土壤氮激发效应及其微生物机理研究进展

土壤氮激发效应是土壤养分释放、植物养分吸收过程中的关键机制。对土壤氮素激发的深入了解,不仅有助于农业生产上更加合理制定氮肥运筹,从而提高氮肥的利用率,也有利于评估和控制环境污染并提供有效的治污方法。本文在介绍土壤氮素激发效应概念和机制的基础上,评估目前土壤氮素激发效应的主流测定方法及其在实际应用中的优劣,重点阐述了外源添加物(无机氮肥、有机物料和根系分泌物)对土壤氮素激发效应的作用效果及其微生物机理。土壤氮激发模式中,外源添加物对土壤C/N比的影响可能是土壤氮激发效应作用的关键。当系统中有效C冗余时,施用无机氮肥,促进土壤有机氮的分解,从而表现正的激发效应;反之,有效C不足但有效N富集时,则表现为固氮微生物活性相对增强,从而出现负的激发效应。微生物是激发效应的推动者。本文通过共代谢理论、微生物热区理论和微生物能量与物质转化理论三个理论假说解析了微生物在土壤氮激发过程中可能的作用机制,从而深化对激发效应的认识,为进一步明确土壤激发效应的微生物机制、因素之间的互作效应及通过激发效应为提高氮肥利用效率提供有效途径。     

土壤氮激发效应及其微生物机理研究进展

土壤氮激发效应是土壤养分释放、植物养分吸收过程中的关键机制。对土壤氮素激发的深入了解,不仅有助于农业生产上更加合理制定氮肥运筹,从而提高氮肥的利用率,也有利于评估和控制环境污染并提供有效的治污方法。本文在介绍土壤氮素激发效应概念和机制的基础上,评估目前土壤氮素激发效应的主流测定方法及其在实际应用中的优劣,重点阐述了外源添加物(无机氮肥、有机物料和根系分泌物)对土壤氮素激发效应的作用效果及其微生物机理。土壤氮激发模式中,外源添加物对土壤C/N比的影响可能是土壤氮激发效应作用的关键。当系统中有效C冗余时,施用无机氮肥,促进土壤有机氮的分解,从而表现正的激发效应;反之,有效C不足但有效N富集时,则表现为固氮微生物活性相对增强,从而出现负的激发效应。微生物是激发效应的推动者。本文通过共代谢理论、微生物热区理论和微生物能量与物质转化理论三个理论假说解析了微生物在土壤氮激发过程中可能的作用机制,从而深化对激发效应的认识,为进一步明确土壤激发效应的微生物机制、因素之间的互作效应及通过激发效应为提高氮肥利用效率提供有效途径。     

豆科作物氮素高效利用机制研究进展

工业氮肥的使用一定程度上满足了农作物高产的需求,但过量施用带来严重的环境生态问题,如何利用生物固氮提供的绿色高效氮素部分代替工业合成氮肥是当前研究的热点。虽然共生固氮体系效率较高,但肥料氮和根际微生物群落可能对结瘤固氮体系的利用产生消极影响。为此,本文从制约共生固氮体系高效利用的关键因素,即土壤有效氮含量及根际微生物群落入手,梳理了豆科植物-根瘤菌共生体系的建立及其对外源氮的响应以及根际微生物群落与根瘤菌共生效率的关系,总结分析了氮素高效利用的生理分子机制,通过优化调控技术提高氮素利用率,为豆科作物氮素高效利用提供理论支持。     

控释氮肥在土壤中的释放特征及其对春玉米养分吸收及氮肥利用率的影响

通过田间试验,研究控释氮肥在田间的养分释放特征及其在玉米生长期内养分需求和氮素供应状况以及对土壤无机氮、玉米产量和氮肥利用率的影响。结果表明,控释氮肥的养分释放达到了控释效果,其养分释放与玉米的养分吸收规律基本一致。与普通氮肥相比,施用控释氮肥有效地提高土壤中的无机氮含量,促进玉米植株对氮素的吸收利用。施用控释氮肥处理的玉米吸氮量比普通氮肥处理增加8.41%,玉米产量较普通氮肥增产720 kg/hm~2,氮肥利用率较普通氮肥处理高10.13个百分点,氮肥农学效率较普通氮肥处理高19.48%。     

