淹水条件下水稻土壤性质和石灰对秸秆供氮能力和N2O排放的影响开题报告

本课题的意义：我国是一个农业大国,作物稻秆资源丰富,而作为农业生产的必然产物,为使其更有效的利用,人们对结秆资源再利用研究增多。稻杆中含有多种营养元素,还田后成为农田土壤中氮、磷、钾以及有机质等的主要来源。稻秆通过吸水和土壤微生物作用,先是分解一部分纤维素和半纤维素,释放出氮、磷 、钾等物质补充土壤养分,从而减少化肥的施用量,余下未分解的木质素等残留在上壤中,增加土壤有机质含量^[1-3]，同时改善土壤物理及生物性状^[4-6]提高作物产量^[7-9]。农作物秸秆的合理利用问题直接关系到土壤肥力、水土保持、生态环境的维护、可再生资源的利用以及生产安全等可持续发展问题^[10]。

近几十年来为了提高作物产量，农业生产中大量使用化肥，已经导致了环境恶化、江河湖泊的富营养化、地下硝酸盐浓度升高等问题，长期单纯施用化肥不利于土壤地力的发育。由此，随着农业现代化的迅猛发展，加快对这个问题的解决已成为当务之急^[11]。

秸秆还田和施用石灰是亚热带地区水稻种植的常用措施，一般认为，石灰能够促进秸秆的分解，其主要原因在于pH提高，利于微生物活性的增加,减少化肥用量。值得注意的是，pH对作物分解的研究主要集中于好气条件下，淹水条件下其研究较少。淹水条件下，土壤pH会显著影响作物秸秆的分解，进而影响作物秸秆矿化为铵态氮的能力。考虑到水稻是喜铵作物，种植过程常处于干湿交替状况，铵态氮的供应会直接影响无机肥的施用和水稻的生长。因此，探讨石灰施用条件下作物秸秆在不同水稻土壤中的分解，对于指示氮肥施用及水稻种植具有重要意义。

气候变暖是当今全球性的环境问题，N₂O有较大的辐射强迫潜力，增温潜势是等质量CO₂的 310倍。农田是N₂O的主要来源，因农田生态系统施肥所引起的N₂O排放约占大气CO₂总排放的13%.石生伟^[12]对湖南双季稻区稻秆还田下CH₄排放进行监测表明,与无稻秆还田相比,稻秆还田增加了CH₄排放达无稻杆还田的1.4-2.8倍, N₂O增加排放达到2.1-2.9倍。所以探究淹水施加石灰条件下水稻田N₂O排放对于缓解全球气温变暖具有重要意义。

秸秆还田能有效增加土壤氮素供应，据洪春来^[13]的研究表明,全氮由0.205%上升到0.229%,碱解氮则净增了25.5mgkg-1辽北地区秸秆还田微区培肥试验研究结果表明,秸秆还田使土壤速效氮明显提高,还田量最大的处理速效氮提高11.18%,同时全N含量也明显增加。王淑平^[14]的研究结果表明添加玉米秸秆和根茬能显著提高土壤氮含量,与单施化肥相比,分别增加0.0%和0.094g/kg。李孝勇^[15]等分析秸秆还田培肥地力的试验结果,表明土壤全氮含量增加了28.5%-40.1%;碱解氮含量增加了13.2%一30.8%。长期施用化肥,尤其是氮肥可以提高土壤中全N及速效N含量。

国外的研究概况：世界上很多国家十分重视环境的保护和资源的利用，大多发达国家

很早就采用秸秆还田技术来培肥地力，美国把秸秆还田当作一项长期农业制度，坚持常年实施秸秆还田，在玉米生产中大多采用氮肥配合秸秆还田的施肥制度。美国大平原土壤上每年每公顷还田秸秆或残茬 1.6-1.7 吨，8 年后土壤有机质含量从 1.79%提高到 2.0%。德国波恩大学试验站研究表明，每公顷施入 6.5 吨秸秆并补充氮肥，19 年后土壤有机质含量从 1.02%增加到 1.48%。英国洛桑试验站进行的长期定位试验（Broadbald 试验和 Hoosfield 试验）表明持续秸秆还田的土壤有机质含量的变化可明显高于相同环境条件下不实施秸秆还田的土壤，而适度的土壤有机质足可以保证作物达到高产的环境要求。秸秆还田技术是当今世界范畴内改善农田生态环境，发展可持续农业的重大措施之一。

