同生育期土壤铵态氮和硝态氮含量变化

CTNS: 翻耕+前季作物秸秆不还田; CTS: 翻耕+前季作物秸秆全量还田; NTNS: 免耕+前季作物秸秆不还田; NTS: 免耕+前季作物秸秆全量还田。T: 耕作方式; S: 秸秆管理。*和**分别表示< 0.05和< 0.01水平差异显著; ns表示在0.05水平下差异不显著。

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.

图2 2016−2017年不同处理稻田土壤N2O通量的季节变化

CTNS: 翻耕+前季作物秸秆不还田; CTS: 翻耕+前季作物秸秆全量还田; NTNS: 免耕+前季作物秸秆不还田; NTS: 免耕+前季作物秸秆全量还田。实线箭头表示施肥, 虚线箭头表示排水。

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年不同处理稻田土壤N2O累积排放量

*和**分别表示< 0.05和< 0.01水平差异显著; ns表示在0.05水平下差异不显著。

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

耕作方式显著影响2016年分蘖期和2017年成熟期根系硝酸还原酶活性, 但对其他生育期没有显著影响(表3)。与秸秆不还田处理相比, 秸秆还田处理2016年分蘖期、拔节期、齐穗期与成熟期根系硝酸还原酶活性分别提高了9.6%、28.8%、11.8%和6.7%, 2017年拔节期、齐穗期与成熟期根系硝酸还原酶活性增加了34.8%、45.9%和25.0%。

类似硝酸还原酶活性, 总体上, 耕作方式对根系谷氨酰胺合成酶活性没有显著影响, 但秸秆还田显著影响着根系谷氨酰胺合成酶活性(表3)。与秸秆不还田处理相比, 秸秆还田处理2016年分蘖期、拔节期与成熟期根系谷氨酰胺合成酶活性显著增加了13.8%、9.0%和46.7%, 2017年拔节期、齐穗期与成熟期根系硝酸还原酶活性提高了43.3%、26.2%和13.2%。耕作方式与秸秆还田的交互作用对根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性没有影响。

2.4 水稻氮吸收与产量

耕作方式对水稻氮吸收量与产量没有显著影响, 而秸秆还田显著影响水稻氮吸收量与产量(表4)。与秸秆不还田处理相比, 秸秆还田处理水稻氮吸收量与产量分别提高了12.5%~26.0%和9.4%~ 12.6%。同时, 耕作方式与秸秆还田的交互作用显著影响水稻氮吸收量, 但对产量没有影响。

表3 2016−2017年水稻不同生育期不同处理根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性的变化

CTNS: 翻耕+前季作物秸秆不还田; CTS: 翻耕+前季作物秸秆全量还田; NTNS: 免耕+前季作物秸秆不还田; NTS: 免耕+前季作物秸秆全量还田。T: 耕作方式; S: 秸秆管理。*和**分别表示< 0.05和< 0.01水平差异显著; ns表示在0.05水平下差异不显著。

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年不同处理水稻氮吸收量与产量的变化

*和**分别表示< 0.05和< 0.01水平差异显著; ns 表示在 0.05 水平下差异不显著。

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 讨论

3.1 N2O排放

在每次氮肥施用后1~2 d出现N2O排放峰值(图2), 这与前人的研究结果一致[6,8,10]。这可能是氮肥施用提高了土壤无机氮含量, 为土壤硝化与反硝化作用提供了反应底物, 因此促进了N2O排放[6]。

