长期施用化肥对粮食生产和土壤质量性状的影响

结合世界各地长期试验的资料,从土壤质量的角度综述了施用化肥对小麦,玉米,水稻产量影响,并对长期施用化肥条件下土壤有机碳积累,剖面硝态氮累积和土壤理化性状的演变进行了分析。     

石灰性土壤磷素的化学活化途径探讨

用草酸、草酸钠、柠檬酸和柠檬酸钠作为活化剂，加人不同含磷水平土壤中，通过室内培养试验和分析，结果表明：(1)0．1M草酸和0．1M柠檬酸都有一定的活化土壤磷素的作用，草酸作用最为显著。而相同浓度的草酸钠和柠檬酸钠未显示对土壤磷素的活化效果。(2)对土壤磷素的活化作用，草酸随其浓度的增加而增强，而柠檬酸活化土壤磷的能力有限。(3)柠檬酸在加人的6h之内，对活化土壤速效磷作用明显；而草酸在加人的48h之内，对活化土壤速效磷有十分显著的作用。无论是柠檬酸还是草酸，在其对土壤速效磷发挥活化作用期间，均随加人时间的延长而减弱。     

磷素吸附特性演变及其与土壤磷素形态、土壤有机碳含量的关系

在黄土旱塬区长期试验(1985-1997年)中,选取对照(不施肥,CK)、磷肥(P2O5.60.kg/hm2,P)、氮肥(N.120kg／hm2,N)、氮磷(N,120.kg／hm2,P2O5,60.kg/hm2,NP)、氮磷有机肥(N.120.kg/hm2,P2O560.kg/hm2,有机肥75.t／hm2,NPM),种植方式为冬小麦连作的5种有代表性的施肥处理,研究了石灰性土壤磷素吸附特性的演变及其与土壤磷素形态、土壤有机碳(SOC)含量的关系。结果表明,P素的最大吸附量(Qm),1997年对照(CK)、N处理比1985年分别提高了18％和14％;而P、NP和NPM处理分别降低了26％、13％和24％。吸附能常数(k值)随时间延长,对照和N处理相对稳定,P和NP处理呈升高趋势,而NPM处理有降低趋势。土壤磷素吸附饱和度(DPS)和零净吸附磷浓度(EPC0)对照和N处理随时间延长呈降低趋势,P、NP和NPM处理呈升高趋势。Qm与Ca8-P、Al-P存在极显著相关关系(P0.001),与Ca2-P、Pe-P存在显著相关关系(P0.05)。Ca2-P、有机磷含量变化与土壤DPS的相关性达到显著水平(P0.05)。EPC0只与有机磷间存在显著的相关关系(P0.05)。Qm、DPS和EPC0变化与SOC存在显著或极显著的线性相关关系(P0.001)。     

褐土区农田土壤氮磷淋溶特征及其管理措施

自20世纪90年代以来,持续过量氮磷化肥投入导致农业面源污染日益严重,了解农田土壤氮磷淋溶特征是降低地下水污染的基础。基于田间调查、长期定位肥料试验和田间试验,分析褐土区氮磷的盈余状况,阐明该区农田土壤氮磷的盈余变化、淋溶特征;评价田间管理措施对农田土壤氮磷淋溶的影响。结果表明,典型褐土区关中平原过量施氮的土壤达到83%以上,大量土壤硝态氮已经迁移到100cm土层以下,15%的水井地下水的硝态氮含量超过10 mg·L~(-1)(WHO饮用水标准);80%耕层土壤有效磷(Olsen-P)含量已超过20mg·kg-1,富磷土壤已出现可溶性磷素向耕层以下迁移的现象。氮肥和磷肥的投入量、氮磷吸收量和土壤氮磷残留量之间存在着3个发展阶段:环境友好-资源高效阶段、环境低风险-资源低效阶段和环境有害-资源无效阶段。与当地常规水肥投入量相比,在保证产量的前提下,化肥减量、降低灌溉量、施用生物炭或秸秆还田都可以降低氮磷淋失量;其中化肥减量、降低灌溉可显著降低氮磷的淋失,其次是施用生物炭和秸秆。施用秸秆条件下,阻控硝态氮淋失与微生物生物量碳氮的提高、土壤硝化势降低或反硝化势升高有关。此外,需要关注褐土区粮果复合系统中土壤氮磷淋溶的环境效应、地下水硝酸盐污染的溯源等问题。     

