CN112314368B - 一种南方休闲期稻田固氮减排的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种南方休闲期稻田固氮减排的方法，包括生物措施和生物量提升管理措施两个方面，其中生物措施包括本地优势杂草培育、稻茬再生两个步骤，生物量提升管理包括田间水分分段管理、磷肥调控、田间管理、春耕时期调控四个步骤。本发明提供的固氮减排方法的核心是通过休闲期杂草和稻茬再生对稻田土壤速效氮的吸收减少硝化反硝化的底物，从而达到N2O减排的目的。本发明提供的固氮减排方法易行，投资少，就地施用，能节省人工和运输力，解决了休闲期稻田残留氮高、温室气体N2O排放大的问题，达到了休闲期稻田固氮减排的积极效果。

Description

一种南方休闲期稻田固氮减排的方法
技术领域
本发明属于固氮减排技术领域，具体涉及一种南方休闲期稻田固氮减排的方法。
背景技术
我国是世界上第二大水稻种植国家，水稻种植面积占世界种植面积的27％。因稻田特殊的水分管理模式和培肥特征，使得稻田温室气体的排放受到广泛的关注。水稻生产过程中存在氮肥过量施用和氮肥利用效率较低(当季利用效率低于35％)等问题，直接导致稻田土壤活性氮素含量过高(如铵态氮和硝态氮)，这为稻田N2O排放提供了充足的底物，特别是在水分干湿交替(水稻生育期主要发生在晒田期)情况下N2O排放通量激增。
稻田氮含量高和水分干湿交替是稻田温室气体N2O的排放的关键条件和驱动因子，这种驱动N2O大量排放的水分干湿交替条件主要发生在稻田休闲期。南方红壤丘陵地区由于地形及其劳动力短缺，使得稻田冬季休闲面积越来越大。大量观测研究已证实南方稻田休闲期是N2O排放的重要时期，其排放通量远高于水稻生长期排放通量，南方休闲期稻田的特征是其关键驱动因素。南方休闲期稻田的特征主要有：(1)稻作季过量氮肥和利用效率低导致的休闲期稻田残留氮素(主要为水稻生育期残留氮养分、土壤有机氮和农田残留有机物态氮，如根、残茬、稻草等)过高问题，残留的矿质氮和有机氮为微生物的硝化反硝化作用提供了充足的底物；(2)休闲稻田具有面积大和休闲期长(6个月以上)的特点，特别是双改单延长了稻田休闲期到8个月左右，该特征为N2O排放提供有利的时空条件；(3)休闲期稻田水分的干湿交替频繁，为N2O产生和排放提供了厌氧和好氧转化的水分条件，是稻田N2O产生和排放的有利环境条件。因此稻田休闲期是消减稻田生态系统温室气体N2O排放的关键时间段。另外南方双季稻区休闲期积温较高(无霜期短)，利于硝化反硝化功能微生物的生长繁殖。上述特征增加休闲稻田N2O排放风险，削弱稻田土壤作为陆地生态系统氮库能力。
目前，对于休闲期稻田N2O的研究和技术集中在N2O的排放通量和规律的观测上，而对休闲期稻田固氮减排技术没有涉及。现有的稻田固氮减排技术主要涉及的是水稻生育期内这段时期内的固氮减排，如硝化抑制剂、氮肥减施、化肥配施、水分调控、生物质碳施用等措施。休闲期的上述特征也促进休闲期植被的生长，具有较强的氮养分需求和生物固氮潜力。休闲期绿肥种植是目前较少的关于休闲期稻田的固氮技术，但其技术核心是通过豆科植物的根瘤菌来固定空气中的氮，而休闲期稻田N2O排放主要由稻田残留氮素造成的，减排的核心可以是从减少土壤残留无机氮含量的角度来设计N2O固氮减排的技术。目前，休闲期稻田固氮减排缺乏方法基础，更没有涉及基于稻田残留养分的固氮减排的具体实施方法。如何提高休闲期稻田残留养分的利用效率，减少N2O的排放通量，不仅是休闲期稻田残留养分高效利用的挑战，还对如何利用休闲稻田达到稻田固氮减排目的具有重大的现实和理论意义。
基于南方休闲期稻田特征和温室气体N2O排放风险，有必要设计一种适宜南方休闲期稻田固氮减排的方法。本发明根据南方休闲期稻田特征进行针对性设计，方法特点是通过调控休闲期杂草(生物量、物种搭配)、稻茬再生吸收固定水稻收割后稻田残留的氮素，从而减少土壤微生物硝化反硝化底物的方式来实现N2O减排。本发明的减排方法可操作性强，易于推广。
发明内容
