不同施肥模式对南方黄泥田耕层有机碳固存及生产力的影响

【目的】探讨南方丘陵黄泥田不同施肥对耕层土壤有机碳固存及生产力的影响,促进区域农田固碳减排和作物高产。【方法】基于32年的长期定位试验,研究不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、化肥+牛粪(NPKM)、化肥+全部稻草还田(NPKS)处理下,历年水稻产量、代表性年份耕层土壤有机碳含量及固碳速率的变化。【结果】NPK、NPKM、NPKS处理下水稻历年平均产量分别较CK高67.1%、88.1%和84.2%,差异显著,且NPKM、NPKS处理与NPK处理间亦具有显著差异。NPK、NPKM与NPKS处理耕层土壤有机碳历年平均含量比CK高8.9%~36.8%其中NPKM最高且亦显著高于NPKS与NPK处理。与初始土壤相比各处理有机碳含量增加1.84~5.26g/kg。以每10年为评价周期,NPKM、NPKS处理的固碳速率与CK及NPK差异均显著,其中双季稻年份NPKM与NPKS处理固碳速率分别是CK的2.38倍和1.98倍,是NPK处理的1.59倍与1.32倍但NPK处理与CK间差异不显著。稻田系统年均有机碳输入与有机碳固存间存在极显著幂函数关系,施肥土壤有机碳含量变化与籽粒产量变化间亦呈极显著正相关。【结论】南方黄泥田化肥配施有机肥或配合秸秆还田较单施化肥稳步提升水稻产量。长期不施肥土壤有机碳仍可维持低幅度增长,随着土壤有机碳含量升高,固碳效率逐步降低。化肥配施有机肥或配合秸秆还田较单施化肥明显提高了土壤的固碳速率二者均是提高黄泥田生产力与固碳能力的双赢措施。     

长期不同施肥对南方黄泥田水稻子粒品质性状与土壤肥力因子的影响

在福建黄泥田长期定位施肥试验的第26年,研究了不同施肥处理对水稻子粒品质性状与土壤肥力因子的影响。结果表明,化肥+牛粪（NPKM）、化肥+秸秆还田（NPKS）及单施化肥（NPK）处理的水稻子粒必需氨基酸含量分别较不施肥（CK）处理提高256%、161%、131%,差异显著; 粗蛋白与淀粉含量则分别提高111141与2339个百分点,均以NPKM处理增效最为突出。各施肥处理显著提高了子粒氮、磷含量,升幅最高的NPKM处理分别比CK提高261%、311%,且提高了子粒钙、镁、硫中量元素含量。子粒氮、磷、镁、硫含量与氨基酸呈显著正相关,子粒氮、钙、硫含量与淀粉呈显著正相关。3个施肥处理均提高了土壤有机质及有效养分含量,并以速效钾的增加最为明显。此外,土壤有机质、碱解氮、速效磷等肥力因子与子粒氨基酸、淀粉品质性状均呈显著正相关; 土壤碱解氮和子粒氮含量与土壤速效磷及子粒磷含量均呈显著正相关。综合考虑施肥对水稻产量、品质性状与稻田土壤肥力的影响,以NPKM处理最优。     

