优化施肥下华北冬小麦/夏玉米轮作体系农田反硝化损失与N2O排放特征

在田间条件下,应用乙炔抑制-原状土柱培养法测定优化施肥下华北冬小麦/夏玉米轮作体系土壤反硝化和N2O的排放特征。研究表明:冬小麦和夏玉米整个生育期反硝化速率和N2O排放通量均表现出明显的季节性变化,且均与土壤水分和无机氮浓度呈显著正相关。小麦季和玉米季的反硝化损失量及N2O排放量均表现出随施肥量的降低而降低,夏玉米季的反硝化损失量和N2O排放量均高于小麦季。小麦季的反硝化损失量和N2O排放量习惯施肥处理是氮肥减量后移处理的1.62和1.67倍,玉米季分别为2.01和2.00倍。氮肥减量后移可能是通过改变土壤无机氮浓度而降低反硝化损失量和N2O排放量。     

川中丘陵区紫色土冬小麦/夏玉米轮作氨挥发研究

大气中过量的氨会造成诸多环境问题并危害人类健康。我国农田氮肥施用后的氨挥发是一个重要的氨排放源。紫色土的土壤性质以及该区的气候条件导致其氨挥发潜力较大。与其他集约化农作区相比,该区农田氨挥发研究相对较少。本文探讨了川中丘陵区紫色土冬小麦/夏玉米轮作体系氨挥发情况,为开展陆地生态系统大气碳氮气体交换研究提供基础数据,同时也为氨排放清单的编制及农田氨减排措施研究提供依据。选取川中紫色土丘陵区典型的坡耕地作为研究对象,采用风洞法研究了紫色土冬小麦/夏玉米轮作体系的氨挥发动态过程。每次试验设置1个施肥处理,3次重复。风速、风向、大气温湿度、土壤温湿度等气象数据由试验田微型气象站获取。每隔2~3 d采集土壤样品用以测定土壤NH4+-N含量。两年的田间试验结果表明,受氮肥深施及低温的影响,冬小麦季氨挥发损失率明显低于夏玉米季;2013年和2014年冬小麦季氨挥发损失率分别为7.4%和8.8%;2013年夏玉米季三叶期氮肥撒施的氨挥发速率为34.1%;2014年夏玉米季三叶期氮肥条施覆土降低了氨挥发损失,损失率为21.4%;2014年夏玉米季十叶期出现极端干旱的气候条件,撒施氮肥后立即灌水使氨挥发损失率高达46.6%,这是由于干旱条件下施肥灌水提供了利于氨挥发的土壤水分条件。因此在极端干旱的气候条件下,应避免采用此施肥方式。综合分析两年的数据可得:紫色土冬小麦季氨挥发损失占施氮量的(8.1±1.0)%,夏玉米氨挥发损失占施氮量的(32.8±1.8)%。     

减氮条件下砂壤质潮土区小麦–玉米轮作体系氨挥发特征及排放系数

  【目的】  氮肥施用量影响农田氨挥发量和氮肥利用效率。研究减量施氮后土壤的氨挥发特征及排放系数,为科学评估化肥减施对环境的影响提供依据。  【方法】  选取华北砂壤质潮土农田,进行小麦–玉米轮作周年土壤氨挥发监测研究。试验包括不施氮磷钾化肥 (CK)、常规施氮肥 (N)、优化施肥 (OPT)、减量优化 (LOPT) 和优化加有机肥 (mOPT) 5个施肥处理。小麦季常规、优化和减量优化处理施氮量分别为315、225和135 kg/hm2,玉米季分别为330、240和150 kg/hm2。试验采用密闭海绵法,在小麦、玉米基肥和追肥后,定期取样测定不同处理的氨挥发量,并计算氨排放系数。  【结果】  不同施氮量下,供试农田玉米季土壤氨挥发总量在12.8～20.4 kg/hm2,占总施氮量的5.9%～8.5%;小麦季氨挥发总量在6.8～12.0 kg/hm2,占总施氮量的3.3%～5.0%,玉米季氨总挥发量明显高于小麦季。4个施氮处理相比,N和LOPT处理的氨排放系数较高,小麦季分别为3.8%和5.0%,玉米季分别为6.2%和8.5%,而OPT和mOPT处理的氨排放系数相对较低,小麦季分别为3.6%和3.3%,玉米季均为5.9%。除此之外,OPT和mOPT处理小麦和玉米产量显著高于N和LOPT处理(P<0.05),说明过量或过少施氮不利于砂壤质潮土作物产量的提高,适当添加有机肥不仅增产还可以降低氨挥发量。对不同施氮量进行拟合,发现潮土小麦和玉米季常规施氮量处理的氨挥发量在施肥后均呈极显著指数增加趋势 (P<0.01)。  【结论】  华北砂壤质潮土区小麦–玉米轮作体系中,玉米追肥期的氨挥发量高于基肥期,小麦基肥期的氨挥发量高于追肥期,玉米季的总氨挥发量高于小麦季。优化氮肥施用不论是否配合有机肥,均可显著降低小麦季和玉米季的氨挥发量和氨排放系数,提高两季作物的产量,而过量减施氮肥虽然减少了氨挥发量,但大大增加了氨排放系数。     

