作物-土壤氮循环对大气CO2浓度和温度升高响应的研究进展

在地球化学元素循环中,氮素是最重要、最活跃的营养元素之一。农田生态系统中的氮素很大程度上决定农作物的产量和品质。然而,在全球气候变化背景下,随着大气CO₂浓度和温度升高,作物-土壤氮循环的变化可能显著影响农田生态系统中的作物生产。因此,研究作物-土壤氮循环对大气CO₂浓度和温度升高的响应,能够为科学合理地预测未来气候条件下,农田生态系统中作物的氮素需求,以及保障农作物产量的稳定供应提供理论依据,对于全面认识全球气候变化背景下的农田生态系统氮素循环过程及土壤可持续利用具有重要意义。本文综述了大气CO₂和温度升高对作物氮素吸收和分配,以及与氮有效性密切相关的土壤氮转化的影响,并系统总结了二者对作物-土壤氮循环过程产生的交互作用。总结以往研究发现,在大气CO₂浓度升高条件下,作物的蒸腾作用减弱,但光合作用增强,生物量加大,根系分支和根表面积增加,豆科作物的根瘤固氮能力提高,因此整体上促进作物对氮的吸收,并且增加作物向籽粒中分配氮的比例,但作物的平均氮浓度降低。此外,高CO₂浓度提高了土壤酶活性,增强了土壤有机氮矿化作用、硝化及反硝化作用,加速了土壤氮转化。升温和CO₂浓度升高对作物-土壤氮循环产生正向或负向的交互作用,主要表现在：高温和高CO₂浓度对作物的生物量、光合作用、地下部氮分配、根系分支以及根表面积具有协同促进作用,升高温度减轻了高CO₂浓度对作物蒸腾作用和作物氮浓度的抑制作用。然而,升温抑制了高CO₂浓度对作物向籽粒中氮分配、氮吸收以及产量的促进作用;升温虽然能进一步增强高CO₂浓度对土壤酶活性和有机氮矿化的促进作用,但是对于土壤硝化和反硝化作用,二者的交互作用以及相关的分子机制尚不明确。大气CO₂升高和温度升高对土壤微生物,以及微生物与作物之间的耦合关系的研究比较薄弱,特别是由微生物主导的氮循环过程及其对全球气候变化的反馈机制是未来研究的重点。本文提出利用16S rRNA、DGGE、T-RFLP、qPCR、RT-PCR技术、蛋白组学以及稳定性同位素探针原位研究技术,可以将复杂环境中微生物物种组成及其生理功能进行耦合分析,揭示大气CO₂浓度与温度对作物-土壤氮循环过程的交互作用机理,增强对气候变化下农田生态系统氮素循环响应的预测能力,为农田生态系统有效地适应气候变化提供科学的理论依据。     

耕作覆盖对宁南旱区土壤团粒结构及马铃薯水分利用效率的影响

【目的】探讨耕作覆盖对旱作土壤团粒结构、马铃薯产量和水分利用效率的影响。【方法】于2013—2016年进行连续3个作物生长季定位试验,通过设置3种耕作方式（深松、免耕、翻耕）和3种覆盖措施（秸秆覆盖、地膜覆盖和不覆盖）,研究耕作结合覆盖对土壤团聚体数量、土壤蓄水量及马铃薯产量和水分利用效率的影响。【结果】耕作方式、覆盖措施及二者交互作用可显著增加0—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量,深松覆盖秸秆处理0—20 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量在欠水年（2016）和相对欠水年（2014）分别较翻耕不覆盖显著提高14.2%、16.9%,而免耕覆盖秸秆处理在平水年（2015）较翻耕不覆盖显著提高8.5%;20—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量在欠水年以深松覆盖秸秆、相对欠水年深松覆盖地膜和平水年免耕覆盖秸秆处理最高,分别较翻耕不覆盖显著提高18.2%、21.5%、18.7%。耕作方式、覆盖措施及二者交互作用对0—200 cm土层蓄水量影响显著,深松覆盖秸秆处理休闲期土壤蓄水量分别在相对欠水年、欠水年和平水年较翻耕不覆盖处理显著提高29.6%、9.3%、11.4%;其关键生育时期平均土壤蓄水量分别在欠水年和相对欠水年较翻耕不覆盖显著增加21.9%、28.9%,而免耕覆盖秸秆处理在平水年较翻耕不覆盖处理显著增加17.1%。在相对欠水年,耕作方式对马铃薯产量和水分利用效率无显著影响,而覆盖措施及耕作与覆盖交互作用对其有显著影响,以免耕覆盖秸秆处理最佳,分别较翻耕不覆盖处理显著提高51.8%和50.5%;在平水年和欠水年,耕作方式、覆盖措施及其二者交互对马铃薯产量和水分利用效率有极显著影响,产量、水分利用效率均以深松覆盖秸秆处理效果最佳,平均较翻耕不覆盖处理显著提高56.9%和44.8%。【结论】耕作结合覆盖措施可改善耕层土壤团粒结构,显著增强休闲期和生育期土壤蓄水保墒能力,从而显著提高马铃薯产量和水分利用效率,在平水年和欠水年采用深松结合秸秆覆盖、相对欠水年采用免耕结合秸秆覆盖模式可实现宁南旱作马铃薯增产。     

