水生植物堆肥替代部分氮肥提高水稻产量与稻田土壤肥力

为评价太湖流域水生植物堆肥对水稻产量及稻田土壤肥力效应,在太湖流域典型稻田连续进行4a的田间定位试验,比较在等氮条件下不同比例的水生植物有机堆肥替代处理(有机氮替代率分别为0、20％、40％、60％、80％和100％)引起的水稻籽粒产量、产量构成因子、氮磷钾吸收量以及土壤碳氮含量和pH值变化.结果表明:与单施尿素相比,水生植物有机堆肥与尿素配施利于水稻产量的提高,并随着有机肥替代率增加,水稻产量呈先增后降;当有机肥替代率达40％和60％时产量最高.单施有机肥和单施尿素处理水稻籽粒产量相当.单施有机肥显著降低了有效穗数,有机肥和尿素配合施用则可减轻甚至消除这一效应;有机肥替代率在40％和60％时,有效穗数、穗粒数和结实率均较高.随着有机肥施用量增加,水稻秸秆氮浓度降低,籽粒氮浓度无影响;水稻磷浓度和吸收量均无显著差异;有机肥与尿素配施均显著提高了秸秆钾吸收量,有机肥替代率在80％时可显著提高籽粒钾吸收量.表层土壤全氮和有机碳含量及土壤pH值均与有机肥替代率呈显著正相关关系.有机肥-尿素配施处理下土壤全氮和有机碳均较4a前显著提高.有机肥替代率为80％和100％,土壤pH值较试验前土壤分别显著升高.由此可见,水生植物有机肥与尿素配施可以提高太湖稻作区水稻产量,增加土壤有机质含量和减缓土壤酸化程度,可作为太湖稻作区一项环保型施肥技术.     

长期施肥对棕壤氨氧化细菌和古菌丰度的影响

【目的】氨氧化是氮转化过程的限速步骤,其由氨氧化微生物所驱动。本研究旨在探明 37 年玉米–大豆轮作施肥条件下影响棕壤氨氧化微生物丰度的主要影响因子及变化规律。【方法】以沈阳农业大学棕壤肥料长期定位试验耕层土壤 (0—20 cm) 为材料,选取其中 9 个施肥处理进行取样分析:不施肥 (CK)、低量氮肥 (N₁)、高量氮肥 (N₂)、氮磷肥 (N₁P)、氮磷钾肥 (N₁PK)、高量有机肥 (M₂)、高量有机肥 + 低量氮肥 (M₂N₁)、高量有机肥 + 氮磷肥 (M₂N₁P)、高量有机肥 + 氮磷钾肥 (M₂N₁PK)。采用实时荧光定量 PCR 技术测定其氨氧化微生物丰度,通过对土壤基本化学性质和氨氧化微生物丰度的冗余分析找出影响氨氧化微生物丰度的主要因素。【结果】施用有机肥处理的土壤 pH、有机质、全氮、碱解氮、速效钾、速效磷、铵态氮、硝态氮含量明显高于不施肥和单施化肥处理。各施肥处理土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾、速效磷的含量总体呈现有机肥处理 > 化肥处理 > CK;与不施肥处理 (CK) 相比,单施化肥处理显著降低了土壤 pH 值,施用有机肥处理显著提高了土壤 pH 值,其中 N₂ 处理的土壤 pH 最低,M₂ 处理的土壤 pH 最高。不同施肥处理氨氧化细菌 (AOB) 的丰度为 0.94 × 106～5.77 × 106 copies/g 干土,氨氧化古菌 (AOA) 的丰度为 3.56 × 106～1.22 × 107 copies/g 干土;施用有机肥处理 AOB 和 AOA 丰度显著高于不施肥和单施化肥处理,其中 M₂ 处理的 AOB 和 AOA 丰度最高,单施氮肥处理的 AOB 和 AOA 丰度最低。冗余分析 (RDA) 表明,影响棕壤 AOB 和 AOA 丰度的主要环境因子有土壤 pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾,且与 AOB 和 AOA 丰度呈正相关关系。【结论】长期轮作施肥显著改变了棕壤的化学性质,从而对氨氧化微生物的丰度产生了显著影响。长期施用有机肥显著提高了土壤养分含量及 AOB 和 AOA 的丰度,对维持土壤氨氧化微生物的数量起到十分重要的作用;同时试验结果也为今后通过改变土壤 pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾等性质对 AOB 和 AOA 进行调节提供了依据。     