不同施肥方式下砂姜黑土冬小麦-夏玉米轮作农田氨挥发特征及排放系数

土壤类型对于农田氨挥发影响较大，而关于砂姜黑土农田氨挥发特征及排放系数研究相对较少，不利于区域性农田土壤氨排放清单的准确评估。基于此，选取豫南典型砂姜黑土为研究对象，设置不施肥（CK）、传统施肥（TR）、优化施肥（OPT）、再优化施肥（ZOPT）和缓控肥（HK）5种施肥处理，利用密闭海绵法，探究砂姜黑土农田不同施肥方式下冬小麦-夏玉米轮作土壤氨挥发特征，并尝试确定氨排放系数。结果表明：砂姜黑土传统施肥条件下冬小麦季土壤氨挥发量为11.1 kg·hm^-2，夏玉米季氨挥发量为13.4 kg·hm^-2，说明夏玉米季是砂姜黑土冬小麦-夏玉米轮作农田氨的高排放时期。对比不同处理的氨挥发量，发现ZOPT和HK处理冬小麦季和夏玉米季的氨挥发量显著低于其他处理（P<0.05），其次为OPT处理，TR处理的氨挥发量最高。HK处理的氨排放系数最低，其中冬小麦季和夏玉米季分别为1.7%和1.5%，显著低于其他处理（P<0.05）；其次为ZOPT和OPT处理，其氨排放系数冬小麦季分别为2.1%和2.6%，夏玉米季分别为2.6%和3.6%；TR处理的氨排放系数最高，冬小麦季和夏玉米季分别为3.6%和4.7%。不同施肥处理氨挥发量与施肥量的拟合结果表明，随施肥量增加，冬小麦-夏玉米轮作农田氨挥发显示出较强的线性增长趋势，其中夏玉米季和冬小麦季的R²分别为0.934和0.931，说明该区域砂姜黑土传统施肥量的氨挥发未出现明显的激发性增长现象。本研究结果可为砂姜黑土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮肥利用率的提高和氮排放清单的估算提供依据。     

氮肥减量后移对土壤氮素供应和夏玉米氮素吸收利用的影响

采用田间试验研究了氮肥减量后移对土壤氮素供应和夏玉米氮素吸收利用的影响。结果表明,与农民习惯施肥（N 240 kg/hm2,基肥和大喇叭口追肥为1∶2）相比,氮肥减量后移（N 168 kg/hm2,基肥、大喇叭口肥和吐丝肥为1∶3∶1）处理的产量、植株干物质积累量、植株氮积累量和积累速率均没有降低,而氮肥利用率显著增加。氮肥减量后移可使耕层无机氮供应较好地与作物吸收同步,降低收获期0—100 cm土层硝态氮积累,减少氮素的田间表观损失。基于夏玉米不同生育阶段的氮素吸收特征进行氮肥减量后移可节省氮肥30%,是较为理想的氮素施用方式。     