长期施肥对南方黄泥田水稻养分吸收利用的影响

黄泥田为南方广泛分布的一类中低产田，为探明长期不同施肥模式对水稻养分吸收利用的影响，基于南方黄泥田连续 35年长期定位试验平台，设置 1)不施肥(CK)，2)单施化肥(NPK)，3)化肥 +牛粪(NPKM)，4)化肥 +稻秆还田(NPKS)4个处理，于试验的第 35年分析水稻各生育期的植株养分与累积吸收利用。结果表明，长期施肥均提高了水稻籽粒和秸秆产量，其中籽粒产量增幅 61.1%～ 97.7%，以 NPKM与NPKS处理最高，其籽粒产量分别较 NPK处理提高 22.7%和 20.4%。与 CK相比，各施肥处理成熟期籽粒 N、P、K吸收量分别增幅 137.6%～206.2%、86.0%～ 172.4%和 71.6%～142.5%，茎叶N、P、K吸收量分别增幅98.4%～240.8%、145.7%～419.8%、94.4%～142.8%，且均以 NPKM处理最高。施肥的土壤有机质、碱解N、速效 K含量分别较 CK增幅 21.0%～42.1%、34.0%～ 86.0%和 40.9%～127.3%，差异均达显著水平，有机质、碱解 N及有效 P含量以 NPKM处理提升最为显著，速效 K含量以 NPKS处理提升最为明显。不论是籽粒、茎秆还是地上部植株，成熟期 N、P、K养分吸收量均与土壤有机质含量呈极显著正相关，且 N、P、K养分吸收量分别与相应的土壤碱解 N、有效 P及速效 K含量呈显著正相关。综合考虑施肥对水稻产量、养分利用与稻田土壤肥力的影响，NPKM与 NPKS处理优于 NPK，而 NPKM与 NPKS二者产量基本相当。土壤有机质是影响黄泥田水稻植株N、P、K养分吸收累积的关键因子。     

长期不同施肥下南方黄泥田有效磷对磷盈亏的响应特征

【目的】黄泥田为南方主要中低产田类型之一。通过研究长期施肥条件下南方黄泥田土壤磷素累积盈亏与有效磷的关系,为黄泥田科学施用磷肥提供理论依据。【方法】基于连续33年水稻长期定位试验,研究了不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、化肥配施牛粪 (NPKM)、化肥配施秸秆 (NPKS) 四个处理土壤有效磷的变化规律及土壤磷累积盈亏状况,计算有效磷–磷盈亏响应系数。【结果】各施肥处理双季稻年份 (1983～2004年) 土壤有效磷与全磷含量呈年际上升趋势,以NPKM增幅最为明显,改为单季稻后 (2005～2015年) 则呈下降趋势,也以NPKM降幅最为明显。试验至2015年,NPK、NPKS处理有效磷含量分别为9.7 mg/kg、8.7 mg/kg,较试验初期分别下降8.3 mg/kg、9.3 mg/kg,NPKM处理与试验初期持平。CK、NPK、NPKM、NPKS处理的磷素活化系数 (PAC) 总体呈年际下降趋势,其多年平均磷素活化系数值 (PAC) 分别为2.9%、3.5%、4.7%、4.1%,其中NPKM与NPKS处理显著高于NPK与CK处理。除双季稻NPKS处理外,不同施肥模式下双季稻与单季稻年份的土壤有效磷增减与土壤累积磷盈亏均呈显著正相关,其中双季稻年份土壤磷素 (P) 每盈余100 kg/hm2,NPK、NPKM处理有效磷分别增加4.5 mg/kg与11.2 mg/kg,而单季稻年份土壤磷素每亏缺100 kg/hm2,NPK、NPKM、NPKS处理有效磷分别减少14.6 mg/kg、23.9 mg/kg、25.9 mg/kg。双季稻磷肥年施用量 (P) 为26.2 kg/hm2时,土壤磷素呈盈亏持平状态。【结论】有机无机肥配施比单施化肥能够显著提高黄泥田土壤有效磷、全磷含量和磷素活化系数,有效磷含量与磷素累积盈亏密切相关,等磷素盈亏量下,有机无机肥配施的有效磷响应系数要高于单施化肥,而磷累积亏缺下,有效磷降幅响应比磷累积盈余下有效磷增幅响应大。     

长期不同施肥对黄泥田土壤酶活性和微生物的影响

以农业部耕地保育福建观测实验站的长期肥料试验为平台,研究了长期不同施肥对黄泥田土壤酶活性和微生物的影响。结果表明:与不施肥(CK)相比,单施NPK(NPK)、NPK配施牛粪(NPKM)及NPK配施秸秆(NPKS)的土壤酶活性均有不同程度的提高,其中NPKM可显著提高转化酶活性,NPKS可显著提高脲酶活性。施肥均不同程度地提高了土壤细菌、真菌及放线菌的数量,尤其是放线菌数量,提高幅度均达到显著性水平;NPKS可显著提高土壤细菌数量,NPKM可显著提高土壤真菌数量。施肥均会对真菌群落产生重要影响;单施化肥对土壤细菌群落的影响不大,增施有机物料会对细菌群落产生明显影响;施用牛粪会对放线菌优势群落产生影响。以上结果表明,有机无机配施更有利于提高土壤酶活性和土壤微生物数量,提升土壤生物肥力。     