长期有机培肥黑土有机碳、全氮及玉米产量稳定性的变化特征

【目的】探讨东北黑土区长期有机培肥对土壤有机碳、全氮含量及产量稳定性的影响,为优化黑土培肥技术及玉米稳产高效提供指导。【方法】以38年长期定位试验为研究平台,选择6个施肥处理:不施肥 (CK),氮磷钾配施 (N 150 kg/hm2、P₂O₅ 75 kg/hm2、K₂O 75 kg/hm2,NPK),常量有机肥 (有机肥30 t/hm2,折纯N 150 kg/hm2、P₂O₅ 135 kg/hm2、K₂O 45 kg/hm2,M₂),常量有机肥配施氮磷钾肥 (M₂NPK),高量有机肥 (有机肥60 t/hm2,M₄),高量有机肥配施氮磷钾肥 (M₄NPK)。测定耕层土壤有机碳、全氮含量及玉米籽粒产量。【结果】玉米籽粒产量以M₄NPK处理最高,平均产量为9637 kg/hm2,其次是M₂NPK处理,平均产量为9422 kg/hm2,CK处理产量最低,平均产量为3551 kg/hm2,且显著低于其他各处理。前10年试验施用有机肥可显著提升土壤基础地力,降低玉米籽粒产量对化肥的依赖,M₂与M₄处理的籽粒产量与NPK处理均无显著差异。之后至2017年,单施有机肥处理玉米产量较NPK处理平均提高3.8%。拟合方程表明,地力产量每增加1000 kg/hm2,肥料贡献率降低9.2%～12.2%。在培肥30年后,肥料对籽粒产量贡献率开始下降。有机无机配施处理下,玉米产量变异系数较低,平均为19.3%,产量可持续性指数SYI为0.58,达到稳定水平。土壤有机碳含量随施肥年限在不同施肥处理间差异逐步变大,且在10年后出现显著差异,增施有机肥后,土壤有机碳显著增加,以M₄NPK和M₄处理最高;土壤全氮与土壤有机碳呈显著正相关 (r = 0.826**),土壤有机碳每升高1 g/kg,土壤全氮含量增加0.086 g/kg。施用有机肥,玉米籽粒产量与土壤有机碳、土壤全氮含量显著正相关,表明长期有机培肥对实现玉米高产稳产具有重要贡献。【结论】在供试黑土条件下,单施有机肥在一段时间内主要提高土壤有机碳含量,有机碳达到一定水平后才可以提高产量。有机肥配合氮磷钾化肥可以快速有效提高土壤有机碳和全氮含量,提高玉米产量。本试验条件下,有机无机配合施用的土壤有机碳年增加量为0.35～0.47 g/kg,全氮含量增加46.3%～84.2%,玉米产量稳定系数 (SYI = 0.58) 达到较高水平。土壤基础地力的提高可减少玉米产量对外源肥料的依赖,地力产量每增加1000 kg/hm2,肥料贡献率降低9.2%～12.2%。因此,有机肥配施化肥是黑土区保证玉米稳产高产、不断提升土壤肥力、保障黑土资源可持续利用的重要措施。     