秸秆还田与优化施氮改善烤烟根际土壤碳氮转化及氮素吸收

针对华南沙泥田烟区氮肥过量施用导致烟叶品质下降的问题,拟通过秸秆还田与氮肥优化配施调节烤烟各生育期氮吸收、根际土壤碳氮转化及相关酶的活性。试验采用随机区组设计,设水稻秸秆还田与氮肥两因素,其中3个碳（秸秆还田）水平：C0,无秸秆还田,0 kg/hm ²;C1,中量秸秆还田,4500 kg/hm ²;C2,全部秸秆还田,9000 kg/hm ²;2个氮水平：N1,传统施氮,169.50 kg/hm ²;N2,优化施氮,105.00 kg/hm ²。结果表明,与N1相比,N2处理秸秆还田下烤烟前期烟叶和根系氮吸收和累积正常,而后期有所下降;C1、C2处理时,与现蕾期相比,成熟期时根系氮含量均降低4.2 g/kg,叶片氮含量降低3.8、3.0 g/kg;成熟期时,与N1处理相比,N2处理时C1、C2处理的土壤无机氮含量降低30.4%、20.0%,前期2个氮处理间土壤无机氮含量无差异,优化施氮下中量秸秆还田（C1N2）处理烤烟土壤NH₄ ⁺-N含量在整个生育期内较高且呈降低趋势,而硝态氮和土壤无机氮含量在成熟期最低,表明中量秸秆还田下优化施氮能够维持生育前期土壤无机氮含量,且降低成熟期土壤无机氮含量。2个秸秆还田量处理时,团棵期N2处理的土壤转化酶活性是N1处理的1.30、1.13倍;旺长期土壤转化酶活性是N1处理的1.27、1.10倍;与传统施氮相比,秸秆还田下优化施氮处理增加了整个生育期土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性。在中量秸秆还田（C1）处理下,与N1水平相比,现蕾期和成熟期的N2处理土壤水溶性碳含量提高11.2%和14.1%;与N1相比,N2处理的土壤微生物量氮含量呈降低趋势。综上所述,优化施氮耦合中量秸秆还田（C1N2）能够提高土壤水溶性碳含量,维持土壤氮素合理供应,稳定烤烟生育前期对氮素吸收与累积,减少生育后期烟叶氮素奢侈吸收,与烤烟吸氮规律比较吻合。     

调节碳氮比对甘蔗叶还田后土壤无机氮、微生物量氮、水溶性有机碳含量和脲酶活性的影响

秸秆还田条件下如何合理配施氮肥是影响秸秆还田效果的关键问题。以甘蔗叶还田条件下配施氮肥调节C/N为切入点,设置6个添加不同甘蔗叶与氮肥比例的处理:CK(不施入甘蔗叶和氮肥)、T_1(15∶1)、T_2(20∶1)、T_3(25∶1)、T_4(30∶1)和T_5(35∶1),利用土柱模拟试验的方法测试分析了试验过程中土壤不同形态氮素和水溶性有机碳含量的变化。结果表明,甘蔗叶还田配施氮肥可以有效增加土壤中氮素的含量,试验初期配施较高比例氮肥的处理土壤全氮含量更高,随着时间的延长,C/N在25∶1~35∶1范围时,土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量更高。甘蔗叶还田施氮还提高了土壤微生物量氮的含量和脲酶活性。综合来看,甘蔗叶还田配施氮肥调节C/N为25∶1,对于提高土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量的效果最佳。     

纳米碳与氮肥配施对水稻土壤养分和微生物群落结构的影响

采用盆栽试验,设置了不施氮肥(CK)、常规施肥(N2)、减施氮肥+纳米碳粉(N1+C)和常规施肥+纳米碳粉(N2+C)4个处理,研究了纳米碳配施氮肥对东北黑土养分和微生物群落结构的影响。结果表明,添加了纳米碳的处理土壤pH值和含水量均显著高于未添加纳米碳的处理,较N2处理土壤pH值平均高2.89%、土壤含水量平均高16.99%;添加纳米碳的处理土壤有机碳、速效磷和速效钾含量均显著高于未添加纳米碳的处理,分别高8.49%、7.49%和23.41%,且养分含量均以N1+C处理最高;土壤总PLFA含量表现为N2+C>N1+C>N2>CK,革兰氏阳性菌/阴性菌和细菌摩尔百分比表现为N1+C>N2+C>N2>CK,真菌和放线菌摩尔百分比表现为CK>N2>N1+C>N2+C。对土壤微生物群落结构进行主成分分析,结果表明,添加纳米碳使土壤微生物群落结构发生了改变,其中N2+C处理的影响最显著。可见,在农业生产中,纳米碳与氮肥配施对提高土壤养分含量、改善土壤微生物群落结构具有积极作用。     