华北平原中部夏玉米农田不同施氮水平氨挥发规律

以华北平原中部地区潮土为对象,研究了撒施不同水平尿素对夏玉米季氨挥发的影响,为合理施用氮肥和减少农田氨挥发损失提供依据。结合当地农民种植与施氮习惯,试验设置8个施氮水平,分别为0(N0)、50(N1)、100(N2)、150(N3)、200(N4)、250(N5)、300(N6)、400(N7)kg·hm~(-2),利用田间试验原位测定-密闭室连续抽气法测定氨挥发。结果表明,夏玉米种植体系在施入氮肥后发生了明显的氨挥发,且氨挥发主要发生在施肥后5 d内,在施肥后1～3 d出现氨挥发速率峰值,基肥与追肥后氨挥发通量最大分别达到N 2.35、5.30 kg·hm~(-2)·d~(-1),基肥期氨挥发量在N 3.76～9.82 kg·hm~(-2),追肥期氨挥发量在N 5.79～27.29 kg·hm~(-2)。在整个夏玉米生长期间,氨挥发量随着氮肥施用量的增加而增加。施氮量为200 kg·hm~(-2)条件下,氨挥发量相对较低,夏玉米产量为10 721.87 kg·hm~(-2),高于其他施氮水平处理的玉米产量。可见,合理的氮肥用量能够兼顾产量和生态环境,京郊夏玉米田间土壤在200 kg·hm~(-2)的氮肥水平下,玉米产量最高且氨挥发损失较低。     

施氮模式对冬小麦/夏玉米产量及氮素利用的影响

采用大田试验,在小麦季N 250kg /hm2和玉米季N 200kg /hm2氮肥供应条件下,连续2年度（2007～2009）观测了不同施氮模式对冬小麦/夏玉米产量及氮素利用的影响。结果表明,与对照相比,常规施肥、有机无机复合肥、控释复合肥、控失复合肥以及改变氮肥基追配比处理均显著提高冬小麦/夏玉米子粒产量和干物质积累量,小麦季各处理产量大小依次为:控释复合肥控失复合肥有机无机复合肥改变氮肥基追配比常规施肥,提高幅度在107.5%～147.4%;玉米季各处理产量大小依次为:控释复合肥控失复合肥有机无机复合肥常规施肥改变氮肥基追配比,提高幅度在28.5%～56.1%。与常规施肥处理比较,控释复合肥、控失复合肥和有机无机复合肥处理冬小麦氮肥偏生产力和氮肥农学效率提高2.2～5.1 kg/kg,夏玉米提高3.6～7.6 kg/kg;但改变基追配比处理在小麦季高于常规处理,在玉米季则低于当地常规施肥处理。从产量和氮肥利用率方面综合分析,有机无机复合肥、控释复合肥、控失复合肥均可作为适宜研究区域推广的肥料品种,而改变基追配比处理相对较适宜冬小麦季。     

江淮丘陵区不同氮肥管理模式下稻田氨挥发损失特征研究

为了探索减少江淮丘陵区稻田氨挥发损失和提高其氮肥利用率的途径,采用密闭室连续抽取法,研究了不同氮肥管理模式对稻田氨挥发损失特征和氮肥利用率的影响。结果表明,整个稻季,氨挥发损失率以分蘖肥期最高,基肥期次之,穗肥期最低。较常规施肥(CN),缓释尿素与普通尿素配施(CRU)处理稻季氨挥发损失总量和损失率分别降低了26.23%和4.52%,氮肥利用率提高了6.07%;各施肥处理的氨挥发量与同期田面水中的铵态氮浓度呈线性正相关。综合分析,缓释尿素与普通尿素配施既能减少氨挥发损失,又能获得较高的经济效益,在江淮丘陵区具有推广应用价值。     