相同气候背景下南北方稻田土壤上水稻生长及氮响应差异研究

【目的】土壤是影响作物产量和氮肥吸收利用的因素之一,深入研究南北方稻田土壤对水稻生长及氮效率的影响,以期为调控区域水稻高产优质提供参考。【方法】2018—2019年,以黑龙江省黑土型水稻土,江苏省乌栅土型水稻土为试验材料,在黑龙江省哈尔滨市进行水稻盆栽试验。每种土壤设置3个施氮水平,即N0：不施氮肥;N1：0.87 g N/pot（相当于150 kg N·hm^-2）;N2：1.74 g N/pot（相当于300 kg N·hm^-2）。测定水稻分蘖、SPAD值、分蘖成穗率、土壤矿化氮量、水稻产量和氮效率。【结果】黑土型水稻土的早期分蘖对施氮有响应,分蘖数随施氮量增加而增加,而乌栅土型水稻土的分蘖在拔节期后才对施氮有响应。土壤对水稻分蘖的影响存在年际间差异,2018年土壤类型对分蘖数有显著影响,不施氮时乌栅土型水稻土的分蘖数比黑土型水稻土高4.41%—43.04%,而施氮后乌栅土型水稻土比黑土型水稻土的分蘖数低8.25%—12.98%;2019年黑土型水稻土的分蘖数多数高于乌栅土型水稻土4.41%—46.53%。两种水稻土的分蘖成穗率与叶片SPAD值在2018年有显著差异,乌栅土型水稻土的叶片SPAD值比黑土型水稻土高19.28%—21.19%,乌栅土型水稻土的分蘖成穗率比黑土型水稻土高23.89%—40.53%,2019年土壤类型对水稻分蘖成穗率与叶片SPAD值均无显著影响。28 d淹水培养试验表明,两种土壤的无机氮总量基本相同,乌栅土型水稻土的初始矿化速率比黑土型水稻土高,但后期矿化速率比黑土型水稻土低,黑土型水稻土的矿化势更高,有更大的矿化潜力。黑土型水稻土的AE_N（氮肥农学效率）比乌栅土型水稻土高,而乌栅土型水稻土的PFP_N（氮肥偏生产力）比黑土型水稻土高,乌栅土型水稻土的Y₀/Nr（Y₀为无肥区产量,Nr为施氮量）更高,供氮与施氮更加协调。2018年黑土型水稻土的RE_N（氮肥吸收利用率）和PE_N（氮肥生理利用率）均显著高于乌栅土型水稻土,2019年土壤类型对RE_N和PE_N无显著影响。【结论】土壤差异不是南北方稻田氮效率差异的决定性因素,氮效率差异是土壤、气候和品种等因素共同作用的结果。相对于黑土型水稻土而言,前期养分供应能力强的乌栅土型水稻土应减施基、蘖肥,适当增施穗肥,以保证后期供氮促进水稻高产。     