针对现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种南方休闲期稻田固氮减排的方法，本发明以休闲期稻田稻茬的再生、杂草对残留氮的吸收为手段，结合分段水分管理、磷肥调控措施、田间管理和春耕时期调控留种的方法，促进早期田面杂草快速覆盖、稻茬快速再生和中后期杂草的大量生长，能同时实现不同休闲期阶段的稻田残留氮素生物吸收固定和N2O的减排。上述措施整体配合实施，可达到整个休闲期稻田固氮减排的效果。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种南方休闲期稻田固氮减排的方法，包括生物措施和生物量提升管理措施两个方面；
其中，生物措施包括：
(1)本地优势杂草培育：对未形成优势杂草的休闲稻田，在每年3月底到4月初休闲稻田优势杂草种子成熟期，收集杂草种子，把收集到的杂草种子直接撒播到未形成优势杂草的稻田，或者将优势杂草的地上部收割，然后铺到未形成优势杂草的稻田；对已形成优势杂草的休闲稻田，通过对休闲稻田成熟期杂草的收割及原位还田进行优势杂草的长期维持；
(2)稻茬再生：控制稻茬的收割高度在8-15cm，促进水稻收割后1.5个月内再生水稻茎叶的生长，进而促进再生水稻茎叶对稻田土壤速效氮的吸收；其中，稻茬的再生指的是稻茬的茎叶再生，留茬高度为8-15cm，与再生稻的留高茬(35cm左右)不同；此外，稻茬再生时间短，约1.5个月左右，所以不考虑再生水稻的抽穗、成熟等问题，本发明中稻茬再生的主要目的是提高植株茎叶生物量；
其中，生物量提升管理措施包括：
(1)田间水分分段管理：在水稻收割后一个半月内，设置稻田排水口低于田面0-5cm，能同时维持杂草生长和再生水稻正常生长的水分条件；在水稻收割后1.5个月后(禾本科杂草覆盖度逐渐提高时期)，设置稻田排水口低于田面5-10cm，能够保持排水通畅，有利于禾本科杂草的生长；
(2)磷肥调控：在水稻季稻田土壤速效磷含量低于6mg/kg时，通过水稻季施用磷肥调控土壤有效磷含量在10mg/kg以上，以保证休闲期时稻田土壤速效磷含量高于6mg/kg；磷肥调控措施的主要作用是促进杂进草种子正常萌发，减少杂草生长的养分限制，提高杂草总生物量；
(3)田间管理：水稻收割后稻田土壤不翻耕以及收割后的稻草移出或平铺田面中；其中，不翻耕主要考虑的是可萌发的种子主要集中在表层土样，翻耕会降低种子的萌发率和延缓种子萌发速度；将收割后的稻草移出或平铺田面，可减少堆积的稻草分解产生的化感物质和遮蔽作用对杂草种子萌发的影响，且稻草的田面铺盖还具有保持田面湿润的效果；
(4)春耕时期调控：根据当地优势杂草种子的成熟时间，适当调整春耕期，在优势杂草85％的种子成熟后翻耕，逐渐增加优势杂草的土壤种子库；同时，将杂草水耕翻压入泥，即不施用除草剂，不焚烧杂草，在稻田淹水的条件下直接机械翻耕，把杂草翻耕入泥，这样的翻压还田方式可把冬季植被固定的氮归还到稻田土壤中去，形成土壤的氮库，从而达到巩固休闲期植被的固氮减排的长期效果。
进一步的，所述休闲期稻田为休闲期期间不进行农事操作的稻田。
进一步的，所述磷肥的施用量以纯磷计为20-40kg/ha，在水稻移栽前1-2天田面撒施。
进一步的，稻田休闲期指的是中稻或晚稻收割后至次年春耕(通常为3月底到4月初)，水稻收割后1.5个月为休闲期早期，水稻收割1.5个月后至次年春耕为稻田休闲期中后期。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
(1)本发明采用南方休闲期稻田本地优势杂草培育和稻茬再生作为休闲期稻田固氮减排的主要生物措施，结合不同时期的田间管理措施，具有就地取材、光热资源利用合理、操作简便等优点，该技术方法可在南方冬闲稻田广泛使用，对休闲期稻田固氮减排具有长效性和可持续性的特点。
(2)本发明提供的南方休闲期稻田固氮减排的方法，包括生物措施和生物量提升管理措施两个大的方面，紧密相连，二者组合构成一个整体技术。
(3)在稻茬再生环节中，关键在于控制水稻的收割高度，即稻茬收割高度控制在8-15cm，这样设置有利于促进水稻收割后1.5个月内的再生水稻茎叶的生长，促进对稻田中下层(5-20cm)土壤速效氮的吸收；而通过精确控制稻茬收割高度在8-15cm改善休闲期稻田的固氮减排由发明人创造性提出；此外，稻茬再生时间短，约1.5个月左右，所以本发明中不考虑再生水稻的抽穗、成熟等问题，稻茬再生的主要目的是提高植株茎叶生物量。