2050年农田土壤温室气体排放及碳氮储量变化SPACSYS模型预测

【目的】 优化华北平原农田土壤的施肥措施,实现维持农田作物产量、提升土壤肥力的同时减少温室气体排放。 【方法】 基于长期定位试验观测数据,选取氮磷钾化肥 (NPK)、有机肥配施化肥 (NPKM) 和单施有机肥 (OM) 三个试验处理来评价和验证过程模型 (SPACSYS) 对不同施肥措施下的作物产量、土壤有机碳 (SOC) 和土壤全氮 (TN) 储量及土壤CO₂和N₂O排放动态变化的模拟效果,并预测至2050年不同施肥情景和肥料配施情景下作物产量、SOC、TN储量及土壤CO₂和N₂O排放量。 【结果】 统计分析结果表明,SPACSYS模型的小麦和玉米产量模拟值与实测值的相关系数R2为0.63～0.78,RMSE为3.78%～4.86%,EF为0.59～0.73;土壤有机碳和全氮储量模拟值与实测值的R2为0.73～0.89,RMSE为2.69%～3.79%,EF为0.67～0.82;土壤CO₂和N₂O排放量模拟值与实测值的R2为0.16～0.80,RMSE为4.03%～9.99%,EF为0.24～0.78,相关性均达到显著水平,表明SPACSYS模型模拟值的可靠性和准确性较高。利用该模型进行预测,结果显示到2050年,在当前施氮水平下,减氮50%会显著降低玉米产量约9%;减氮25%,与单施化肥处理相比,有机肥配施化肥处理和单施有机肥处理分别显著提高SOC年均储量约31%和62%,提高TN年均储量约18%和6%,而CO₂和N₂O年均排放量均没有显著增加。 【结论】 SPACSYS模型可以模拟中国华北平原典型农田冬小麦?夏玉米轮作体系的农作物产量、SOC和TN储量以及土壤CO₂和N₂O的排放情况。但是模型低估了OM处理的全氮储量,下一步研究需对模型做相应改进。至2050年,施用化肥和有机肥均可不同程度地提高有机碳和全氮储量,且该地区可适当降低氮肥施用量 (减氮25%),并采用有机肥配施化肥或单施有机肥的方式来维持作物产量、提升土壤肥力,同时降低温室气体排放。      

紫云英与尿素或控释尿素配施对双季稻产量及氮钾利用率的影响

【目的】 了解化肥氮钾用量减少条件下不同比例紫云英与普通化肥尿素或控释尿素配施对双季稻产量及氮钾利用效率的影响,旨在为南方双季稻种植区制定科学减肥增效策略提供依据。 【方法】 通过连续 6 年定位田间小区试验,除对照不施肥外,试验的其他 5 个处理早稻施肥量均为 N 150 kg/hm2、P₂O₅ 75 kg/hm2、K₂O 120 kg/hm2,氮素以尿素、控释尿素、紫云英按处理比例配合和施用。分析了双季稻产量,植株氮、钾养分吸收积累、利用效率及土壤氮、钾养分含量。 【结果】 与 (CF100) 处理相比,早稻翻压紫云英鲜草 17145 kg/hm2 时,早、晚稻均减施氮 40%、减施钾 21% 条件下,氮肥采用尿素处理 (CF60 + A40) 或控释尿素处理 (CRU60 + A40) 以及早稻翻压紫云英鲜草 25715 kg/hm2,早、晚稻均减施 60% 氮、32% 钾条件下,氮肥采用控释尿素处理 (CRU40 + A60) 有利于早晚稻及全年产量的提高,其中以 CRU60 + A40 处理增产效果最佳。CF60 + A40 和 CRU60 + A40 处理早晚稻的稻谷、稻草和植株氮素及钾素积累量均较 CF100 提高,其中 CRU60 + A40 处理提高效果最明显。紫云英与尿素或控释尿素配施提高了早晚稻氮、钾养分利用效率,CF60 + A40、CF40 + A60、CRU60 + A40 和 CRU40 + A60 处理的氮肥和钾肥回收利用率、氮肥和钾肥农学效率以及氮肥和钾肥偏生产力均高于 CF100 处理。在紫云英替代和肥料等量施用条件下,施用控释尿素处理比施用尿素处理有利于提高养分利用效率。6 年 12 季水稻种植后,紫云英与尿素或控释尿素配施处理的土壤全氮、碱解氮和速效钾含量均较 CF100 处理有所提高。 【结论】 综合考虑作物产量效应、养分高效利用及土壤肥力维持,在该区域双季稻种植体系中早稻可用紫云英替代 40% 氮肥、20% 钾肥,晚稻减施 40% 氮肥、20% 钾肥,氮肥品种采用控释尿素或尿素均可,采用控释尿素有进一步提高早稻紫云英的替代比例和晚稻氮钾肥减施比例潜力。      