不同厚度秸秆隔层对河套灌区盐碱土壤温度、水分和食葵产量的影响

【目的】研究不同厚度秸秆隔层对盐碱地食葵农田土壤温度、水分动态变化及产量的影响,为河套灌区筛选适宜盐碱地食葵生长的合理厚度秸秆隔层措施提供依据。【方法】2015—2017年在内蒙古河套地区典型盐碱农田设置了4个不同厚度的秸秆隔层,分别为CK（无秸秆隔层）、S3（厚度3 cm秸秆隔层）、S5（厚度5 cm秸秆隔层）和S7（厚度7 cm秸秆隔层）,研究不同厚度秸秆隔层对食葵生育期土壤温度、水分动态变化特征和食葵产量的影响。【结果】秸秆隔层处理（S3、S5和S7）显著提高了食葵全生育期0—40 cm土层温度,其中2015—2017年在食葵苗期分别较CK处理显著增加了0.7、0.6、0.5℃（P<0.05）,但其增温幅度随秸秆埋设时长的增加逐渐减小,花期秸秆隔层处理间差异显著,其中S5、S7处理3年平均分别较CK处理提高了0.4、0.6℃（P<0.05）;40—50 cm土层的秸秆隔层处理在食葵苗期、蕾期表现出增温趋势,在生长后期表现出降温趋势。不同处理下向日葵全生育期土壤温度整体上均随土层加深而降低,且土壤温度和大气温度间均具有极显著的正相关关系,3年内R²值的分布范围为0.628—0.735,秸秆隔层处理增强了土壤温度对大气温度的敏感程度,且土壤温度对大气温度的响应随秸秆埋设时长的增加而减弱。不同秸秆隔层处理与不同灌水时期间交互作用对土壤含水量有显著影响（P<0.05）,秸秆隔层处理能够降低灌溉前、收获后0—40 cm土层平均土壤含水量,其中S7处理降幅最大,3年平均分别较CK处理降低了7.9%、5.4%（P<0.05）;但在灌溉后S3、S5和S7处理平均土壤含水量3年分别较CK处理提高了2.3%、3.4%、3.6%（P<0.05）。秸秆隔层处理能够促进食葵生长,增加食葵产量,提高灌溉水生产率和水分利用效率,其中以5、7 cm厚度秸秆隔层处理增幅最大,但两处理间无显著差异（P>0.05）。【结论】不同厚度秸秆隔层均能够提高食葵生育期0—40 cm土层温度,温度增幅随秸秆埋设时长的增加而减小,在花期各处理间差异较显著,并且秸秆隔层处理能够提高灌后0—40 cm土层平均土壤含水量,为食葵提供适宜的生长环境,综合考虑3年土壤温度、作物水分利用效率等,5 cm厚度秸秆隔层处理最适宜在内蒙古河套灌区推广应用。     

地膜覆盖麦田土壤有机碳矿化特征及其温度敏感性

【目的】明确旱地土壤有机碳矿化对地膜长期覆盖的响应及有机碳矿化的温度敏感性,进而深入理解土壤有机碳的转化与稳定机制,为旱地土壤培肥和作物增产提供理论支撑。【方法】在黄土高原东南部2012年开始的旱地小麦田间地膜覆盖试验的基础上,采集不同覆盖栽培模式（常规施肥（不覆膜）、测控施肥（不覆膜）、垄膜沟播（覆膜）、平膜穴播（覆膜））试验的0—20 cm土层土壤样品,采用不同温度（15、25和35℃）进行室内有机碳矿化培养实验。在培养后的第1、3、5、7、14、21、28、35和42天运用碱液吸收法测定土壤有机碳矿化速率,结合双库指数模型拟合土壤活性和惰性有机碳库的容量及其分解速率,研究地膜覆盖对土壤有机碳矿化特征的影响及有机碳矿化对温度变化的响应规律。【结果】温度升高显著提高了土壤有机碳矿化速率、累积矿化量和惰性有机碳库（Cs）的矿化量,但是显著降低了温度敏感性系数（Q₁₀）和活化能（Ea）。25℃和35℃时土壤有机碳矿化速率和累积矿化量均无显著差异,分别为15℃时的2倍,Cs的矿化量分别较15℃时提高了93.4%和105.3%。但是Q₁₀（25-35℃）比Q₁₀（15-25℃）降低了19.3%,Ea（25-35℃）比Ea（15-25℃）同步降低了68.0%。地膜覆盖显著提高了土壤有机碳累积矿化量、Q₁₀、Ea以及Cs的矿化量。同常规施肥相比,垄膜沟播和平膜穴播均显著提高了土壤有机碳累积矿化量,增幅分别为26.5%—38.6%（25℃）和27.8%—64.4%（35℃）,且以平膜穴播提升幅度最大;平膜穴播处理亦显著提高了Q₁₀和Ea,其中Q₁₀增幅分别为28.5%（15—25℃）和25.8%（25—35℃）,Ea增幅分别为93.4%和193.1%;平膜穴播处理还显著提高了Cs的矿化量,增幅达115.8%—2 208.2%。【结论】黄土高原旱地麦田土壤上地膜覆盖加速了土壤有机碳矿化,尤其是平膜穴播,主要通过增加惰性有机碳库的矿化,进而显著提高了土壤有机碳累积矿化量及其温度敏感性。     