(4)田间水分分段管理环节中，在稻田休闲期中后期(禾本科杂草覆盖度逐渐提高时期)，设置稻田排水口低于田面5-10cm，是为了利于禾本科杂草的生长；通过水分管理来增加不同时段植被的优势生长，增加植被覆盖度，生物量来吸收土壤残留氮。该措施既减少了田面渍水，又解决了田面土壤过于干燥的问题。
(5)通过磷肥调控，能够促进杂草种子正常萌发，减少杂草生长的养分限制，提高杂草总生物量。
(6)田间管理环节中，可萌发的种子主要集中在表层土样，翻耕降低种子的萌发率和延缓种子萌发速度，因此本发明采用不翻耕的方式；而稻草收获后要求稻草不能堆积在田面，是为了减少稻草分解产生的化感物质和遮蔽作用对杂草种子萌发的影响，而稻草的田面铺盖还具有保持田面湿润的效果。
(7)春耕时期调控环节中，将杂草水耕翻压入泥，可以把冬季植被固定的氮归还到稻田土壤中去，形成土壤的氮库，从而达到巩固休闲期植被的固氮减排的长期效果。
(8)本发明提供的休闲期稻田固氮减排方法，在土壤矿质氮残留量、植被固氮量、N2O减排量、土壤氮库增量四个评价指标方面表现优异，固氮减排效果明显，能解决南方休闲期稻田残留氮素的高效利用问题，具有广阔的应用前景。
说明书附图说明
图1为一种南方冬季稻田固氮减排的方法流程图；
图2为休闲期稻田矿质氮残留量效果对比图；
图3为固氮减排措施植被固氮量效果对比图；
图4为固氮减排措施N2O减排效果对比图；
图5为固氮减排措施土壤N库增量效果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解，实施例仅是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限定。
实施例1：
在中国科学院桃源农业生态试验站休闲期稻田内开展本实施例。田间设计为完全随机分组设计，设置3个重复区块，每个区块面积为33.0m2。
根据图1可知，一种南方休闲期稻田固氮减排的方法，包括生物措施和生物量提升管理措施两个方面；
其中，生物措施包括：
(1)本地优势杂草培育：本试验区域优势杂草为禾本科杂草看麦娘，在休闲期稻田已经形成优势种群，因此本实施例中涉及的是优势种群的维持方法，在杂草种子成熟时，通过水稻机械收割或人工收割的方法收割杂草种子，并直接原位还田，进行优势杂草的长期维持；
(2)稻茬再生：控制稻茬的收割高度在8-15cm，促进水稻收割后1.5个月内再生水稻茎叶的生长，进而促进对稻田中下层土壤速效氮的吸收；
其中，生物量提升管理措施包括：
(1)田间水分分段管理：在水稻收割后1.5个月内，设置稻田排水口低于田面0-5cm，同时满足杂草生长和再生水稻正常生长的水分条件；在水稻收割后一个半月后，设置稻田排水口低于田面5-10cm，保持排水通畅，有利于杂草的生长；
(2)磷肥调控：在水稻移栽前1天，按照39.3kg/ha(以纯磷计)的标准将过磷酸钙作为基肥施入稻田，保证休闲期土壤速效磷的含量控制在6mg/kg以上；同时，该实施例中水稻生育期氮肥的投入量为182.3kg/ha，代表休闲期稻田为氮素高残留模式；
(3)田间管理：水稻收割后稻田土壤不翻耕以及将收割后的稻草移出或平铺在田面上；
(4)春耕时期调控：优势杂草看麦娘成熟的时间为4月初，因此调整春耕时间在4月10日左右，在看麦娘杂草85％的种子成熟后翻耕，可逐渐增加看麦娘杂草的土壤种子库；不施用除草剂，不焚烧杂草，在稻田淹水的条件下直接机械翻耕，把杂草翻耕入泥。
对比例1
在中国科学院桃源农业生态试验站休闲期稻田内开展本对比例。田间设计为完全随机分组设计，设置3个重复区块，每个区块面积为33.0m2。
一种南方休闲期稻田的管理方法，其主要步骤如下：
(1)稻茬收割：稻茬收割不保留稻茬；
(2)田间水分分段管理：在水稻收割后1.5个月内，设置稻田排水口低于田面0-5cm，同时满足杂草生长和再生水稻正常生长的水分条件；在水稻收割后一个半月后，设置稻田排水口低于田面5-10cm，保持排水通畅，有利于杂草的生长；
(3)田间管理：水稻收割后稻田土壤不翻耕以及将收割后的稻草移出或平铺田面中。