缓释尿素对滴灌玉米农田土壤无机氮及产量的影响

通过研究不同基施比例的缓释尿素与滴灌玉米土壤氮素供应、氮素吸收利用以及农田氮素平衡的相互关系,明确缓释尿素在滴灌玉米上作基肥施用并探讨其施用的适宜基施比例。结果表明,基施缓释尿素对比普通尿素增加了土壤硝态氮和铵态氮含量,缓释尿素处理土壤无机氮积累量表现为富集现象,不施氮处理则表现为负积累效应;土壤氮素含量随基施比例的增加而降低。玉米产量、氮肥利用率和农学效率随缓释尿素基施比例的增大表现为先增加后降低的趋势,土壤氮素表观损失量和氮素盈余量随基施比例的增大均先降后增。以缓释尿素50%作基肥的玉米产量及氮肥利用率较高,土壤氮素表观损失量较低。     

茶园土壤氮的激发效应

土壤中的氮素一般有80～90％为非有效性的有机态氮,但是,化肥氮施到土壤后常常导致土壤有机态氮的矿化,促进有机态氮的有效化,从而增加土壤有效氮的含量,这个过程称为土壤氮的激发效应。近年来,同位素~15N示踪试验结果表明,土壤氮的激发效应普遍存在,而其原因是多方面的,除了取代和转换效应外,还有渗透压效应。此外,还与植物根际效应及植物生理功能所引起的生理效应等有密切的关系。     

控释氮肥一次施用对小麦群体调控及养分利用的影响

为探讨控释氮肥一次性施用对小麦生长、产量和养分利用的影响,在田间进行了两年定位试验,与普通氮素一次施用和优化施肥进行对比,研究了生物可降解型控释氮肥在氮素释放特征、小麦群体调控、养分积累与利用、土壤氮素残留与排放等方面的作用效果。结果表明,与普通氮肥一次施用[OPT(N)]以及优化施肥(OPT)相比,控释氮肥(CRF)一次施用可有效调控小麦春季分蘖群体,使分蘖成穗率分别提高7.6%和1.5%,分别增加实收产量18.7%和-0.3%;控释氮肥的氮素释放特点与小麦植株氮吸收规律相吻合,氮素积累量相比OPT(N)提高了24.5kg·hm~(-2),且提高氮素向籽粒的转运比例,氮肥利用率比OPT(N)处理高11.7个百分点;施用控释氮肥降低了收获期土壤硝态氮残留以及生长季N_2O排放(比OPT减少22.7%),减少了氮向土壤深层淋溶和向大气排放的环境风险;相比农民习惯施肥,在减氮87kg·hm-2的水平下,80%CRF处理亦可实现增收减排的目标。在现代农业轻简化生产趋势下,冬小麦控释氮肥一次性施用技术有望以节本稳产增效的优势进行推广应用。     

生物有机肥对小麦根腐病的防效及其机理初探

为研究生物有机肥对小麦根腐病的防效并初步分析其影响机理,采用盆栽试验法,分析微生物菌有机肥、复合生物有机肥、商品有机肥和发酵干鸡粪对小麦根腐病的防治效果以及对土壤酶活性、土壤养分和作物产量等的影响。结果表明,复合生物有机肥和微生物菌有机肥对小麦根腐病的防效分别为29.38%和27.91%,明显优于其他肥料;施用有机肥均能明显提高小麦根部土壤中脲酶、中性磷酸酶和蔗糖酶的活性,显著增加土壤速效养分含量,且以复合生物有机肥和微生物菌有机肥处理土壤的磷酸酶活性和有效磷含量增幅最大;复合生物有机肥能显著促进小麦生长,其株高、地上干重、根干重、穗粒数、千粒重、产量分别较对照增加8.08%、37.32%、37.50%、14.27%、17.16%和40.77%,差异均达到显著水平,微生物菌有机肥处理的地上干重也显著高于对照。总之,复合生物有机肥和微生物菌有机肥能有效提高土壤中性磷酸酶活性,促进磷素循环,增强拮抗和有益微生物对禾谷镰孢菌的抗性并促进小麦生长。     

有机肥替代部分无机肥对菜园土理化特性及果实养分的影响

以海南菜园土为试验对象,设计5个不同比例有机肥替代无机肥处理,于2016年11月下旬至2017年5月下旬在海南文昌进行大田试验,探讨有机无机肥不同配比对土壤理化性质和辣椒果实养分的影响。结果表明:土壤中碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量大小依次为0.7M>0.5M>0.3M,这说明在一定范围内,有机肥替代比例越高,土壤养分(碱解氮、有效磷、速效钾、有机质)含量就越高;5个处理试验饱和含水量大小依次为0.7M>0.5M>0.3M,土壤容重大小依次为0.7M<0.5M<0.3M,土壤总孔隙度大小依次为0.7M>0.5M>0.3M,说明在一定范围内,随着有机肥占比的增加,土壤的物理性质依次得到相应改善;土壤中过氧化氢酶、脲酶活性大小顺序皆为0.3M>0.5M>0.7M,说明0.3M处理为土壤酶活性最高且有机肥配比最适处理;0.7M处理中果实氮、磷、钾养分最高,钙、镁中量元素养分差异不显著,说明与有机肥配比关系较小。此结果说明有机肥替代30%无机肥能保持土壤酶活性,有机肥替代70%无机肥不仅能保证果实养分含量,而且能提高土壤肥力。      