铁改性木本泥炭对镉砷复合污染稻田的修复效果研究

铁改性木本泥炭是一种新型环保有机类土壤调理剂,在稻田镉砷复合污染治理方面具有很大的应用潜力。为研究铁改性木本泥炭对稻田镉砷同步钝化效果的稳定性,在珠三角地区开展了三年的田间定位试验。结果表明:施加铁改性木本泥炭可显著降低稻米镉砷含量,下降率分别达到了41.3% ～ 57.6%和40.1%～55.8%;;可显著促进水稻增产,水稻单季撒施2 250 kg/hm~2铁改性木本泥炭,水稻增产810 ～1 125 kg/hm~2,增产率为14.3% ～18.4%;土壤的有效态镉和有效态砷含量同步降低,下降率分别为25.8% ～ 46.4%和42.6%～ 56.1%。而单施木本泥炭仅对稻米镉的吸收积累表现出较好的抑制作用,单施铁粉仅抑制了稻米砷的积累。此外,施加铁改性木本泥炭后,土壤pH提高了0.33 ～ 0.44个单位,有机质增加了2.1 ～ 3.3 g/kg,阳离子交换能力(CEC)提高了1.0～2.6 cmol/kg。这表明铁改性木本泥炭可以有效改善土壤的理化性质。对比2016—2018三年(六季)铁改性木本泥炭修复稻田镉砷复合污染效果发现,3年间早稻稻米镉砷含量下降率、产量增幅的年际差异均较小,晚稻亦然,表明铁改性木本泥炭可以稳定地抑制稻米镉砷积累、提高稻米产量。     

广东省森林土壤养分异质性析因

  目的  分析不同环境因子对森林土壤养分的影响,探讨造成森林土壤养分异质性的原因,为森林经营和森林立地质量评价提供依据。  方法  基于广东省全国森林资源清查土壤调查数据,以有机质（OM）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）为因变量,以地理因子、地形因子、土壤因子和林分因子四大类20个变量（10个定性因子,10个定量因子）为自变量,基于一般线性模型,采用向后剔除法筛选主效应因子,引入定性和定量因子交互,分析森林土壤养分的影响因子及影响程度。定量因子进行多元线性回归分析,定性因子通过多重比较分析水平间的差异。  结果  （1）对土壤养分影响较大的环境因子包括3个地理因子（经度、纬度和流域）、3个地形因子（海拔、坡位和坡度级）、4个林分因子（林下植被盖度、平均胸径、平均年龄、优势树种）。（2）影响因子对不同土壤养分的解释程度不一。AN的解释程度较高,均在0.30以上;OM和AK的解释程度在0.25以上;AP的解释程度较低,在0.20以上。交互作用显著提高了土壤养分的解释程度,平均增加0.141。其中AN提高到接近0.50,OM和AK分别超过0.45和0.40,最低的AP超过0.30。（3）通过多重比较分析,优势树种、流域、坡位不同土壤养分的不同水平间存在显著性差异。  结论  影响广东省森林土壤异质性的因素包括地理因子、地形因子和林分因子。不同土壤养分的影响因子并不完全相同,纬度、流域、海拔、坡位、成土母岩、平均胸径、平均年龄和优势树种8个因子对大多数土壤养分因子有影响。土壤养分中,OM和AN的解释程度较高,AP和AK的解释程度较低。交互作用显著提高了影响因子对土壤养分的解释程度。本研究提出的含定性因子的主效应筛选方法和引入一阶定性因子和定量因子交互,可以显著提高土壤养分的解释程度,对类似问题的解决有参考价值。      

滇东北铅锌矿区废弃地的自然演替特征研究

为探究矿区废弃地的自然演替特征,于2020年10月对滇东北两铅锌矿区废弃地进行植物群落调查和群落土样采集分析。结果表明:两区均受到较严重的重金属污染,土壤Pb、Mn、Zn、Cu和Cd的含量均超过相关背景值。其中,两区土壤Pb和Zn以及富乐镇矿区土壤Mn和Cd的有效态占比大体上都呈现随演替进行而降低的趋势,富乐镇矿区土壤Cu的有效态占比呈现随演替发生而先增后减的趋势,矿山镇矿区土壤Mn、Cu和Cd的有效态占比在不同演替阶段呈现不规则波动。两区土壤全氮随着演替的发生均呈现先增后减的趋势;两区土壤全磷含量变化趋势不同,矿山镇矿区呈现持续增加,富乐镇矿区则呈现先减后增;两区土壤有机质含量都呈现持续增加的趋势。在矿山镇矿区中,Pb和Zn、Pb和SOM呈极显著正相关性,Pb和TP、Mn和TN、Cd和TN、Zn和SOM、SOM和TN呈显著正相关性,Pb和Cu、Zn和Cu、Cu和SOM、Cu和TP呈显著负相关性。在富乐镇矿区中,Pb和Zn呈极显著正相关性,Zn和Mn、Zn和Cu、Zn和SOM、Pb和TP、SOM和TN呈显著正相关性,Pb和Cu、Zn和Cd、Cu和Cd呈显著负相关性。研究表明,矿区次生演替过程与废弃农田和灾后森林等生境的次生演替过程相似,土壤重金属元素的有效态会随演替发生而降低。研究结果可为矿区废弃地的自然恢复提供参考借鉴。     