太行山前平原农田生态系统氮素循环与平衡研究

在中国科学院栾城生态农业试验站1公顷小麦玉米轮作农田,运用乙炔抑制原状土柱培育法、微气象学法和陶土头多孔杯水量平衡法分别定量测定了氮素硝化反硝化损失、氨挥发、NO3--N淋溶损失等氮素循环转化途径。研究结果表明,每年因氨挥发而造成的肥料氮损失量为N.60.kg/hm2,占施入肥料氮的15%;NO3--N淋溶损失量为N.68～4.kg/hm2,占肥料施用量的1.4%2～0.3%;每年因硝化反硝化过程造成的肥料损失量为N.2.021～0.49.kg/hm2,占肥料施入量的0.51%1～.37%。氨挥发、NO3--N淋溶和硝化反硝化损失主要发生在施肥灌溉/降雨之后,玉米季肥料损失明显高于小麦生长季节。氨挥发和NO3--N淋溶损失是本区域农田氮素损失的主要途径,是氮肥利用率低的重要原因。在当地农民所采用的常规农业管理措施下,小麦玉米轮作农田氮素平衡处于盈余状态,小麦季盈余N+115.5～+124.5.kg/hm2,明显高于玉米季;由于玉米季氮素损失严重,氮素盈余较少,甚至出现亏缺,玉米季氮素平衡状况为-54.6～+14.3.kg/hm2。     

有机无机肥长期定位试验土壤小麦季氨挥发损失及其影响因素研究

氨挥发是肥料氮素损失的重要途径之一,损失率因土壤类型、气候条件、肥料用量、施肥时间和方式等不同而存在很大差异。为了筛选提高氮肥利用率的肥料运筹方式,本文利用长期定位试验平台,采用间歇密闭通气法,研究了有机无机肥长期施用条件下小麦季土壤氨挥发损失及其影响因素。结果表明,不同肥料种类和配施强烈地影响着土壤氨挥发,在150kgN·hm^-2用量下小麦季氨挥发损失量以NK和有机肥处理为最高,分别达到17．89和15．70kgN·hm^-2,占氮肥用量的10．47％-11．93％,显著高于NPK、NP和有机无机肥配施（1／20M）处理。土壤氨挥发速率与气温呈显著正相关,基肥施用后灌水可以有效地降低氨挥发损失。NPK肥料平衡施用或者有机无机肥配施可以减少氨挥发损失。     

冬小麦/夏玉米轮作中高肥力土壤的持续供氮能力

通过连续3年的冬小麦.夏玉米轮作试验研究高肥力土壤的供氮能力。结果表明,在本试验的高肥力土壤上,存在土壤供氮能力随时间延长而下降的趋势。但在连续3年3个轮作周期6季作物生长过程中,土壤都保持了较高的供氮能力,其中夏玉米季高于冬小麦季,不施氮处理在冬小麦季的相对产量保持在46%～76%,夏玉米季为69%～81%,轮作周期中土壤氮素的表观矿化量为125～184kg.hm2,而供氮能力为123～190kg.hm2。在考虑土壤供氮能力的基础上,基于土壤植株测试的氮肥优化管理,在连续6季作物中较大幅度地降低了氮肥用量,但却获得了同传统施氮处理一致的产量,保持了较低的土壤无机氮残留量,避免了过量施氮对环境的不良影响。     

基于DNDC模型的冬小麦?夏玉米农田滴灌施肥优化措施研究

【目的】滴灌施肥是一种具有节水、节肥等优点的水肥一体化田间管理措施,然而其对N₂O排放和经济效益的影响仍存在不确定性。针对我国重要的粮食生产方式—冬小麦?夏玉米轮作,优化设计适宜的滴灌施肥管理制度,对于提高水肥资源利用效率,减少环境污染,提高经济效益具有重大的实际意义。 【方法】在山东桓台冬小麦?夏玉米典型农田上设置试验,进行不同灌溉系数和不同施氮量处理对农田土壤N₂O排放和作物产量影响的研究。根据田间实测数据对DNDC模型进行校正和验证,利用验证后的模型定量评估滴灌施肥对N₂O排放的影响,综合考虑作物产量和N₂O减排效果和经济效益,最终提出华北平原冬小麦?夏玉米体系的优化滴灌施肥措施。 【结果】DNDC模型具备模拟滴灌施肥一体化管理措施下冬小麦、夏玉米生长情况和产量的能力,模型校正后能较好地模拟滴灌施肥条件下冬小麦/夏玉米农田土壤N₂O排放特征。在田间试验筛选出的最佳滴灌量和施氮量的基础上设置不同的滴灌量、施氮量以及玉米季施氮次数、施氮时间模拟情景,经过模型情景模拟最终筛选出的最优滴灌施肥措施是冬小麦季分4次滴灌施肥,滴灌量130 mm,随水施N 189 kg/hm2,夏玉米避开雨季分4次滴灌施肥,滴灌量19 mm,随水施N 231 kg/hm2。该模型模拟出的最优措施能够在不影响作物产量的基础上比田间试验筛选出的最佳滴灌和施氮量处理减少16%的N₂O排放。 【结论】与当地习惯漫灌撒肥措施相比,优化后的滴灌施肥管理全年共节水58.6%、减氮30.0%、减少50% N₂O排放,同时净收益增加了1336.41元/hm2,增加投资部分的收益率为230.34%,远大于部分预算法中100%的新技术采用标准。研究结果可为滴灌施肥技术在华北农田推广应用提供实际参考。     