需要说明的是，对比例1中的休闲期稻田在水稻生育期无氮肥投入，代表休闲期稻田为氮素低残留(无残留)模式。
试验结果
可以看到，在管理过程中，对比例1也实施了分段水分管理模式和稻田不翻耕措施；与实施例1相比，对比例1中休闲期稻田的田间管理中无生物措施，无优势杂草培育，稻田不保留稻茬，无磷肥调控措施和春耕时期调控措施。
接着，将实施例1和对比例1的样田从土壤矿质氮残留量、植被固氮量、N2O减排量、土壤氮储量增量四个方面进行评价。其中，图2是2013-2015年年间实施例1和对比例1休闲期稻田土壤矿质氮变化情况；图3为2013-2015年年间实施例1和对比例1休闲期稻田植物固氮量情况，图4是2013-2015年年间实施例1和对比例1休闲期稻田N2O排放量情况；图5是2000-2015年年间实施例1和对比例1休闲期稻田土壤N储量变化情况。具体结果分析如下：
(1)土壤矿质氮残留量(硝态氮)比较评价：实施例1(实施了固氮减排措施)中休闲期稻田是高氮残留模式，固氮减排措施显著降低了休闲期稻田土壤硝态氮的含量，其硝酸态氮含量(0.24mg/kg)仅为对照组含量(0.89mg/kg)的1/4，两者铵态氮含量没有显著差异，结果表明固氮减排措施消减了土壤矿质氮的含量，整体与低氮残留稻田土壤没有显著差异(见图2)。
(2)植被固氮量比较评价。实施例1中固氮减排措施显著提高了休闲期稻田杂草、再生稻茬对土壤氮素的吸收固定量(见图3)，其固氮量(48.5kg/ha)是对比例1中固氮量(22.7kg/ha)的2.1倍。这表明，休闲期杂草对残留氮的吸收是固氮减排措施土壤维持低矿质氮量的关键原因。
(3)N2O减排量比较分析。土壤矿质氮的消减，特别是硝态氮含量的显著降低，直接导致固氮减排措施N2O排放量的显著下降(见图4)。对比例1中休闲期N2O排放量为0.37kg/ha，实施例1中N2O排放量(0.20kg/ha)仅为对照的54.2％左右，减排效果显著。
(4)土壤氮储量增量评价。由图3可以知道，实施例1中杂草、再生稻茬植被固氮量显著高于对比例1，而这部分氮在春耕归还到土壤，显著提高土壤长期氮库(见图5)。从图5中可以看到，对比例1中土壤氮库减少了0.1t/ha，而实施例1中土壤氮库增加0.44t/ha，进一步证实了本发明固氮减排措施固氮效果的有效性。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种南方休闲期稻田固氮减排的方法，其特征在于，所述方法包括生物措施和生物量提升管理措施两个方面；
其中，所述生物措施包括：
(1)本地优势杂草培育：对未形成优势杂草的休闲稻田，在每年3月底到4月初休闲稻田优势杂草种子成熟期，收集杂草种子，把收集到的杂草种子直接撒播到未形成优势杂草的稻田，或者将优势杂草的地上部收割，然后铺到未形成优势杂草的稻田；对已形成优势杂草的休闲稻田，通过对休闲稻田成熟期杂草的收割及原位还田进行优势杂草的长期维持；
(2)稻茬再生：控制稻茬的收割高度在8-15cm，促进水稻收割后1.5个月内再生水稻茎叶的生长，进而促进再生水稻茎叶对稻田土壤速效氮的吸收；
其中，所述生物量提升管理措施包括：
(1)田间水分分段管理：在水稻收割后一个半月内，设置稻田排水口低于田面0-5cm，同时满足杂草生长和再生水稻正常生长的水分条件；在水稻收割后一个半月后，设置稻田排水口低于田面5-10cm，保持排水通畅，有利于杂草的生长；
(2)磷肥调控：在水稻季稻田土壤速效磷含量低于6mg/kg时，通过水稻季施用磷肥调控土壤有效磷含量在10mg/kg以上；
(3)田间管理：水稻收割后稻田土壤不翻耕以及将收割后的稻草移出或平铺在田面上；
(4)春耕时期调控：根据当地优势杂草种子的成熟时间，适当调整春耕期，在优势杂草85％的种子成熟后翻耕，逐渐增加优势杂草的土壤种子库；同时，将杂草水耕翻压入泥；
其中，所述休闲期稻田为休闲期期间不进行农事操作的稻田。
2.根据权利要求1所述的一种南方休闲期稻田固氮减排的方法，其特征在于，所述磷肥的施用量以纯磷计为20-40kg/ha，在水稻移栽前1-2天田面撒施。
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