N2O是厌氧反硝化作用与好氧硝化作用的产物[17]。土壤容重、团聚体、氮源与有效碳源等是影响土壤N2O排放的因素[8,18]。耕作方式通过影响这些因素影响着土壤N2O排放[18]。本研究指出, 与翻耕处理相比, 免耕处理N2O排放提高了12.5%~ 38.6% (表2)。这和Zhang等[6]在同一试验点的研究结果一致。免耕相对于翻耕提高了土壤大团聚体含量[8], 大团聚体内部的厌氧状态有利于反硝化作用的进行[19], 导致了免耕稻田更多的N2O产生。与此同时, 长期免耕使得土壤容重增加, 土壤通气性下降, 有利于反硝化微生物活动[17], 导致免耕土壤N2O排放增加。同时, 免耕表层残留的作物秸秆促使表层土壤有机碳氮富集[8], 为土壤反硝化作用提供了更多的反应底物, 提高了土壤N2O排放。此外, 试验期间, 稻田土壤15~30℃温度(图1)有利于土壤硝化与反硝化作用, 同时免耕表土层具有更高含量的有机碳和无机氮(表1), 促进了免耕土壤N2O排放。本研究结果与Harada等[20]、Zhang等[6]报道结果不一致。他们指出免耕与翻耕稻田土壤N2O排放差异不显著。其原因可能与土壤质地不同有关。本研究试验地为稻田黏壤土, 而他们用的是偏沙性壤土。Rochette等[8]综述了免耕对土壤N2O排放的影响, 指出土壤质地调控免耕土壤N2O排放, 通气性较差的黏壤土促进免耕土壤N2O产生, 而通气性较好的沙壤土导致免耕与翻耕土壤N2O排放差异不显著。

有研究指出, 秸秆还田促进了N2O排放(表2)。秸秆添加为土壤带来更多的有效养分, 提高土壤有机碳与无机氮含量(表1), 同时秸秆覆盖在土壤表层能起到保温保湿的作用[21]。有机物是微生物生长活动的底物, 底物有效性增加, 微生物活性也会随之提高, 因而秸秆还田处理土壤N2O排放高于秸秆不还田处理。此外, 秸秆还田后氮肥的施用降低了稻田土壤C/N, 促进了秸秆的降解, 为土壤硝化与反硝化作用提供了更多的反应底物, 导致更多的N2O排放。然而, 本研究结果与张岳芳等[10]报道小麦秸秆还田降低了稻田N2O排放的结果不一致。其原因可能与所使用的秸秆C/N比值不同有关。本研究稻季还田的小麦秸秆C/N为41, 而张岳芳等[10]的小麦秸秆C/N为81。研究已指出, 当秸秆C/N大于75时, 秸秆还田会促进土壤微生物对无机氮的固定, 从而抑制硝化与反硝化作用, 进而降低N2O排放[22]。

3.2 根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性

水稻根吸收的氮素经氮代谢酶完成从NH4+到氨基酸的转化, 主要受到包括硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶等的调控[23]。硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶是植物体内硝态氮同化的调节酶和限速酶, 对植物氮素吸收起着关键作用[23]。耕作方式通过影响土壤通气状况和养分有效性影响作物根系的生长、分布和吸收, 进而影响根系生理代谢过程[24-25]。李国清和石岩[26]研究表明, 深松相对于翻耕改善了土壤结构, 降低了小麦根系生长的土壤阻力, 提高了根系活力和硝酸还原酶活性, 从而促进小麦增产。然而, 本试验中, 耕作方式对根系硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性没有显著影响(表3)。本试验中, 虽然免耕5~6年, 土壤容重的增加降低了稻田土壤氧气含量, 进而抑制了根系生长, 但是免耕导致的表层土壤有效养分富集, 例如无机氮含量的提高(表1), 在一定程度上缓解了土壤容重增加对根系生长带来的负作用。

本研究发现, 秸秆还田显著提高了根系硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性(表3)。这可能是连续5~6年秸秆还田增加了土壤中的有效氮含量(表1), 同时改善了土壤通气性, 有利于水稻根系的生长[27], 提高了根系活性[28]。本研究中秸秆还田下根系硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的提高意味着秸秆还田处理根系能从土壤中吸收更多的氮素, 促进水稻对氮的吸收和利用, 从而有利于水稻产量的提高(表4)。

