长期施用化肥对农田土壤pH影响的整合分析

运用整合分析方法(meta-analysis)定量研究长期施用化肥对我国农田土壤pH的影响,以评估化学氮肥在土壤酸化中的作用,为合理施肥提供科学依据。通过搜集整理国内40篇已发表文献的数据,建立化肥用量和土壤pH数据库,比较分析长期施用化肥对中国农田土壤pH的整体影响及化肥的有利施用条件。结果表明:在平均施氮量为150 kg/hm~2的条件下,施用化肥可以显著降低土壤pH,降低了10.46%(95%CI,9.04%～11.95%),与不施肥相比,施用化肥使土壤p H在不同利用方式、种植制度和初始p H下均降低。其中,在旱地上降低的幅度比水田高5.82%;在一年一熟作物体系中降低的幅度分别比一年两熟和一年三熟作物体系高3.26%和2.79%;在酸性土壤(pH≤6.5)上降低幅度分别比中性土壤(pH 6.5～7.5)和碱性土壤(pH≥7.5)高3.71%和3.36%。同时,在施肥年限10年或超过20年,农田土壤pH降低的幅度最小,分别为8.37%(95%CI,6.07%～10.62%)和6.68%(95%CI,6.07%～10.62%)。在施氮量为60～120 kg/hm~2的条件下,农田土壤pH降低的幅度最小,为5.48%(95%CI,1.86%～8.96%)。施用化肥可以显著降低农田土壤pH,其中在旱地上降低幅度最大,在施肥量为120～240 kg/hm~2、施肥年限为15～20年、一年一熟和初始pH≤6.5上降低幅度最大。     

用二次曲线拟合表征土壤酸中和能力的研究

以我国7个农田长期(15～29年)施肥试验的历史样品为供试土壤,研究了土壤质子化反应的动力学过程、土壤性质(pH值和SOM)和施肥措施对土壤酸中和能力(ANC)的影响.根据土壤酸滴定曲线,采用二次曲线方程拟合,pH=3.5为参考值,图解法求解土壤ANC.结果表明,土壤质子化过程可视作由质子扩散控制的假二级反应动力学过程:在酸添加后的100 h内,土壤ANC与反应时间的对数值近似线性相关;机械振荡和提高温度可加快土壤质子化反应的进程.土壤ANC在指示土壤酸碱程度上较pH灵敏,但对SOM的变化较土壤酸缓冲容量(ABC)不敏感;土壤ANC受长期施肥措施(施无机氮组＜不施氮肥组≈有机无机氮配施组)的显著影响,影响的程度因各试验点而异.对土壤酸中和能力的研究加深了对农田土壤酸缓冲机制的认识.     

长期施肥下黑土活性有机碳变化特征

观测分析了黑土长期不同施肥30年后不同形态的活性有机碳含量(易氧化有机碳>轻组有机碳>微生物量碳>水溶性有机碳)的变化特征。结果表明,长期施用氮、氮磷和氮磷钾化肥对土壤活性有机碳无显著影响;长期施用有机肥以及有机肥配施化肥均显著提高了土壤活性有机碳含量,与不施有机肥相比,有机肥区组中土壤轻组有机碳和水溶性有机碳含量增幅较大,分别在122%～258%和237%～351%之间,而土壤易氧化有机碳和微生物量碳含量增幅分别在72%～98%和83%～112%。黑土不同形态活性有机碳对施肥的响应灵敏度为,轻组有机碳>水溶性有机碳>微生物量碳≈易氧化有机碳。因此,轻组有机碳是指示土壤有机碳变化的较好指标。     

土壤外源铅的稳定化特征及其对土壤性质的响应

为探明土壤理化性质对外源铅（Pb）稳定化过程的影响,选取11种理化性质差异较大的土壤样品,分别加入500mg·kg-1Pb和500mg·kg-1Pb＋1.0mg·kg-1镉（Cd）后进行360d的室内培养,利用5个动力学模型对Pb稳定化过程进行模拟,并进一步分析了有效Pb变化的特征及其关键影响因素。结果表明,在Pb单一和Pb-Cd复合污染下,所有土壤有效Pb浓度在初始的15d内都迅速下降,随后变化减缓,60d后基本达到平衡。外源Cd对Pb浓度变化的影响非常小。5个动力学模型中以二级动力学方程模拟结果最好,所得的稳定化平衡浓度Ce2和表观速率常数k2能够较好地表征Pb的衰减和稳定过程。相关和逐步回归分析表明,提高土壤pH、阳离子交换量和有机质含量能够显著加快Pb的稳定化速率、降低Pb的平衡浓度,并以pH对Pb稳定化速率和平衡浓度的直接影响最大。     