腐植酸与氮肥配施对冬小麦氮素吸收利用及产量的影响

研究腐植酸与氮肥配施对冬小麦产量、氮素吸收及经济效益的影响,可为提高氮肥的增产效益,减少氮肥对生态环境的污染提供理论指导。在河南褐土区冬小麦-夏玉米轮作制度下,于2014年开始在河南省南阳市卧龙区开展田间定位试验,共设置单施磷钾肥、常规施肥、单施腐植酸、常规施肥+腐植酸、常规施肥减氮15%+腐植酸、常规施肥减氮30%+腐植酸6个处理,分析不同氮肥与腐植酸配施下冬小麦产量和氮肥利用的特征。结果表明,腐植酸与氮肥配施可以有效提高冬小麦的产量及其构成要素,促进植株对氮素的累积,提高氮肥利用率。其中,常规施肥减氮15%+腐植酸处理下冬小麦产量、籽粒氮含量、籽粒氮累积量、地上部总氮累积量、氮肥利用效率和纯收益均增加,与常规施肥相比,冬小麦产量增加4.96%,氮肥利用效率增加23.42%,纯收益增加2.18%。常规施肥减氮30%+腐植酸条件下冬小麦产值和收益降低。因此,在施用腐植酸的基础上,配施适量氮肥才能获得较高的产值和收益。常规施肥减氮15%+腐植酸是本研究区域最佳的施肥模式,对实现现代化农业生产的高产高效、资源节约和生态环境保护具有重要意义。     

黄土高原旱地冬小麦/夏玉米轮作体系土壤的氮素平衡

在黄土高原南部旱地,通过田间小区试验研究了传统施肥方式下冬小麦/夏玉米轮作体系中土壤的氮素平衡。结果表明:土壤残留矿质态氮(Nmin)对作物产量和施用氮肥效果有重要影响,前季作物残留土壤Nmin可以促进后季作物生长,使氮肥增产效应不明显;冬小麦生长季节施氮240.kg/hm2可以增加产量和作物吸氮量,但其氮肥利用率只有39.7%,大部分以Nmin残留于0200cm土壤中或以其他途径损失;由于冬小麦季节残留肥料氮的后效,使夏玉米生长季节的氮肥利用率很低,施氮120和240.kg/hm2的氮肥利用率分别只有22.4%和3.9%,而在0200cm土层残留率则达到51.1%和87.2%;经过冬小麦、夏玉米一个轮作周期后,施氮量为240、360和480.kg/hm2时作物的氮肥利用率平均为52.2%4、2.2%和28.0%,而相应的土壤残留率平均为12.4%、25.3%和49.8%,表观损失率平均为35.4%、32.5%和22.2%。表明在土壤残留Nmin较高的条件下,夏玉米生长季节施氮量较低时盈余氮素以表观损失为主,施氮量高时大部分氮素残留于土壤剖面。     

