土壤氮素内循环对生态覆被变化响应的研究进展

随着人口增长对粮食需求的不断提高,人类对自然生态系统扰动频繁,生态覆被/土地利用变化伴随着土壤活性氮库、氮形态组分及氮素内循环过程的改变,直接影响生态系统的持续与稳定,进而引起全球气候变暖,生物多样性减少等诸多生态环境问题。生态覆被/土地利用变化是全球生态系统变化的重要内容。本综述探讨了活性氮的基本概念及其引发的环境效应,国内外自然生态系统中森林与草地间转换、自然生态系统开垦为农田、弃耕撂荒或退耕还林还草、城市化发展等生态覆被/土地利用变化对土壤氮库消长、氮矿化产物形态变化以及影响氮循环的关键土壤微生物影响等,并探讨了制约氮循环的土壤微生物研究进展。指出农业开垦或农田弃耕撂荒会导致土壤全氮大幅度下降,同时引起土壤硝态氮(NO3--N)增加,造成环境活性氮增加的风险;退耕还林修复生态覆被过程中氮库完全恢复需要漫长的时间;运用现代微生物分子生态学的前沿技术是研究土壤氮循环对生态覆被/土地利用变化响应机理的关键。本综述为自然生态系统的保护与开发利用、退化生态系统的修复与重建以及人工生态系统的科学规划等提供了理论依据。     

播期对直播水稻产量、花后各器官干物质和氮素积累及转运的影响

为探究播期对直播水稻产量、花后干物质和氮素积累与转运的影响,以水稻品种白粳1号、长白9号和龙粳31号为供试材料,设置3个播期（SD1、SD2和SD3）,比较不同播期条件下3个品种的产量、抽穗期和成熟期各器官干物质及氮素积累与转运特点。3个品种抽穗期和成熟期各器官干物质及氮素积累量、抽穗至成熟期各器官干物质及氮素转运量和产量均表现为SD2>SD3>SD1。相关分析表明,产量与成熟期穗干物质及氮素积累量呈显著正相关,与叶片干物质和氮素转运量呈显著正相关。在本试验条件下,播期的推迟提高了3个品种有效穗数及结实率,进而提高了产量,同时促进了各器官物质转运量与转运率的提高。各品种SD2处理的产量及花后干物质、氮素积累量最高,SD2为适宜播期。     

苗期调控对晚播小麦产量及氮素利用的影响

针对冬小麦因播期推迟造成产量损失的问题,以2个不同分蘖能力的冬小麦品种中麦8号和航麦501为供试材料,研究苗期覆膜和补施氮肥对晚播小麦产量及氮素利用的影响。试验设置3个播期：10月5日适期播种（S0,对照）、10月15日适当晚播（S1）和10月25日过晚播（S2）。结果表明：随着播期推迟,小麦产量逐渐降低。晚播条件下,苗期覆膜和补施氮肥可调控冬小麦产量构成因素、农艺性状、茎蘖生长、成穗率以及氮素的吸收利用。综合而言,晚播条件下,覆膜和补施氮肥有利于提高小麦穗长、总小穗数及冬前群体数量;同时,覆膜可显著提高2个品种晚播条件下的分蘖成穗率和过晚播条件下的植株氮素积累量（PNA）及氮肥偏生产力（PFP）,增幅分别为46.4%~89.1%、12.7%~26.5%和19.5%~20.1%;补施氮肥在过晚播条件下有利于成穗率的提高,增幅为18.5%~34.7%。2种调控措施均有利于增加晚播小麦产量,增幅达1.4%~19.5%。但不同分蘖力的小麦对2种调控措施的响应存在差异。综合考虑产量及氮素利用等各方面因素,在晚播条件下,相比于补施氮肥,苗期覆膜更有利于提高晚播小麦产量,弥补晚播造成的产量损失,但在实际操作和节约生产成本方面,前者优于后者。     