黄土高原高寒区不同人工林土壤养分及生态化学计量特征

  目的  通过分析黄土高寒区不同人工林和不同土层的土壤养分和生态化学计量变化,旨在阐明不同人工林土壤养分和化学计量特征,揭示土壤养分和化学计量随土层深度的变化规律。  方法  以青海黄土高寒区退耕的人工林地（包括青海云杉、华北落叶松、青杨、白桦）为研究对象,以自然退耕的草地和农田为对照,测定了6种植被类型在0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm和40 ~ 60 cm土壤层的C、N、P含量及生态化学计量比。  结果  （1）黄土高寒区不同人工林的土壤C、N含量差异显著（P < 0.05）,P含量部分差异显著;人工林地各土层的C、N含量显著高于草地和农田,且青杨林在0 ~ 20 cm表土层的有机碳、全氮含量最高,分别为25.82、2.17 g/kg。（2）黄土高寒区不同人工林的土壤生态化学计量有显著差异（P < 0.05）;0 ~ 60 cm土层中人工林地的C∶N显著低于农田,C∶P和N∶P高于草地和农田（P < 0.05）;青杨在0 ~ 20 cm表土层的生态化学计量比其他人工林类型高,C∶N、C∶P和N∶P分别为11.99、43.27和3.64。（3）相关性分析表明,研究区土壤的有机碳与全氮相关性最紧密（P < 0.01）,全氮与土壤C∶N和N∶P相关性最紧密（P < 0.01）,有机碳与土壤C∶P相关性最紧密（P < 0.01）。说明研究区土壤C、N对不同人工林的响应具有一致性,土壤的C∶N和N∶P主要受全氮的影响,C∶P主要受有机碳的影响。（4）在0 ~ 60 cm土层中,黄土高寒区不同植被类型的土壤C、N、P含量均随土壤深度的增加而降低。研究区土壤的生态化学计量除青杨随土壤深度的增加而下降外,其他退耕植被无显著变化趋势。说明人工林对表层土壤养分的改良效果最好。  结论  不同人工林的土壤养分及生态化学计量有显著差异,且青杨林表层土壤的养分含量和化学计量最高;土壤养分随土壤深度的增加而降低,土壤生态化学计量随土壤深度变化不显著。      

Improvement in winter wheat productivity through regulating PSII photochemistry,photosynthesis and chlorophyll fluorescence under deficit irrigation conditions

Deficit irrigation is critical to global food production, particularly in arid and semi-arid regions with low precipitation. Given water shortage has threatened agricultural sustainability under the dry-land farming system in China, there is an urgent need to develop effective water-saving technologies. We carried out a field study under two cultivation techniques: (1) the ridge and furrow cultivation model (R); and (2) the conventional flat farming model (F), and three simulated precipitation levels (1, 275 mm; 2, 200 mm; 3, 125 mm) with two deficit irrigation levels (150 and 75 mm). We demonstrated that under the ridge furrow (R) model, rainfall harvesting planting under 150 mm deficit irrigation combined with 200 mm simulated precipitation can considerably increase net photosynthesis rate (P_n), quantum yield of PSII (ΦPSII), electron transport rate (ETR), performance index of photosynthetic PSII (F_v/F_m′), and transformation energy potential of PSII (F_v/F_o). In addition, during the jointing, anthesis and grain-filling stages, the grain and biomass yield in the R model are 18.9 and 11.1% higher than those in the flat cultivation model, respectively, primarily due to improved soil water contents. The winter wheat fluorescence parameters were significantly positively associated with the photosynthesis, biomass and wheat production. The result suggests that the R cultivation model with irrigation of 150 mm and simulated precipitation of 200 mm is an effective planting method for enhancing P_n, biomass, wheat production, and chlorophyll fluorescence parameters in dry-land farming areas.