氮肥用量对土壤养分含量、春玉米产量及农学效率的影响

采用田间试验,设置5种施氮水平,研究不同氮肥用量对土壤养分含量、春玉米产量和氮肥利用的影响。结果表明,优化施氮(N150)、优化施氮配施有机肥(N150+M)处理可增加土壤速效养分含量;土壤水分和温度受不同氮肥用量影响较小。N150和N150+M处理玉米增产幅度较大,增产率分别为19.44%和16.67%;N150处理的氮肥农学利用率最高,高量施氮处理(N180)最低;减量施氮(N120)与N150处理的氮肥偏生产力较高。优化施用氮肥处理,不仅可以增加土壤速效养分含量,保障速效养分对春玉米的及时供给,同时还可以增加春玉米产量,提高氮肥利用效率。     

土壤有机碳组分和微生物群落对有机管理的响应

土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）和微生物是土壤质量和健康变化的重要评价指标。为了探究热区不同的管理方式对茶园土壤有机碳组分和微生物群落组成的影响,本研究选取海南省白沙县有机茶园（organic tea plantations, OTP）和常规茶园（conventional tea plantations, CTP）作为研究对象,利用¹³C-核磁共振（¹³C-NMR）生物标记技术和磷脂脂肪酸（PLFA）来研究不同管理模式下茶园土壤中有机碳化学组分和土壤微生物的群落组成的变化,明确有机管理和无机管理对土壤有机碳组分（烷基C、O-烷基C、芳香C和羧基C）和微生物群落组成的影响。结果显示：（1）与无机管理相比,有机管理显著改变了茶园土壤中养分含量。有机质（SOM）含量增加了47.86%,总氮（TN）和总磷（TP）含量分别增加了37.40%和100%（P<0.05）。硝态氮（NO₃^--N）含量显著增加了78.80%（P<0.05）,总钾（TK）和速效钾（AK）含量显著降低（P<0.05）。（2）有机管理增加了茶园土壤中烷基C和O-烷基C的相对含量。同时,脂肪族C/芳香C的比值也高于无机管理茶园。（3）有机管理茶园土壤中的总磷脂脂肪酸含量（PLFAs）增加了29.70%（P<0.05）,且细菌、G^-和放线菌的磷脂脂肪酸的含量显著高于无机茶园（P<0.05）。（4）RDA分析表明,茶园土壤中的微生物群落结构主要受到土壤总氮（TN）、总钾（TK）、烷基C、O-烷基C和羧基C含量的影响（P<0.05）。（5）相关性分析结果显示,有机碳组分中烷基C与总微生物量、真菌、放线菌和菌根真菌含量均呈显著正相关关系。O-烷基C与微生物中真菌、细菌和真菌/细菌的比值也呈显著正相关关系。以上结果表明,对茶园有机管理能调节微生物群落结构,提高土壤有机碳的脂肪化程度,进而影响土壤有机碳的积累和周转机制。     

Properties and Applications of an Organic Fertilizer Inoculated with Effective Microorganisms

Summary

Research studies were conducted to elucidate the chemical, physical and microbiological properties of an organic fertilizer that was inoculated and fermented with a microbial inoculant (Effective Microorganisms or EM). The quality estimation methods employed addressed the mechanistic basis for beneficial effects of soil improvement and crop yield. Effective Microorganisms or EM was utilized as the microbial inoculant that is a mixed culture of beneficial microorganisms. Tests showed that the fermented organic fertilizer contained large populations of propagated Lactobacillus spp. Actinomycetes, photo-synthetic bacteria and yeasts; high concentrations of intermediate compounds such as organic acids and amino acids; 0.1% of mineral nitrogen mainly in the ammonium (NH₄ ⁺) form, and 1.0% of available phosphorus; and a C:N ratio of 10. The quality of the fermented organic fertilizer depends on the initial water content; addition of molasses as a carbon and energy source; and the microbial inoculant. The medium pH appears to be reliable fermentation quality criterion for producing this organic fertilizer. Beneficial effects of the fermented organic fertilizer on soil fertility and crop growth will likely depend upon the organic fraction, direct effects of the introduced microorganisms, and indirect effects of microbially-synthesized metabolites (e.g., phytohormones and growth regulators).     