氮肥减施对京科968与郑单958氮效率及产量的影响

以郑单958与京科968为材料,在减施氮肥(正常施氮量210 kg/hm~2)14.3%~28.6%水平下,比较玉米品种氮效率与产量。结果表明,施氮肥150~180 kg/hm2,郑单958产量下降2.39%~4.03%,京科968产量下降1.67%~2.99%。随着施氮量减少,氮肥偏生产力、氮肥利用效率,氮肥农学利用效率升高,氮肥表观利用效率、100 kg子粒需氮量降低,氮收获指数保持基本稳定。适度减施氮肥,可有效提高玉米生产效率。施氮处理下不同器官的氮转运率与对子粒的氮贡献率高于不施氮处理,不同器官的氮转运率顺序为穗轴叶片苞叶叶鞘茎秆;对子粒的氮贡献率表现为叶片茎秆穗轴叶鞘苞叶。京科968氮收获指数、氮肥偏生产力、氮肥表观利用效率均优于郑单958,氮肥农学利用效率、氮肥利用效率与子粒吸氮量与郑单958相当。京科968氮吸收效率优于郑单958,具备较好的耐低氮特性。     

华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究

本文总结了25年来针对华北平原小麦-玉米两熟系统,农田的碳循环对气候变化(温度升高)和管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式等)响应机制的研究成果。自2001年起我们在中国科学院栾城农业生态系统试验站建立了3个长期定位碳循环试验:耕作试验、有机循环试验和增温试验,并完善了4种农田碳过程监测方法体系:隔离罐-碱液吸收CO_2法、静态箱-气相色谱法、涡度相关技术和浓度梯度法。量化了华北平原小麦-玉米两熟系统碳输入-输出的平衡,并对华北平原施氮农田土壤碳截留进行了再评价,指出秸秆还田下高水高肥的精细管理农田正在以77 g(C)·m~(-2)·a~(-1)的速度丢失碳;此外长期氮施入虽然显著增加0~100 cm土体的土壤有机碳含量,但同时会造成0~60 cm土体土壤无机碳含量显著降低。我们在对碳过程环境效应的研究中进一步指出:增温和施氮均会降低CH4汇强度,但对土壤呼吸无显著影响,这可能主要是由于试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的部分影响和土壤呼吸对土壤温度升高的适应性造成的。我们对剖面土壤气体的研究表明施氮对剖面CH4和CO_2均无显著影响。进一步将静态箱法和浓度梯度法相结合的研究结果表明0~40cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO_2产生和CH4吸收的主要发生层。     

不同产量类型小麦品种的干物质和氮素积累转运特征

为筛选氮高效且高产的小麦品种,于2016-2017年综合运用籽粒产量和氮素收获指数2项指标将河南省38个主推小麦品种划分为4种类型(高产高效型、高产低效型、低产高效型和低产低效型),分析比较不同类型小麦品种的产量构成因子、干物质积累和氮素的吸收转运特征。结果表明,高产水平下,氮高效品种的单位面积穗数显著高于氮低效品种,穗粒数都显著低于氮低效品种;低产水平下,氮高效品种的单位面积穗数和穗粒数与氮低效品种的差异均未达到显著水平。高产小麦品种花前干物质积累速率较低产(效)小麦高24.8%,花后干物质的转移量和转运效率最大,分别是低产低效型小麦的2.1倍和1.6倍。高产水平下,氮高效品种的干物质转移量较氮低效品种增加16.2%,但在干物质转移效率上与不同氮效率品种差异不显著;低产水平下,氮高效品种的氮素转移效率是氮低效品种的1.1倍。高产型小麦品种的氮素积累量显著高于低产型小麦品种,小麦花后氮素积累速率最高,在该时期,同等产量水平下,HYHE型小麦氮素积累量速率较HYLE型高28.8%,LYHE型小麦的氮素积累速率较LYLE型高66.0%,且花后氮素积累速率与氮素收获指数呈显著正相关。较高的花前干物质转移量和氮素积累量是小麦高产的基础,相同产量水平下,氮高效小麦品种的干物质转移量和氮素积累速率显著高于氮低效品种。     