长期施肥对氨氧化古菌丰度及群落结构的影响

【目的】氨氧化古菌对土壤氮素转化有着重要的作用。本研究以长期定位施肥黄泥田土壤为研究对象探讨了长期不同施肥模式对土壤氨氧化古菌数量和多样性的影响,为制定合理的施肥制度提供理论基础。【方法】试验在福建省农科院试验站上进行,以30年长期定位施肥的红壤性水稻土为研究对象采用荧光定量PCR和克隆文库技术,研究了长期不同施肥模式对氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)丰度及群落结构的影响。试验设4个处理:1)不施肥(CK);2)单施氮磷钾肥(NPK);3)氮磷钾肥配施牛粪(NPKM);4)氮磷钾肥配施秸秆(NPKS)。小区面积为12 m~2每个处理设3个重复。土样采集时间为2012年10月份(水稻收获后),测定土壤养分和氨氧化古菌的数量及多样性。【结果】1)与CK相比,NPKM和NPKS处理显著增加了土壤有机质含量,NPKM和NPKS处理之间无显著差异。2)与CK相比施肥均能提高土壤全氮含量;NPKM和NPKS处理能够显著提高土壤全磷含量,NPKM处理全磷含量最高;仅NPKS处理能显著增加全钾含量。3)与CK相比,长期施肥均能提高土壤有效氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)的含量,并且NPKM处理AN和AP含量最高,NPKS处理中AK含量最高。4)与CK相比,长期施肥均对土壤pH值无显著影响。5)与CK处理相比,NPKM和NPKS处理的amoA基因拷贝数显著增加增加幅度分别为168.4%和95.7%;单施化肥处理与CK无显著差异。土壤氨氧化古菌数量与土壤有机质含量呈显著正相关,与土壤全磷、有效氮、速效磷和速效钾含量呈极显著正相关。6)长期不同施肥处理影响土壤氨氧化古菌的种群结构,单施化肥增加了土壤AOA的多样性,而化肥配施有机肥则降低了AOA的多样性。7)本试验中得到的土壤氨氧化古菌amoA基因序列均为不可培养的古菌,包括泉古菌(Crenarchaeote)和奇古菌(Thaumarchaeote)。本试验所得氨氧化古菌绝大多数与来自土壤、沉积物的amoA基因克隆非常相似,少数与水体环境相似。【结论】不同培肥模式下,土壤中氨氧化古菌均为不可培养的古菌,包括泉古菌(Crenarchaeota)和奇古菌(Thaumarchaeota),然而水稻土壤养分和氨氧化古菌丰度及群落结构变化显著。单施化肥的作用不明显,有机无机肥配施有利于土壤有机质和养分的积累以及氨氧化古菌的生长增加了氨氧化古菌优势菌群的比例。     

长期不同施肥对南方黄泥田磷库及其形态的影响

基于福建黄泥田长期定位施肥试验,研究不同施肥对土壤有效磷、 全磷演变及磷库组分的影响。结果表明,双季稻年份,各施肥处理土壤有效磷与全磷含量呈年际上升趋势,单季稻年份则呈年际下降趋势,而不施肥（CK）则均呈下降趋势,尤其是有效磷,较试验前土壤下降了64.9%。试验第26年,与 CK相比,化肥（NPK）、 化肥+牛粪（NPKM）、 化肥+秸秆还田（NPKS）处理的土壤总无机磷（TIP）含量增加了46.2%~114.2%、 总有机磷（TOP）含量增加了16.0%~41.8%、 全磷（TP）含量增幅为29.2%~73.8%,均达到显著差异水平,其中均以NPKM处理增幅最大。与试验前土壤相比,CK处理的土壤无机磷总含量降低,但有机磷总含量增加,其中无机磷以Al-P组分的耗竭速率相对最大,而有机磷以中等稳定性组分增幅相对最大; 与CK相比,施肥处理均提高了Al-P与Ca-P在全磷中的比例,而降低了各有机磷组分在全磷中的比例; 与试验前土壤相比,各处理总无机磷/总有机磷 (TIP/TOP) 的比值均呈下降趋势,但施肥的降幅较低,尤其是NPKM处理,TIP/TOP比值与有机质含量呈显著正相关。黄泥田不论施肥与否,土壤中有机磷含量均呈增加的趋势,NPKM处理对提高土壤有效磷、 无机磷、 有机磷库含量最为明显,但NPKS与NPK处理的无机磷库与有机磷库组分含量无明显差异。拟合方程显示,双季稻栽培模式下土壤有效磷含量为17.56 mg/kg、 单季稻栽培模式下有效磷含量为16.94 mg/kg时,作物产量可达最高。     