3.3 水稻氮吸收与产量

关于耕作和秸秆还田对水稻氮素吸收的影响, 前人已有报道[8,29-30]。陈仁天等[29]研究指出, 耕作方式对水稻氮吸收的影响受土壤背景氮调控; 高土壤背景氮下, 耕作方式的影响往往被掩盖, 而在低背景氮下, 稻田免耕有利水稻氮吸收。梁天锋等[30]研究认为免耕稻田降低了水稻获得氮素的机会, 水稻氮吸收相对于翻耕水稻有所下降。本研究表明, 免耕与翻耕处理间氮素吸收量差异不显著(表4)。与翻耕处理相比, 免耕处理虽然促进了土壤氨挥发[8]和N2O排放(表2), 但是未扰动土壤, 且表层更多的秸秆覆盖改善了表土层的微环境, 使得氮的损失一定程度上被弥补[31]。本试验同时发现, 秸秆还田显著提高了水稻氮素吸收(表4)。这可能与持续5~6年秸秆还田有关。持续的秸秆还田提高了土壤养分含量和改善土壤物理性状[6], 促进了水稻根系的生长, 提高了水稻根系活性(表3), 导致根系对土壤氮吸收增加。

关于耕作方式对作物产量影响的研究因土壤类型、气候条件、观测时间等出现了不同的结 论[6,13,32-33]。有学者认为免耕提高了作物产量, 在于免耕提高了土壤有机质和养分含量, 改善了土壤物理性状, 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, 导致土壤板结, 因此降低了作物产量[33,35]。本研究发现, 耕作方式对水稻产量没有影响(表4), 这与前人的诸多报道一致[6,8,14]。有研究报道, 沙性土具有较高的通气性和导水性, 能缓解免耕造成的土壤板结问题, 因此沙性土上实行免耕能消除免耕对产量的负作用[9]。本试验地为沙壤土, 因此没有观察到免耕对水稻产量的抑制作用。

本试验发现, 秸秆还田显著提高水稻产量(表4)。这可能是秸秆还田提高了土壤有机质和矿质态氮含量(表1), 促进了养分循环, 提高了土壤肥力[36], 因此促进了作物根系的生长及其对氮素的吸收。但也有部分研究认为秸秆还田会减少水稻的产量或没有影响[37-38]。谢瑞芝等[39]分析发现, 在多数情况下, 保护性耕作并不降低作物产量, 但也有少量关于秸秆还田降低作物产量的报道。因此, 他们认为, 产量的差异也许与不同的气候条件、土壤肥力或秸秆还田的持续时间有关。

本研究指出, 免耕相对于翻耕提高了稻田土壤N2O排放, 但可以降低CH4排放[6-7]和促进土壤碳固定[40], 其固碳减排的长期效应还有待研究。本研究和课题组先前的研究[6]指出秸秆还田促进了N2O和CH4排放, 然而长期秸秆还田的稻田土壤固碳潜势将能有效地抵消由于秸秆还田而增排的增温潜势[41], 因此在进行长期秸秆还田的增温潜势评估时应综合考虑土壤碳固定。

4 结论

耕作与秸秆还田方式均显著影响稻田土壤N2O排放。与翻耕处理相比, 免耕显著提高了土壤N2O排放, 增幅达12.5%~38.6%。同时, 与秸秆不还田处理相比, 秸秆还田处理土壤N2O排放也显著增加。耕作方式不影响根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性, 因此对水稻氮吸收与产量没有显著影响。而秸秆还田显著提高了根系硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性, 促进了水稻氮吸收与最终产量提高。在评估保护性耕作稻田温室效应时应长期监测CH4和N2O排放及对土壤碳固定的影响, 以期为发展低碳稻作提供理论依据。

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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

本研究由国家自然科学基金项目(31671637), 国家重点研发计划项目(2017YFD0301403)和湖北省自然科学基金项目(2018CFB608)资助。

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