长期不同施肥下黑土与灰漠土有机碳储量的变化

采用长期试验,研究了20年不同施肥下1 m深黑土与灰漠土有机碳含量与碳储量的剖面变化。结果表明,单施化肥和不施肥对黑土1 m土层有机碳储量没有显著影响,但灰漠土略有降低。有机肥配施化肥能显著提高土壤有机碳含量和储量。高量有机肥配施化肥（NPKM2）能提高020 cm和2040 cm土层土壤有机碳含量,黑土分别提高56.6%和49.6%、灰漠土提高143.1%和46.9%;常量有机无机配施（NPKM）效果较差,增幅分别为黑土35.1%和35.3%,灰漠土80.2%和4.1%。两种土壤1 m土体的有机碳储量,NPKM2处理分别提高了C 30.7 t/hm2与C 40.6 t/hm2。显然,有机无机肥配施可以显著提高1 m深土体中有机碳储量,主要是由于提高了040 cm土层土壤有机碳含量。     

长期施用有机肥潮土细菌的多样性及功能预测

  【目的】  细菌作为土壤中最多的微生物物种,其多样性是土壤质量和土壤健康的标志。施肥不仅为土壤细菌提供了矿质养分,也为细菌提供了不同的碳源。探究长期不同施肥下潮土细菌的多样性及其功能,对于深入理解土壤养分转化的微生物驱动过程及优化施肥管理措施具有重要意义。  【方法】  选取潮土上连续37年不施肥(CK)、单施化学氮肥(N)、单施有机肥(M)、有机肥和化学氮肥配施(MN) 的4个处理,采用高通量测序方法分析土壤细菌丰度(16S rRNA基因拷贝数)、α多样性和β多样性,采用FAPROTAX功能预测的方法分析主要功能种群的丰度在处理间的差异,采用Mantel 检验分析细菌多样性等与产量、土壤养分含量间的相关关系。  【结果】  长期施用有机肥显著提高了土壤细菌丰度,MN和M处理下土壤中的16S rRNA基因拷贝数分别是CK和N处理平均值的11.8和10.7倍(P< 0.05)。土壤细菌多样性指数(Shannon index)和丰富度指数(Chao1 index)均在M处理下最高。潮土中变形菌门、酸杆菌门和放线菌门为优势菌门。与CK相比,施肥处理均提高了潮土拟杆菌门、厚壁菌门和疣微菌门的相对丰度。与N处理相比,MN处理显著提高了潮土变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门的丰度,降低了酸杆菌门的丰度。潮土细菌生态功能以化能异养、有氧化能异养、发酵作用、硝化作用和硝酸盐还原为主,相应种群丰度均在1%以上。MN处理下化能异养功能细菌的丰度较其他处理显著提高2.2%～4.2%。MN和M处理中起发酵作用的种群相对丰度是其他处理的3倍以上。与CK 相比,3个施肥处理均显著增加了光异作用和光异养作用功能种群的相对丰度。土壤细菌β多样性和功能结构均与土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、硝态氮(NO₃?-N)含量及作物产量呈显著(P < 0.05)或极显著(P < 0.01)相关。  【结论】  长期施用有机肥提高了潮土中细菌的数量和多样性,提高了土壤中变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门的丰度,降低了酸杆菌门的丰度。有机肥和化肥配施处理中化能异养型细菌丰度较高,可能是施用有机肥后优化土壤养分循环和响应作物产量提高的主要菌群,今后可进一步深入研究其菌群组成和功能调控。     