有机无机肥配施提升冷浸田土壤氮转化相关微生物丰度和水稻产量

【目的】 以南方典型冷浸田为对象,研究化肥配施不同有机肥对冷浸田水稻产量以及土壤氮相关功能微生物群落丰度的影响,旨在为冷浸田土壤氮素活化和转化过程的定向调控,氮素利用效率提高及水稻高产施肥提供科学依据。 【方法】 通过连续 3 年 6 季的定位试验,采用土壤理化分析、酶学分析和荧光实时定量 PCR 技术深入探讨化肥配施不同堆肥原料有机肥对冷浸田养分活化、水稻产量提升及土壤氮相关功能微生物群落丰度的效应。本试验设 4 个处理,分别为单施化肥 (CK)、化肥配施猪粪 (PIM)、化肥配施牛粪 (CAM)、化肥配施鸡粪 (CHM)。 【结果】 CHM、CAM 处理水稻产量显著高于化肥处理( P < 0.05),较 CK 平均增产 10.23%、7.62%。连续施用 CHM、CAM 显著提高了土壤 pH,增加了土壤有机碳、全氮和铵态氮含量。三种堆肥原料的有机无机配施均能够提高土壤氮素循环相关功能微生物基因丰度,其中细菌、古细菌总群落 16s rDNA 丰度和氨氧化古菌 (AOA) 和氨氧化细菌 (AOB) 的氨单加氧酶 ( amoA) 基因丰度提高趋势一致,以 CHM 处理最高,但细菌总群落 16s rDNA 丰度增幅较小。亚硝酸盐还原酶 ( nirK、 nirS) 基因和一氧化二氮还原酶 ( nosZ) 基因丰度对不同处理的响应并不一致。相关性分析表明,土壤有机碳和全氮含量是影响 AOA、AOB、 nirK、 nirS 型反硝化细菌的重要因子。 【结论】 化肥配施鸡粪有机肥能显著提高冷浸田土壤铵态氮、速效磷含量,增加细菌、古菌、AOA 和 AOB 氨单加氧酶 ( amoA) 的基因丰度,增强土壤脲酶、蛋白酶和磷酸酶的活性,提升冷浸田土壤生产力。      

黑土有机氮肥替代率演变及其对土壤有机碳的响应

【目的】 探索长期有机培肥下黑土有机肥替代率与土壤肥力的量化关系,为农田土壤培肥和有机替代提供理论依据。 【方法】 本研究依托公主岭黑土肥力长期试验的32年定位观测数据,选取其中的4个处理即不施肥 (CK)、单施化学氮磷钾肥 (NPK)、单施常量有机肥[30 t/(hm2·a),M1]和单施高量有机肥[60 t/(hm2·a),M2],试验用化肥为尿素、过磷酸钙和硫酸钾,年施用N 150 kg/hm2、P₂O₅ 75 kg/hm2、K₂O 75 kg/hm2。分别测定作物产量、植株含氮量以及土壤全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、有机碳含量。基于作物氮素养分吸收量,探讨长期高产条件下施用不同量有机肥其替代率的变化特征,在分析高产条件下有机肥替代率与土壤肥力的基础上,进一步探讨两者之间的数量化关系。 【结果】 基于作物氮素养分吸收量,长期高产条件下高量有机肥处理 (M2) 的有机肥替代率高于常量有机肥处理 (M1),且高产条件下有机肥替代率与施肥年限呈极显著线性正相关 (P < 0.01);通径分析和多元逐步回归分析结果表明,土壤有机碳含量对高产条件下有机肥替代率有显著正效应,是决定高产条件下有机肥替代率差异的主要土壤肥力要素,决定了高产条件下有机肥替代率70%的变异。长期施用常量和高量有机肥处理 (M1和M2),黑土土壤有机碳含量显著增加 ( P < 0.01);土壤有机碳含量与高产条件下有机肥替代率非线性相关,并达到了极显著水平 ( P < 0.01)。 【结论】 化肥氮的有机氮替代率70%取决于土壤有机碳含量的高低。长期施用有机肥能显著提高土壤有机碳含量,在提升土壤肥力的同时,提升了有机氮对玉米吸收的贡献,减少了对化肥氮的依赖。黑土土壤有机碳含量达到24.89 g/kg时,有机肥对化肥的替代率趋近95%,达到最大值。      

