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氮素是影响水稻生长发育的重要营养元素之一,合理的施氮水平有助于水稻的增产,过量施氮不仅导致氮素利用率降低,而且多余的氮素流失,增加温室气体排放、加剧水体富营养化等环境问题。本文研究不同施氮水平下水稻冠层叶片SPAD(Soil and Plant Analyzer Development)值变化规律及其与植株氮素营养诊断的关系;稻田CO2、CH4、N2O三种温室气体排放特征;肥料中氮素在稻田系统植株、土壤、气体中的迁移转化及分配比。通过氮素营养快速诊断保证产量的同时,减少温室气体排放,提高氮肥利用率,达到农业效益和环境效益的共贏。研究结果可为稻田生态系统的肥料管理、温室气体的减排提供理论依据和实际指导,对缓解全球气候变化,可持续利用与管理稻田生态系统具有重要意义。通过3年(2013-2015年)在水稻田的6个施氮水平(0、75、150、225、300、375kg N/ha)及不同施肥方案(2015年)的田间实验,对水稻冠层不同叶位的SPAD值动态变化及其与水稻叶片氮含量的相关性、临界氮浓度曲线和氮营养指数(Nitrogen nutrient index,NNI)的关系、水稻全生育期内温室气体排放特征和排放强度、肥料氮素在植株-土壤-大气系统中的归趋及分配比进行研究,得出的主要结论如下:(1)水稻的冠层4张叶片的SPAD值在整个水稻生育期内经历"两升两降"的变化过程,该规律是水稻生长特性决定,不随施氮量变化而改变。低施氮处理组的叶片SPAD值低于高施氮处理组,低施氮处理组的SPAD值在水稻生育后期变化较为剧烈,高施氮处理组的SPAD变化趋势更为平缓。L3(顶三叶)和L4(顶四叶)的SPAD值与叶片含氮量的相关性随生长阶段呈现先降低后升高的变化趋势,在分蘖期拟合的回归系数最高(0.80-0.80),抽穗期次之(0.68-0.69),孕穗期最低(0.41-0.57)。水稻的L3和L4对氮素养分的响应程度较高,是用于植株氮营养诊断的理想叶位。(2)水稻临界氮浓度曲线可通过模型Nc=aW-b拟合,2013年临界氮浓度为Nc=5.38W-0.49(R2=0.81)、2015年为Nc=4.29W-0.55(R2=0.78)。水稻临界氮浓度下的施氮量范围为225-300kgN/ha(NNI=1)。在此情况下,L3和L4叶位的理想SPAD值变化曲线分阶段可由一元二次方程拟合。第一阶段(0-60天)L3和L4的拟合系数0.56-0.68,SPAD值变化范围为45-50;第二阶段(60-120天)L3和L4的拟合系数均大于0.9,SPAD值变化范围为35-47.5。(3)2013-2014年不同施氮水平下温室气体排放实验结果表明,施氮水平的提高促进了CO2和N2O的排放,对CH4排放无显著影响。CO2的排放峰出现在水稻生长的中期,其排放速率与温度呈显著正相关,排放速率范围26.85-2841.81mg/m2·h,排放总量范围1337.12-3263.51g/m2;CH4的排放峰出现在水稻生长的前期,与田面水显著相关,排放速率范围19.62-32.95mg/m2·h,排放总量范围145.38-404.63g CO2-eq/m2;N2O的排放峰出现在水稻生长的中后期,排放量与施氮水平呈显著正相关,最高排放速率发生在高施氮水平下达到99.91μg/m2·h,排放总量范围2.29-51.85g CO2-eq/m2。不同施氮处理组温室气体排放总量范围为1514.31-3512.13g CO2-qe/m2,全球变暖潜能值贡献率CO2>CH4>N2O。田间实测的SPAD值与理想SPAD曲线联用可以用于判断N2O排放速率峰的出现。(4)温室气体排放强度(GHGI)范围为1.91-4.57kg CO2-qe/kg rice,排放强度与施氮水平的关系呈现"U"型,即在低施氮量和高施氮量的情况下,温室气体排放强度较高,适度施氮量下排放强度较低。两年的最低排放强度都出现在225kg N/ha施氮水平下,2013年为3.69 kg CO2-qe/kg rice、2014年为2.23 kg CO2-qe/kg rice,两年平均值为2.96 kg CO2-qe/kg rice。结合农业产量和温室气体减排,225kg N/ha施氮水平是稻田的最佳施氮水平,保障水稻产量的同时排放较少的温室气体,达到农业效益和环境效益的双赢。(5)通过15N标记的氮肥追踪氮素在稻田系统中的迁移转化和分配比。氮肥被植株吸收利用率和土壤残留率随施氮水平的升高反而降低,植株吸收的氮素占氮肥总量的24.02%-44.23%、土壤残留占6.88%-21.82%、植物和土壤总利用率范围30.90%-66.05%;挥发氨是氮肥损失的主要途径,挥发氨的损失占氮肥比例随施氮水平升高而增高,损失比例范围29.49%-58.01%。N2O是另一种氮肥的气态损失形式,N2O损失量占氮肥的比例随施氮水平升高而升高,损失比例范围0.14%-0.94%。氮肥主要残留在土壤的0-20cm,残留量随施氮水平的增加而增加。不同施氮水平40-60cm土层的氮肥残留量并无显著性差异。过多的氮肥输入并不能有效的保留在土壤中,反而以挥发氨和N2O的形式损失污染环境。