亚热带农业小流域水体氮素及其稳定同位素分布特征

为控制流域氮素养分流失、改善流域水体环境,以亚热带典型农业小流域脱甲河为研究对象,对表层水体铵态氮(NH_4~+-N)、硝态氮(NO_3--N)浓度和水体硝态氮δ~(15)N(δ~(15)N-NO_3-)、沉积物有机质δ~(15)N(δ~(15)N-Org)浓度进行了连续试验观测,分析氮素浓度及其稳定同位素值的时空特征,探讨影响氮素分布的环境因子及水体NO_3-和沉积物有机质氮素的可能来源。结果表明:水体NO_3--N浓度明显高于NH_4~+-N,均值分别为1.62 mg·L~(-1)和0.90mg·L~(-1),并且分别在6月、8月及冬季较高;城镇区和农田区水体NH_4~+-N浓度与其他类型区差异显著(P0.05),并且显著高于其他水体;NO_3--N浓度在城镇区、农田区及山间林地区较高,水库区较低。支流NH_4~+-N浓度高于干流,均表现为冬季春季夏季秋季;干流、支流NO_3--N浓度分别表现为冬季夏季秋季春季、秋季冬季夏季春季。源头和出口处水体均表现为NO_3--N浓度高于NH_4~+-N,源头处氮素浓度低于出口处。水体δ~(15)N-NO_3-及底泥δ~(15)N-Org值分布范围分别为-19.87‰~8.11‰和-0.69‰~6.51‰,水体δ~(15)N-NO_3-最高值在Ⅲ级河段,最低值出现于Ⅳ级河段,各级河段间水体δ~(15)N-NO_3-11月差异较小,而1、2月差异明显;河流底泥δ~(15)N-Org最高值也位于Ⅲ级河段,而最低值则在Ⅰ级河段,Ⅲ、Ⅳ级河段δ~(15)N-Org值随时间变化趋势较为一致,Ⅰ、Ⅱ级河段δ~(15)N-Org最小值出现于1月。总之,脱甲河水体存在氮素污染现象且以外源输入为主,水体氮素来源主要为土壤有机质、人工合成肥料及陆源有机质,开展流域氮素分布及来源研究对认识流域尺度氮污染物的源解析具有一定科学意义。     

密度与肥料运筹对迟播小麦产量和茎秆抗倒能力的影响

为给迟播小麦抗逆高产栽培提供参考，以扬麦23为材料，通过三因素裂区试验，设置2个密度水平（210×10⁴和270×10⁴株·hm^-2）、3个施氮水平(180、225和270 kg·hm^-2)和2个氮肥运筹比例（基肥∶壮蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥分别为4∶2∶1∶3和6∶0∶2∶2），研究了密度、氮肥用量及运筹比例对小麦产量、茎秆形态特性、化学成分以及抗倒能力的影响。结果表明，高密度（270×10⁴株·hm^-2）处理的平均产量高于低密度（210×10⁴株·hm^-2）处理，平均增产2.7%；低密度条件下，随施氮量的增加，产量上升，而高密度条件下则先增后降。增加播种密度会增加茎秆基部节间长度和株高，降低茎秆基部节间单位长度干重以及木质素含量，从而影响小麦的抗倒性能。减少氮肥施用量、基肥施用量和控制拔节期施肥比例均能够有效降低株高及茎秆基部节间长度，增加茎秆基部节间充实度，增强木质素合成关键酶活性，提高基部第二节间木质素的含量，从而提升小麦抗倒能力。因此迟播小麦采用270×10⁴株·hm^-2密度、225 kg·hm^-2施氮量、4∶2∶1∶3氮运筹比例有利于控制倒伏，同时获得较高的产量。     

Rapid Estimation of Potentially Mineralizable N in Early Spring Following Fall Biosolids Applications to Winter Wheat

The amount of potentially mineralizable nitrogen (PMN) in early spring is critical to winter wheat production because maximum nitrogen (N) uptake begins then. We evaluated the Haney-Brinton CO₂-burst method for quantifying PMN in early spring from biosolids fall-applied to soft red winter wheat (Triticum aestivum L.). Anaerobically digested and lime stabilized biosolids were fall-applied at 0, 50 and 100 kg PAN ha^?1 at six locations in the Virginia Coastal Plain in 2013. The Haney-Brinton CO₂-burst method did not provide an accurate estimation of spring PAN for biosolids applied in the fall for no-till winter wheat. The sum of preplant soil inorganic N and PMN of the unamended soil was better related to grain yield than PMN alone. The Haney-Brinton CO₂-burst method is inadequate for use in no-till management but may provide an accurate mid-season estimate of winter wheat yield potential when used in combination with pre-plant soil inorganic N.