化肥有机替代对黑土土壤肥力的影响——基于30 年长期定位试验

有机粪肥施入与秸秆还田已经成为改良黑土性状的重要途径。以30 年长期定位试验为研究平台，探讨了长期有机物料投入对土壤理化性质的影响。研究共包含4 个处理:(1)不施肥(CK)；(2)单施化肥(NPK)；(3)有机粪肥部分替代化肥(NPKM)；(4)秸秆部分替代化肥(NPKS)。研究结果指出，与NPK 处理相比，NPKM 与NPKS 处理分别提高58.7% 和10.7% 的土壤有机碳含量、66.4% 和18.5% 的全氮含量、27.6% 和25% 的全钾含量(P<0.05)；在土壤全磷含量方面，NPKM 处理提高了56.6% 的全磷含量(P<0.05)，而NPKS 处理对土壤全磷含量无显著影响。NPK 处理中土壤pH 最低，为5.97，NPKM 与NPKS 处理土壤pH 分别为7.26 和7.99，显著高于NPK 处理(P<0.05)。与NPK 处理相比，NPKM 和NPKS 处理分别降低了17.9% 和13.8% 的土壤容重(P<0.05)。在作物产量方面，与NPK 处理相比，NPKM 处理显著提高了9.6% 的玉米产量(P<0.05)，而NPKS 处理对作物产量无显著影响。综上所述，长期有机粪肥与秸秆施入可以有效提高黑土有机质及养分含量，抑制土壤酸化、板结，改善土壤理化性质，提高土壤质量。     

长期化肥有机替代对黑土颜色及腐殖物质的影响

基于30年长期定位试验,通过测定黑土光谱反射率和不同腐殖质组分含量,探究了不同施肥对黑土土壤腐殖质含量、土壤颜色及二者之间的关系。试验设置5个处理:(1)休耕(Fallow);(2)不施肥处理(CK);(3)单施化肥(NPK);(4)有机肥部分替代化肥(NPKM);(5)秸秆部分替代化肥处理(NPKS)。结果表明:与NPK处理相比,Fallow、NPKS、NPKM分别显著提高49.7%,74.3%,27.0%的土壤有机碳含量(p<0.05)。NPKM处理中胡敏酸(HA)含量最高为3.9 g/kg,随后依次为CK、NPKS、NPK、Fallow。NPKM、NPKS和Fallow处理中土壤富里酸(FA)含量为2.2~2.3 g/kg,显著高于NPK和CK。NPKM处理中胡敏素(HM)含量为18.6 g/kg,显著高于其他处理(p<0.05)。不同处理间土壤光谱反射率由高到低依次为NPK>Fallow、CK>NPKS>NPKM,与CK处理相比,NPK土壤光谱反射率在平均提高6.5%,NPKS和NPKM则分别降低11.1%和15.1%。根据线性相关分析结果,黑土土壤光谱反射率与土壤HAHM均呈显著负相关关系(p<0.01),相关系数(r)分别为-0.858,-0.681。综合上述结果,长期有机物料投入可以显著提高黑土腐殖物质含量,降低黑土光谱反射率,使黑土颜色加深,而长期化肥施入则使黑土光谱反射率提高,出现"褪色"现象,有机粪肥在黑土中对土壤有机质和腐殖质含量的提升效果优于秸秆。     