磷肥减施对玉米根系生长及根际土壤磷组分的影响

【目的】 我国农业过量和不合理施用磷肥现象普遍存在,导致磷资源的浪费,对环境也造成潜在威胁。研究减少磷肥用量对玉米产量、根系形态及根际中磷转化特征的影响,为集约化农业生产体系中磷肥合理施用提供技术基础。 【方法】 在河北省衡水小麦玉米轮作体系下连续三年进行了田间试验,在冬小麦季设置4个P₂O₅用量处理:0、112.5、150.0、187.5 kg/hm2,收获后在原处理小区免耕播种夏玉米。利用WinRHIZO根系分析系统分析获取根长、直径等数据,测定玉米籽粒产量、生物量和地上部磷含量及根际土壤中磷形态等指标。 【结果】 与农民习惯磷肥用量(P₂O₅187.5 kg/hm2)相比,3年磷肥用量减施20%~40%处理(P₂O₅150和112.5 kg/hm2),玉米籽粒产量、根系长度与直径和土壤有效磷含量尚未发生明显变化。但3年不施磷处理,根际土壤有效形态磷含量和玉米籽粒产量开始出现下降趋势。2009年和2010年玉米收获期,不施磷肥处理根际土壤有机磷含量低于非根际土壤。2008年玉米苗期和收获期土壤有机磷分组中,中等活性有机磷含量最高;磷肥减施20%~40%处理苗期根际中中等活性有机磷含量显著低于非根际土壤。土壤无机磷形态分组研究发现:从玉米苗期到收获期,各磷肥处理根际和非根际土壤中Ca₂-P下降明显;而不同磷肥处理间土壤中Ca₁₀-P、Ca₈-P、O-P (闭蓄态磷)、Al-P和Fe-P含量差异不显著。减施磷肥处理2008年玉米苗期根际土壤微生物量P含量较非根际土壤高;与习惯施肥量相比,磷肥减施未明显降低根际土壤微生物量磷。 【结论】 在华北小麦玉米轮作种植体系下,在土壤肥力水平较高地区,连续3年将小麦季磷肥的习惯用量减少20%~40%,对夏玉米产量、根系形态以及根际土壤无机磷、有机磷、微生物量磷含量影响尚不明显,因此,该地区磷肥施用量可从习惯用量的P₂O₅180 kg/hm2减至112.5 kg/hm2。     

潮土小麦–玉米轮作体系氮肥用量阈值及土壤硝态氮年际变化

  【目的】  合理施氮是粮食高产、稳产的重要保证。研究不同施氮水平下作物产量的可持续指数以及土壤硝态氮年际迁移特征，对指导黄淮海地区冬小麦–玉米轮作体系下农田氮肥的合理施用具有重要意义。  【方法】  长期定位试验始建于2006年，设置10个施氮水平:0、60、120、180、240、300、360、420、500和600 kg/hm2。测定冬小麦和夏玉米产量及土壤剖面 (0—200 cm) 硝态氮含量的年际变化特征。  【结果】  施氮水平显著影响冬小麦–夏玉米轮作体系下作物产量，施肥年限以及施肥年限与施肥量间的交互作用对小麦、玉米产量也存在极显著影响。施N 0～240 kg/hm2的处理，小麦、玉米产量随施氮量的增加逐渐增加；施N 300～600 kg/hm2的处理作物产量基本稳定，处理间差异不显著 (P > 0.05)。施氮能显著提高冬小麦产量的可持续性指数 (P < 0.05)，但对夏玉米产量的可持续指数影响较小。随着施氮量增加，土壤硝态氮含量呈现逐渐增加的趋势，且施N量低于300 kg/hm2时，0—200 cm土层硝态氮含量均处于较低水平，施氮量超过300 kg/hm2后，土壤硝态氮含量显著增加。另外，随着试验年限的延长，土壤硝态氮累积峰逐渐下移，2008、2011和2017年土壤硝态氮含量峰值分别在40—60 cm、80—120 cm和80—160 cm。  【结论】  黄淮海盐化潮土区，冬小麦–夏玉米轮作制度下氮合理用量在冬小麦上的阈值为240 kg/hm2、在夏玉米上的阈值为180 kg/hm2，在此氮肥用量下，长期施肥既可保证作物 (小麦、玉米) 稳产，又不会显著增加土壤硝态氮残留及向下迁移。