国内的研究概况：我国秸秆还田事业起步相对较晚，以前的秸秆还田大多是低层次的，且缺乏一定的技术手段^[16] 。相关研究表明，秸秆还田与土壤肥力、环境保护、农田生态环境平衡关系密切，已成为可持续农业和生态农业的重要内容，具有十分重要的作用。我国农作物稻秆资源丰富,它既包括玉米、小麦、稻谷、大豆、薯类等粮食作物秸秆,也包含花生、棉花、蔬菜等经济作物秸秆。据统计,全世界年产农作物秸秆约1000亿到2000亿吨,我国每年达7亿吨以上这相当于每年化肥用量的四分之一以上,可折合为300多万吨氮肥、700多万吨钾肥和70 多万吨的磷肥^[17]。詹其厚等的研究表明秸秆还田可明显增加土壤中氮、速效磷和速效钾的含量^[18]。孙皓等研究表明，连续5年秸秆还田可明显提高土壤有机质含量^[19]。秸秆还田对维持土壤有机质平衡有重要作用。由于土壤有机质的增加，促进了土壤中营养元素的富集和协调。秸秆还田与单施化肥比较，土壤全氮含量增加了5.5%-40.1%；碱解氮含量增加了13.2%；有效钾含量增加了4.8%-21%。作物秸秆还田可以增加土壤的养分含量，其中以稻草还田效果最佳，且土壤养分的增加量随着稻草还田量的增加而增加^[20]。国内外的研究资料都证明,保持和提高土壤肥力不仅对作物产量有很大的影响,对农业的可持续发展也有非常大的作用。

应用前景：目前我国农作物秸秆用于还田1.7%，大部分地区由于没有采取有效的还田措施，致使耕地连年种植不得休闲，土壤有效成份，土壤有机质含量逐年下降，全国平均只有1.5%，不到美国土壤有机质平均含量的一半，农业生产处于重用轻养的掠夺式经营状态。

秸秆还田具有独特的技术优势和良好的社会经济效益和生态效益，是提高土壤有机质含量，推进农业可持续发展的一项重要措施，对于发展生态农业、环保农业都具有重要的意义。农业部将这项技术作为一项成熟的农机化技术成果大力推广，近几年取得了较快的发展。根据试验测定，每公顷每年还田秸秆6 000kg，可提供有机质900kg，就可以补偿土壤有机质的损耗，并且可逐年提高有机质含量，满足作物生长的需要^[21]。因而秸秆还田是一项需要长期应用的技术，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 李倩,张睿,贾志宽.玉米旱作栽培条件下不同秸秆覆盖量对土壤酶活性的影响[J].干早地区农业研究,2009,27 (4) : 152-154.

[2] Wicks,G. A. ,Cutchfield,D. A.,Bumside,O. C. Influence of wheat (Triticum aestivum)straw mulch and metolachlor on corn (Zea mays) growth and yield[J]. Weed Science,1994,42: 141-147.

[3] Sonnleitner, R.,Lorbeer,E.,Schinner,F. Effect of straw, vegetable oil and whey on physical and microbiological properties of a chernozem[J]. Applied Soil Ecology,2003,22:195-204.

[4] 任顺荣,邵玉翠, 高宝岩等.不同施肥处理对土壤团聚体和硝态氮含量的影响[J].天津农业科学,2006，12 (2) : 50-52.

[5] Zhang, G. S. , Chan, K. Y.,Oates,A.,etal. Relationship between soil structure and runoff/soil loss after 24 years of conservation tillage[J]. Soil Tillage Research, 2006,92(1-2): 45-51.

[6] Wuest,S. B. Surface versus incorporated residue effects on water-stable aggregates[J]. Soil and Tillage Research, 2007,96: 124-130.

[7] Humbert B. C.,Lai, R.,Post,W. M.,Owens，L. ，B. Changes in long-term no-till corn growth and yield under different rates of stover mulchf[J]. Agronomy Journal，2006, 98:1128-1136.