不同施肥措施提高南方黄泥田供钾能力及钾素平衡的作用

【目的】基于连续 30 年南方低产黄泥田培肥定位试验,研究土壤全钾、速效钾、缓效钾含量与钾素盈亏特性,明确钾肥投入量与产量的关系,以期为黄泥田钾素肥力定向培育及水稻钾肥施用提供科学依据。 【方法】定位监测不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、化肥 + 牛粪 (NPKM)、化肥 + 全部稻草还田 (NPKS) 四种施肥处理代表性年份耕层土壤钾素含量动态变化,分析各形态钾素间及与有机碳含量的关系,并于相邻集中年份 2010、2011、2013、2014 年采集植株样品以评价土壤钾素水平、土壤钾素盈亏、植株养分对钾肥投入量的响应。 【结果】30 年施肥处理下,土壤全钾含量平均较 CK 增加 2.2%～5.0%,且双季稻年份不同处理差异较单季稻年份大,速效钾含量历年平均较 CK 增加 43.9%～102.4%,以 NPKS 增加最为明显,而不同处理的土壤缓效钾含量无明显差异。土壤速效钾含量与全钾呈显著正相关,土壤全钾、速效钾含量与有机碳均呈极显著正相关。各施肥处理提高了收获期植株钾含量与累积量。NPKS 处理每年盈余钾素 (K₂O) 101.1 kg/hm2,其余处理每年亏缺幅度为 –89.4～–18.6 kg/hm2。钾肥用量、速效钾含量、土壤钾素盈亏量相互间呈极显著正相关,可推算出外源钾肥 (K₂O) 每年投入量达到 161.8 kg/hm2 时,土壤钾素处于持平状态,其对应的土壤速效钾含量为 95.3 mg/kg。钾肥用量、速效钾含量、土壤钾素盈亏量及籽粒钾含量均与植株产量呈显著正相关。 【结论】水稻增产效果与土壤钾肥投入量、速效钾含量及钾素盈亏量有关。黄泥田土壤速效钾较缓效钾、全钾更直接反映生产力水平。长期施肥提高了黄泥田土壤全钾与速效钾含量,NPK 化肥加秸秆还田对增加土壤钾素盈余与提升速效钾效果要明显优于单施 NPK 化肥或 NPK 肥配合粪肥。     

Changes of heavy metals in soil and wheat grain under long-term environmental impact and fertilization practices in North China

Abstract

We evaluated the effects of long-term fertilization on heavy metals in soil and wheat grain under no-fertilizer control (CK), nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizers (NPK), NPK plus straw (NPKS), and NPK plus manure (NPKM) treatments. Total lead (Pb) significantly increased in the CK over the initial soil. All fertilization treatments increased soil total arsenic (As) than CK, and the NPKM increased total cadmium (Cd), copper (Cu), and zinc (Zn) than NPK. All fertilization treatments increased soil available As and Cd than CK, and the NPKM increased available As and chromium (Cr) than NPK. The NPKS decreased grain As, Cd, Cu, and bran Cr, Zn, and Pb; but the NPKM increased grain Cr, Pb, and bran As, and Cu than NPK. Under current manure fertilization systems, the maximum bearing year of soil for As, Cr, Cd, Cu, Zn, and nickel (Ni) was 1136, 2990, 694, 1530, 910, and 1555?years, respectively.     

Phosphorus availability and rice grain yield in a paddy soil in response to long-term fertilization