中国北方农田氮磷淋溶损失污染与防控机制

突破厚包气带农田根层氮磷淋溶与地下水污染复杂定量关系和阻控机理是国际研究难点。本文系统梳理了重点研发专项"农田氮磷淋溶损失污染与防控机制"项目取得的主要进展,项目包括以下4方面研究内容:1)北方主要农区农田根层氮磷淋溶时空规律;2)根层—深层包气带氮磷淋溶机制和主控因子;3)黑土、潮土和褐土氮磷淋溶阻控机制及其效果; 4)典型农区氮磷淋溶风险与区域消减途径。主要科学发现包括:1)受土地利用类型、地下水埋深、包气带岩性、水文地质条件等综合因素的影响,黑土区、潮土区和褐土区根层氮磷淋溶规律与地下水硝酸盐超标率体现出空间不一致和较大差异性。黑土区虽然根层淋溶较小,然而受地形地貌影响,地下水水质对淋溶响应更强烈,应该进一步研究黑土区地下水水质对淋溶的响应机制。华北潮土区和褐土区厚包气带具有明显氮阻控能力,应该进一步加强厚包气带对氮磷淋溶减排机理与途径研究。2)基于长期施肥定位试验和12 m深观测井对包气带农田土壤氮盈余累积特征和淋失规律的研究发现,华北平原区的环境安全施氮量约为200kg(N)·hm~(-2)·a~(-1),超过环境安全阈值的多投入氮肥中有51%淋失到1m根层以下,不合理灌溉、强降水、大孔隙和裂隙是造成土壤硝酸盐淋溶的主要因素,对包气带累积硝态氮的淋失作用可影响至6m以下土层。3)利用深层取样和生物学方法结合,对厚包气带0～10.5m原位土壤微生物的反硝化活性和微生物区系组成的研究结果表明,表层土壤是微生物进行反硝化的主要场所,深层土壤中反硝化作用显著减弱,"碳饥饿"是限制底层土壤反硝化微生物丰度与活性的关键因素;室内培养试验证实添加碳源可有效激活土壤微生物的反硝化活性,为"根层截氮包气带脱氮"的淋溶阻控机理找到了突破口。4)利用黑土、潮土和褐土区氮磷淋溶阻控试验、全国农业面源污染国控监测网、北方农区地下水硝酸盐监测网和NUFER (NUtrient flows in Food chains, Environment and Resourcesuse)模型,提出了养分损失脆弱区区划和区域氮磷污染削减草案,可为农业绿色发展和面源污染阻控提供科学依据。     

旱作冬小麦施氮肥与地膜栽培的水肥效应

旱作冬小麦施氮与地膜栽培水肥管理试验结果表明，小麦施用氮肥在小麦生育前期连续干旱年中仍有显著增产效果，但小麦地膜栽培未表现良好的增产作用。施用氮肥有利于0-100cm土层土壤水分的保持和改善，明显提高水分生产效率，增加小麦的N素吸收，并促进小麦对P素和K素的吸收总量。地膜栽培在小麦生育前期具有较好的保墒作用，膜际与膜下栽培土壤剖面水分无明显差异，表层土壤湿度的日变化观测表明地膜具有明显的提水保墒作用。     

黄土旱塬黑垆土-冬小麦系统中尿素氮的去向及增产效果

在黄土高原南部旱塬区陕西省长武县的黑垆土上 ,用田间小区和15N微区试验研究了氮肥的增产效果 ,水分利用率以及尿素氮的去向。结果表明 ,氮肥的增产效果随氮肥用量增加而降低 ,施N量为 1 0 0和 1 5 0kghm- 2 时每kg肥料N分别增产小麦 1 2 .1kg和6.4kg。施用氮肥亦提高了水分利用率 ,无氮区和施肥区的水分利用率分别为 7.6kghm- 2 mm- 1和 9.7～ 1 0 .5kghm- 2 mm- 1。15N微区试验结果表明 ,尿素作基肥混施入耕层后 ,小麦利用率为36.6%～ 38.4% ,土壤残留率为 2 9.2 %～ 33.6% ,标记氮肥在土壤剖面中的残留率随土层深度的加深而迅速降低。小麦吸收的氮素来自肥料氮的比例在 33%～ 40 %之间 ,来自土壤氮素的比例在 60 %以上     

旱地冬小麦氮磷自然供给能力及其吸收氮磷来源的长期定位试验

利用在黄土旱塬上布置的 13年小麦连作肥料定位试验资料 ,研究了旱地冬小麦氮磷的自然供给能力和吸收来源于肥料和土壤的氮磷相对比例。结果表明 ,旱地冬小麦氮素的自然供给能力为 26.68～27.49kg/hm2,平均为 27.2kg/hm2;磷素自然供给能力为 5.21～8.49kg/hm2,平均为7.31kg/hm2 。小麦吸收氮素有 51.9%～76.8%来自氮肥 ,平均为66.6% ;而来自土壤为23.2%～48.1% ,平均 33.4%。小麦吸收磷素来源于肥料的为 13.6%～47.8% ,平均为28.7% ;来源于土壤为 52.2%～86.4% ,平均为 71.3%。同一肥底基础上 ,随肥料用量的增加 ,小麦吸收氮或磷素来源于肥料的比例也增大 ,而来源于土壤的比例逐渐减少。本试验条件下 ,氮肥利用率变幅为 32.6%～66.0% ,平均为51.1% ;磷肥利用率变幅为 1.72%～14.02% ,平均为7.0%     

减量施氮对雨养区春玉米产量和环境效应的影响

通过3年田间试验,研究了减量施氮(N)对雨养区春玉米产量、温室气体排放、土壤硝态氮(NO_3~--N)残留的影响。试验于2013年4月至2015年9月在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站进行,供试作物为春玉米,半覆膜种植,设常规施氮(N200)和减量施氮(N150)2个处理,定期测定土壤矿质N和氧化亚氮(N_2O)气体含量。结果表明:虽然N150处理较N200处理施N量减少了25%,但玉米产量无显著变化(P0.05),三年平均为13.4(N200)、13.3(N150)t·hm~(-2);N150处理N2O累积排放量较N200处理降低24.3%;N200处理0~200 cm土壤剖面NO_3~--N残留量平均为210.2 kg·hm~(-2),N150处理则低至115.1 kg·hm~(-2);N200和N150处理的生育期耗水量差异不显著(P0.05)。在渭北雨养农业区,春玉米在常规施N的基础上减量25%,不仅能维持作物产量,还能有效降低N_2O排放和NO_3~--N的残留。