利于水稻氮素吸收的绿肥翻压量和施氮水平研究

【目的】 紫云英是我国南方稻区重要的冬季绿肥,具有固定碳素、改善土壤物理性状、提高土壤养分含量等效果,能为后茬水稻提供良好的生长环境。本研究为探明水稻对氮素的吸收利用特性,为水稻高产栽培中氮肥的合理运筹和水稻氮素营养性状改良提供依据。 【方法】 在“紫云英–双季稻”耕作制度轮作土壤上,进行田间 4 × 4 双因素裂区试验。每小区收获的紫云英全部翻压为 100% 翻压,设不翻压、翻压 30%、60%、100% 4 个水平;每个翻压水平处理下,设置不施氮肥、施常规氮量 (N 150 kg/hm2) 的 30%、60% 和 100%,共 16 个处理。分别在分蘖期、孕穗期、抽穗期、灌浆期、成熟期取水稻植株样品,调查水稻氮素吸收利用特性。 【结果】 水稻群体干物积累量随生育进程处理间差异逐渐增大。抽穗期以 M_30% + N₀ 处理最高,M_60% + N_60% 处理次之,对照 (M₀ + N₀) 最低,此阶段是水稻群体物质积累量全生育期中差异最大的时期,最高的 M_30% + N₀ 处理较对照和其他处理平均高 79.02% 和 45.04%,此阶段的干物质积累量占总干物质积累量的比例为 23.19%～44.23%。分蘖期、灌浆期和成熟期干物积累量均以 M_60% + N_60% 处理最高,对照最低,在成熟期 M_60% + N_60% 处理群体总干物质重为 13.14 t/hm2,较对照高 53.15%。不同生育期水稻植株含氮量和吸氮量处理间不同。孕穗期、抽穗期和成熟期植株含氮量均以 M_60% + N_60% 处理最高,较其他处理平均分别高 20.71%、14.84% 和 15.44%;分蘖期、孕穗期、抽穗期和成熟期植株吸氮量也以 M_60% + N_60% 处理最高,对照最低,氮肥与冬种绿肥有显著协同效应。水稻氮素阶段吸收量及其占总吸收量的比例存在明显差异。分蘖期前、孕穗至抽穗期和抽穗至成熟期均是紫云英翻压 60% + 施氮 60% 处理的吸收量高于其他处理,平均分别高 29.89%、79.46% 和 121.1%;而分蘖至孕穗期是 M_100% + N_100% 处理达到最大,较其他处理平均高 51.87%。 【结论】 综合来看,供试条件下,在 “紫云英–双季稻” 种植体系中,M_60% + N_60% 处理能够提高氮肥利用效率,改善稻田氮素循环,对于实现水稻氮素高效吸收和利用具有重要意义。      