Rice (Oryza sativa L.) is one of the most important crops in the world, and its production is limited by soil phosphorus (P) deficiencies in many parts of the world. Impacts of long-term fertilization regimes on rice productivity and soil P availability is largely unknown. A long-term (26-year) field experiment in a paddy soil of southeastern China was carried out to study the response of rice grain yield and soil P pools to different fertilization regimes including control without fertilization (CK), nitrogen, P, and potassium (NPK) fertilizer (NPK), NPK fertilizer plus cattle manure (NPKM), and NPK fertilizer plus rice straw (NPKS). Application of fertilizers (NPK, NPKM, and NPKS) increased rice grain yield compared with the CK treatment (on average, by 75%, 97%, and 92%, respectively). Soil P was predominately present in the organic form (51–75% of total P) across different treatments. Most soil inorganic P fractions decreased with time due to continuous depletion by rice plants in the nonfertilized treatment (CK), while they generally increased with time in the fertilizer treatments (NPK, NPKM, and NPKS) due to continued supply of P to soil. On the other hand, soil organic P fractions increased continuously with time regardless of treatment, probably due to the retention of stubble and biological immobilization of inorganic P. Positive relationships between the rice grain yield and most inorganic P fractions in the CK treatment indicated the P limitation for rice production due to no P inputs and long-term conversion of inorganic P into organic P.     

不同施肥制度下我国东部典型土壤易分解与耐分解碳的组分特征

【目的】土壤易分解碳库(labile organic carbon,Lab-C)和耐分解碳库(recalcitrant organic carbon,Rec-C)是土壤有机质的重要组分,其组分大小与比例可反映土壤有机碳的周转与固存特性。因此,研究长期不同施肥制度下土壤易分解碳库与耐分解碳库的大小与比例,对土壤养分管理及肥力培育具有重要的意义。【方法】利用我国东部23年长期不同施肥制度下的黑土、潮土、红壤和32年水稻土共四类土壤的典型土样为代表,以不施肥(CK)、施化肥(NPK)、化肥配施秸秆(NPKS)和化肥配施有机肥(NPKM)4个处理土壤,采用颗粒密度相结合的方法,将土壤有机碳分为易分解碳和耐分解碳2个组分,分析了其不同组分碳含量及比例的变化特征。【结果】土壤经该方法分组后,四种土壤的平均质量回收率和碳回收率均超过95%,是一种测定土壤易分解碳和耐分解碳的可行方法。旱作土壤(黑土、潮土和红壤)易分解碳的平均含量为1.91 g/kg低于水田的2.42 g/kg,而易分解碳占总有机碳的平均比例为15.4%,高于水田的9.9%。NPKM处理下,黑土、潮土和红壤易分解碳含量显著高于NPKS、NPK及CK处理(P0.05),较NPK处理增加的比例分别为98.4%、43.7%和71.2%,同时提高了易分解碳占总有机碳的比例,但无显著差异性;NPK和NPKS处理下黑土与潮土易分解碳的含量较不施肥无显著变化,而红壤易分解碳含量较不施肥显著降低(P0.05),降低的比例分别为33.1%和29.6%;水稻土4个处理间易分解碳的含量及其占全碳的比例无显著差异性。四类土壤耐分解碳的含量与总有机碳含量的变化一致,均表现为NPKMNPKSNPKCK。NPKM处理下,四种土壤耐分解碳含量显著增加(P0.05),黑土、潮土、红壤和水稻土较NPK处理增加的比例分别为68.8%、42.7%、17.6%和17.2%,同时耐分解碳占全碳的比例降低;NPKS处理下黑土、潮土和水稻土耐分解碳的含量较NPK处理也增加,对应增加的比例分别为10.9%、15.1%和18.0%。同时,易分解碳和耐分解碳的含量与土壤总有机碳含量之间有极显著的正相关关系。【结论】旱作土壤易分解碳含量比水田土壤更易受不同施肥处理的影响,有机无机配施(NPKM与NPKS)可提高旱作与水田土壤易分解碳与耐分解碳的含量,同时相对提高了易分解碳占全碳的比例,且NPKM处理的效果优于NPKS处理,更优于化肥处理。     

长期施肥对潮土耕层土壤和作物籽粒微量元素动态的影响

Micronutrient status in soils can be affected by long-term fertilization and intensive cropping.A 19-year experiment (1990-2008) was carried out to investigate the influence of different fertilization regimes on micronutrients in an Aquic Inceptisol and maize and wheat grains in Zhengzhou,China.The results showed that soil total Cu and Zn markedly declined after 19 years with application of N fertilizer alone.Soil total Fe and Mn were significantly increased mainly due to atmospheric deposition.Applications...