有机肥替代对京郊夏播青贮玉米土壤养分动态与平衡的影响

通过田间试验设置4个处理,100%化肥、70%化肥+30%有机肥、40%化肥+60%有机肥和100%有机肥,研究青贮玉米生产中施用有机肥替代化肥对土壤养分动态和平衡的影响。通过测定生育期内表层土壤速效N、P、K养分、土壤微生物量C与N、1 m土体NO_3-含量和青贮玉米N、P、K吸收量发现,在大喇叭口期,有机肥替代化肥处理降低表层土壤无机N的供应水平,提高有效P和速效K的供应水平;在收获期,有机肥替代显著提高土壤微生物量C、N,显著降低81～100 cm土层NO_3-含量和1 m土体NO_3-累积量。有机肥替代提高养分生产力和养分回收量,加剧土壤养分的亏缺。本研究条件下,30%有机肥替代化肥处理土壤N、P、K养分供应水平高,养分回收率高,加剧土壤养分的亏缺,需考虑长期的养分平衡问题。     

不同施肥配比对芒果园土壤养分、微生物数量和酶活性的影响

通过小区试验,探索化肥减施和有机肥替代部分化肥对芒果园土壤养分、微生物数量和酶活性的影响。结果显示,土壤pH值、有机质、碱解氮、速效钾、有速效磷含量顺序均为：常规施肥＞化肥减施20%＞有机肥替代20%,但化肥减施20%和常规施肥处理差异均不显著,有机肥替代20%处理的有机质、速效钾、速效磷均显著低于常规施肥;脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸单酯酶活性顺序为：常规施肥＞化肥减施20%＞有机肥替代20%,化肥减施20%处理土壤酶活性均与常规施肥处理无差异显著性,有机肥替代20%处理的土壤酶活性均显著低于常规施肥;真菌、放线菌数量顺序为：化肥减施20%＞常规施肥＞有机肥替代20%,差异不显著;细菌数量顺序为：有机肥替代20%＞常规施肥＞化肥减施20%,差异不显著;相关性分析结果表明,土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸单酯酶活性均与土壤有机质、碱解氮、速效钾、速效磷有显著或极显著相关性。     

甜菜氮肥的合理施用

综述文献关于氮肥对甜菜的生长、吸收分配规律、生理生化及产质量的影响可知,甜菜生长需要多种营养元素,其中氮素尤为重要,不合理施用氮肥对甜菜的产质量带来很多负面影响;造成资源浪费、环境污染,影响人类健康。提出合理施氮、用氮的途径与策略:第一,因地、因品种、因时制宜,根据测土资料及不同甜菜基因型差异确定施肥种类、配比;根据作物不同生长时期的需肥规律及不同生态条件需要,按需供肥。第二,肥要在水的作用下才能发挥作用、才能更好发挥作用,区域配肥技术与灌溉技术相结合的水肥一体化精准精细灌水施肥技术是甜菜生产高效用肥的必然发展趋势。第三,作物不同养分间具有协同和相互影响作用,因此根据同等重要原则应有机配比。第四,为了提高肥效及利用率,施用缓控释肥,有机无机肥配施,施用微生物肥、生态肥等发挥微生物的促进、协同作用。第五,常规育种与转基因技术结合培育氮素养分高效利用品种。第六,利用现代监测技术手段及应用甜菜生长模型尤其是CERES-Beet模型监测氮等养分的转化、吸收等动态。     

化肥减量对麦田土壤微生物量及微生物区系的影响

为了解化肥减量和有机培肥配施对冬小麦田土壤微生物的影响,以单施常量化肥(表示为NPK,分别施尿素、磷酸二铵和硫酸钾251.8、255.7和375.2kg.km-2)为对照,设置不同化肥(不减量、减量30%、减量50%和减量70%)和有机肥(18 000、25 500和34 500kg.km-2,分别用LM、MM和HM表示)配施处理,采用系列稀释平板法和氯仿熏蒸培养法分别测定了不同处理下土壤微生物量碳、氮以及微生物区系分布的差异。结果表明,有机无机肥配施显著增加了麦田土壤微生物量碳、氮以及细菌、固氮菌、放线菌等微生物数量,但不影响土壤真菌数量。施肥效果在化肥不减量时随有机肥施用量增加呈上升趋势,在化肥减量时以50%NPK+MM处理最佳。说明化肥适度减量和配施有机肥能够改善土壤微生物量,有利于提高土壤肥力。