长期施肥对栗褐土有机碳矿化的影响

【目的】 土壤有机碳矿化是土壤中重要的生物化学过程,与土壤养分的释放、土壤质量的保持以及温室气体的形成密切相关。本文以 25 年长期定位施肥试验为依托,对栗褐土土壤有机碳矿化速率、有机碳累积矿化量的动态变化进行研究,为科学管理土壤肥力、增加栗褐土碳汇、减少温室气体排放提供依据。 【方法】 田间试验开始于 1988,共设置 8 个施肥处理:不施肥 (CK);单施氮肥 (N);氮磷肥合施 (NP);单施低量有机肥(M₁);低量有机肥与氮肥合施 (M₁N);低量有机肥与氮磷肥合施(M₁NP);高量有机肥与氮肥合施 (M₂N);高量有机肥与氮磷肥合施 (M₂NP)。于 2013 年玉米播种前,采集耕层 (0—20 cm) 土壤样品,采用室内培养方法,对土壤碳矿化释放 CO₂ 的数量和速率进行测定,并利用一级动力学方程计算出土壤有机碳库潜在矿化势和周转速率。 【结果】 各肥料处理不同程度地提高了栗褐土总有机碳含量,以高量有机肥与化肥配施作用最为显著。与 CK 相比,M₂N、M₂NP 处理土壤总有机碳含量增加了 121.1%、166.8%。不同处理土壤样品培养有机碳矿化速率均在第一天达到峰值,随后急剧下降。5 d 后,下降趋缓,不同处理 CO₂ 产生速率趋于一致。培养期间,各处理矿化速率变化符合对数函数关系。长期施用不同肥料均可以提高栗褐土有机碳的矿化速率,其大小顺序为:有机肥与化肥配施 > 单施有机肥 > 单施化肥 > 对照。培养 57 d 后,各处理土壤有机碳累积矿化量为 555.0～980.3 mg/kg,以 M₂NP、M₁N 的累积量较高,为对照的 1.77 倍、1.73 倍。长期施肥栗褐土有机碳矿化率呈下降趋势,以处理 M₂NP 下降最明显,与对照相比,降低了 6.3 个百分点。施肥处理土壤的潜在矿化势均高于对照,M₁N、M₂NP 最高,为 923.7 mg/kg 和 926.4 mg/kg,较对照增加了 74.0% 和 74.5%。不同施肥处理均可明显提升土壤有机碳的周转速率,减少周转时间,其中处理 M₁NP、M₂NP 效果最为明显。 【结论】 长期施用化肥、有机肥及有机无机肥配施可有效促进栗褐土有机碳的积累,提高有机碳的矿化速率和周转速率,降低有机碳的矿化率 (累积矿化量占有机碳总量的比率),加强了土壤的固碳能力,以 M₂NP 处理的效果更佳。      

连续施用无害化污泥堆肥对沙质潮土肥力的影响

【目的】 研究连续施用无害化污泥堆肥对土壤肥力和环境质量的影响,为无害化污泥资源化利用提供理论依据和技术支撑。 【方法】 通过2013—2015年田间定位试验,每年按照当地农民施肥量在小麦和玉米季分别施用N 225 kg/hm2、P₂O₅ 86 kg/hm2和K₂O 113 kg/hm2 (CK) 基础上,施用无害化污泥堆肥15 t/hm2 (W1)、30 t/hm2 (W2) 和45 t/hm2 (W3),共四个处理,每个处理3次重复。小麦、玉米收获后,采集0—20 cm土层样品,测定常规土壤理化性质、重金属含量以及微生物量碳氮 (SMBC、SMBN)。采用内梅罗指数法计算土壤pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾分肥力系数IFI_i,以及土壤综合肥力指数 (integrated fertility index,IFI)。 【结果】 1)施用污泥堆肥处理IFI在试验的第三年 (2015年) 玉米季达到最大值,与CK相比,W1、W2和W3处理IFI分别显著提升了57.3%、95.2%和127.5% (P < 0.05),说明连续施用污泥堆肥可以有效提高土壤肥力水平,其中W3处理效果最明显。2) SMBC和SMBN含量随污泥堆肥施用时间增加而增加。相同作物同一污泥堆肥施用量处理,第三年 (2015年) 的SMBC和SMBN含量均显著高于第一年 (2013年)。W1、W2和W3处理SMBC含量在2015年小麦季达到最大值,较CK分别显著提高了109.9%、176.2%和216.8% ( P < 0.05);W1、W2和W3处理SMBN含量在2015年玉米季达到最大值,较CK分别显著提高了55.6%、100.5%和162.3% ( P < 0.05)。3)施污泥堆肥处理的土壤和植物籽粒中重金属含量分别低于国家环境质量二级标准 (GB15618—1995) 和国家农产品质量安全规定的限量值。根据土壤肥力分级参考标准 (NY/T 391—2000),2015年玉米季W2和W3处理的土壤肥力已经达到I级,培肥作用显著,但长期大量施用导致的土壤重金属累积风险还需长期监测。 【结论】 施用重金属含量达到国家标准的无害化污泥堆肥,可以在短期内有效提升沙质潮土的土壤肥力质量,改善土壤微生物学特性。本试验条件下,连续施用45 t/hm2污泥堆肥效果最显著,沙质潮土的土壤肥力质量在第三年就达到I级,此时土壤和作物籽粒中重金属含量均低于国家相关标准限值。长期大量施用是否会带来重金属累积还需继续监测。