脲酶/硝化抑制剂双控下红壤性水稻土氮素变化特征

以红壤性水稻土为对象,设置大田试验处理:不施肥(CK)、单施氮肥(U)、氮肥配施0. 5%脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)与1%硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)(U+N/D)、氮肥配施1%NBPT与2%DMPP [U+2 (N/D)],研究4种施肥组合下双季稻土壤脲酶、土壤NH+4-N、田面水NH+4-N和NO-3-N的变化特征。结果表明,与CK和U处理相比,各施肥处理在施肥后第1～15 d,土壤脲酶活性、土壤NH+4-N、田面水NH+4-N含量增加,田面水NO-3-N含量无显著变化。与U+2 (N/D)处理相比,早稻中U+N/D处理的脲酶活性显著增加了0. 03～0. 70 mg·g-1,土壤NH+4-N含量显著增加了19. 11～61. 44 mg·kg-1,田面水NH+4-N含量显著增加了34. 48～40. 70 mg·L-1。相关分析表明,土壤NH+4-N与土壤脲酶、田面水NH+4-N均呈显著负相关,田面水NH+4-N与土壤脲酶、田面水NO-3-N均呈显著正相关(P 0. 05)。综上,与其他处理相比,U+N/D处理是在短期内有效提高土壤脲酶活性、土壤NH+4-N和田面水NH+4-N含量的最优处理,合理配施尿素及0. 5%脲酶抑制剂NBPT和1%硝化抑制剂DMPP能够显著提高NH+4-N供水稻吸收,减少氮素损失。     

长期施肥下黑土不同团聚体氮组分的植物有效性差异

【目的】 土壤团聚体组分形成机制不同,其所含有的氮的转化和有效性也不同。阐明不同团聚体中氮素有效性差异,可为科学施肥、培育高效的土壤结构、提高氮肥利用率提供重要的理论依据。 【方法】 依托吉林黑土长期定位试验,于2014年进行了室内土壤培养试验和黑麦草盆栽试验。供试土壤选择的定位试验处理包括不施肥 (CK)、氮磷钾 (NPK)、氮磷钾 + 秸秆 (NPKS)、氮磷钾 + 农家肥 (NPKM)。采集1000 g土样于2 L塑料瓶内,加入15N丰度为20.12%的尿素0.247 g,置于25℃培养箱中恒温控湿培养40天。培养完成后将土样风干,将有机物分为粗游离颗粒有机物 (cfPOM,> 250 μm)、微团聚体有机物 (iPOM,53～250 μm) 和矿物结合有机物 (MOM,< 53 μm),矿物结合有机物又进一步分为团聚体内矿物结合有机物 (MOMi) 和团聚体外矿物结合有机物 (MOMo),分析了不同团聚体组分中15N的固持量。称取各粒级土壤样品40 g,分别与20 g细石英砂混匀,于80 mL小塑料盆中,每盆黑麦草定苗7株于温室内培养,20天时加入适量磷、钾营养液。培养30天后,分别采集黑麦草地上部和根系,烘干、称重、研磨,测定养分含量及15N丰度。 【结果】 在NPK处理和NPKM处理的土壤中,植株生物量分别在MOMo和cfPOM下最高,分别为每盆100.2 mg和99.8 mg。黑麦草尿素氮含量在MOMo的NPK处理最大,在其他三个组分均表现为CK > NPK > NPKS > NPKM,其中cfPOM组分氮固持量与黑麦草氮含量表现一致;黑麦草吸收的氮素主要来自cfPOM和MOMo组分中 (0.1～0.21 mg/pot),在其他组分下不足0.05 mg/pot;cfPOM、iPOM、MOMi和MOMo中的氮素利用率分别为14.1%～19.3%、5.5%～15.4%、3.1%～4.9%和12.7%～23.6%,在NPKM处理下,以cfPOM组分中最高,为19.3%,在NPK处理下以MOMo组分最高,为23.6%。 【结论】 施用有机肥可促进外源氮肥保存在粗游离颗粒中,其固持的氮有效性最高,有利于后季养分的供应。单施化肥处理团聚体外部矿物结合有机物中固持氮的有效性最高;团聚体内部矿物结合有机物组分虽固持氮含量较高,但氮有效性很低。      