[8] 谭德水,金继运,黄绍文,高伟。长期施钾与秸杆还田对华北潮上和褐土区作物产量及土壤钾素影响[j].柏物营养与肥料学报,2008, 14 (1) : 106-112.

[9] 余延丰,熊杜云,张继铭等.秸秆还田对作物产贵和土壤肥力的影响[J].湖北农业科学,2008，47 (2) : 169-171

[10] 高旺盛，朱文珊.秸秆还田的机理与技术模式[M].北京,中国农业出版社,2001,3-5.

[11] 刘建生.我国秸秆资源分布及利用现状的分析[D].中国农业大学, 2005,24（3）:166-177.

[12] 石生伟.减少稻田甲烷和氧化亚氮排放措施的研究[D].北京沖国农业科学院,2010.

[13] 洪春来.秸秆全量直接还田对土壤肥力及农田生态环境的影响研究[J].浙江大学学报(农业与

生命科学版),2003,29(6):627一633.

[14] 王淑平.添加玉米残体对土壤一植物系统中氮素转化的影响[J].应用生态学报2004,15(3):科9一452.

[15] 李孝勇,武际,朱宏斌,等.秸秆还田对作物产量及土壤养分的影响[J].安徽农业科

学,2003,31(5):870一871

[16] Kumar K, Goh K M.Crop residues and management practices effects On soil quality, soil nitrogen namics, crop yield and nitrogen recovery. Advance in Agronomy, 2000, 68: 197-319.

[17] 宋硕.焚烧秸秆造成的危害及其综合利用技术[J].山东环境,1999,(5): 1-52

[18] 李红,周连第,张有山等.秸秆还田对土壤蓄水保肥及作物产量的影响[J].中国农村水利水

电,2008（01）: 36-38.

[19] 孙皓, 王礼焦, 高云等. 推广测土配方施肥技术加快耕地质量建设步伐[J].安徽农学通

报.2009,5（3）:186-189.

[20] 徐祖祥. 连续秸秆还田对作物产量和土壤养分的影响[J]. 浙江农业科学, 2003, (1): 35-36.

[21] 秦建国，袁潞.机械化秸秆还田技术推广应用前景[J].江苏农机化，2006.3.27

研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

研究方法：

共采集6种不同pH的水稻土壤（鹰潭、宜兴和句容），每个土壤设加和不加石灰处理，加入¹⁵N标记的作物秸秆，淹水定期取样测定无机氮含量和气体排放，培养结束后测定土壤中无机氮的¹⁵N丰度。

气体取样操作：称取土样、秸秆、石灰于290mL呼吸瓶中充分混匀，再加入1：1蒸馏水水充分混合均匀，盖上瓶盖，放在25℃培养箱中黑暗培养40d，期间在第1、2、3、5、10、15、20、25和40d时抽气、测气，在测气前4h时在通风橱内通风换气。（培养箱中放温度计调整温度；称重法计算失去水分，用注射器补充水；每天掉换瓶摆放的位置）。

非气部分测定操作：加入120 mL 2.5 molL^-1KCl 溶液于各处理的三角瓶中,使 KCl最终浓度达到2 molL^-1，25℃、250 rpm 下震荡1 h,定量滤纸过滤,采用 SkalarplusSan 流动分析仪测定提取液中NH4 -N 和 NO3^--N 含量。

土壤 pH 值(水土比 2.5 /1)采用 DMP-2 mV/pH计测定,土壤电导率 EC(水土比5 /1)采用电导率仪测定，土壤全碳含量采用铬酸磷酸湿烧法测定，土壤全氮含量采用半微量凯氏法测定，CO₂、N₂O浓度采用气相色谱分析仪测定。

技术路线：

可行性分析：

淹水条件下，土壤pH会显著影响作物秸秆的分解，进而影响作物秸秆矿化为铵态氮的能力。考虑到水稻是喜铵作物，种植过程常处于干湿交替状况，铵态氮的供应会直接影响无机肥的施用和水稻的生长。因此，探讨石灰施用条件下作物秸秆在不同水稻土壤中的分解，对于指示氮肥施用及水稻种植具有重要意义。