施肥对中国农田土壤微生物群落结构与酶活性影响的整合分析

【目的】 施肥能直接或间接改变农田生态系统的养分平衡,从而影响土壤的物理、化学和生物学特性。本研究探讨不同种植制度和土壤条件下施肥对农田土壤生物学特性的影响程度,为合理施肥和土壤肥力提升提供科学依据。 【方法】 通过收集近10年 (2008—2018年) 来发表的文献,建立了包含185组微生物量及群落结构等相关内容的数据库。采用整合分析方法(Meta-analysis),定量分析了施肥对土壤微生物量、群落结构以及酶活性的影响。 【结果】 与不施肥相比,施肥显著提高了土壤微生物磷脂脂肪酸 (PLFA) 和微生物量碳、氮含量,提高幅度分别为28.5%、30.9%和41.6%。施用 (单施或配施) 有机物料对土壤微生物总PLFA含量及微生物量碳、氮含量的提高幅度分别为47.3%、50.4%和58.7%,相当于施用化肥的2.8、2.4和3.9倍。与不施肥相比,施肥均能增加各类微生物菌群PLFA含量,对细菌、真菌及放线菌的提高幅度为23.8%～30.4%,对革兰氏阴性菌(G–)和革兰氏阳性菌 (G+) 的提高幅度为37.8%～43.2%,且施用有机物料处理对各类微生物菌群PLFA含量的提高幅度显著高于施化肥处理。施用化肥对土壤微生物总PLFA含量的提高幅度在一年两熟制区为17.9%,在水田和水旱轮作条件下为18.3%～27.6%,而在一年一熟制区及旱地条件下对土壤微生物总PLFA含量无显著影响。在不同pH的土壤中,施用有机物料对微生物总PLFA的提高幅度均显著高于施化肥处理。在pH < 6与pH > 8的土壤上施用化肥对微生物总PLFA含量无明显影响。施肥显著提高了与土壤有机质分解相关的β-葡萄糖苷酶(42.4%)和乙酰氨基葡萄糖苷酶(174.5%)的活性,对与氮循环相关的亮氨酸氨基肽酶活性无显著影响。统计分析还表明,施肥并未改变土壤微生物的真菌细菌比(F∶B)和革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌比(G +∶G–)。 【结论】 在不同种植制度、土地利用类型和土壤pH下,施肥显著改变了土壤微生物量和与有机质分解相关的酶活性,但未改变土壤微生物的真菌细菌比(F∶B)和革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌比(G+∶G–)。单施或配施有机物料均有利于提高农田土壤微生物总量及各类菌群的生物量,效果显著好于单施化肥。      

长期不同施肥模式下南方典型农田磷肥回收率变化

【目的】 通过比较南方典型农田不同土壤类型、不同施肥模式下的土壤供磷能力、磷肥回收率,揭示长期施肥下磷肥回收率时空变化特征,为区域内磷肥的合理施用提供科学依据。 【方法】 基于重庆北碚紫色土 (始于1991)、湖南望城 (始于1981) 和江西进贤 (始于1981) 红壤性水稻土长期施肥定位试验。选取不施肥 (CK)、单施稻草、厩肥 (M)、施化学氮钾肥 (NK)、施化学氮钾肥+猪粪 (NKM)、施化学氮磷肥 (NP)、施化学氮磷钾肥 (NPK)、施氮磷钾肥+厩肥、猪粪 (NPKM) 或稻草 (NPKS) 等不同施肥处理,分析长期不同施肥下作物吸磷量、磷肥回收率和磷肥累积回收率的动态变化,探讨不同施肥下作物磷肥回收率的变化特征。 【结果】 长期不施磷肥,土壤自然供磷量显著下降,北碚紫色土 (21年)、望城 (23年) 和进贤 (27年) 红壤性水稻土的年下降速率分别为0.60、0.48和0.63 kg/hm2。各试验点不同处理作物历年平均吸磷量的大小顺序为NPK、NPKS和NPKM > NP、NKM > CK或NK ( P < 0.05)。NPK配施猪粪,与配施厩肥或秸秆配施相比较,其作物吸磷量更高。3个试验点磷肥回收率随着施肥年限增加而提高。NPK处理磷肥回收率每年增加0.15%～1.94%, NPKM和NPKS处理磷肥回收率每年增加0.07%～1.60%。NPK处理磷肥累积回收率在37.8%～61.5%之间,NPKM和NPKS处理,其磷肥累积回收率较NPK处理降低了3.0%～34.3%。 【结论】 土壤的磷素自然供给量随作物种植年限增加而显著下降。磷肥的施用能够显著提高作物的吸磷量,NPK平衡施用的吸磷量显著高于化肥偏施;氮肥投入量每增加100 kg/hm2,作物吸磷量增加5 kg/hm2。各试验点磷肥回收率随施肥年限的增加而提高。NPK配施有机肥相比较NPK,降低了磷肥的累积回收率。磷肥施用量每增加 P 10 kg /hm2,磷肥回收率下降约0.9%。NPK与猪粪配合施用的情况下,可以考虑通过适当提高化学氮肥用量、减少化学磷肥投入的措施,从而提高磷肥回收率。