长期保护性耕作对土壤有机碳和玉米产量及水分利用的影响

【目的】通过研究保护性耕作对旱地春玉米土壤有机碳(SOC)、产量及水分利用的影响,分析保护性耕作的增产机制,为旱作农田耕作技术应用提供理论和技术支持。【方法】采用2003~2013年连续11年的田间定位试验,设传统耕作(CT)、少耕(RT)和免耕(NT)3种耕作措施,分析土壤0-20 cm和20-40 cm土层有机碳含量、土壤0-20 cm含水量、作物耗水量、玉米产量和水分利用效率的年际变化和耕作处理间的差异,并对玉米产量与影响因素的相关性进行分析。【结果】1)保护性耕作能有效提高土壤有机碳含量,少耕、免耕处理0-20 cm土层有机碳含量11年平均值较传统耕作分别提高了11.2%和3.4%;至2013年少耕、免耕20-40 cm土层有机碳含量分别较传统耕作增加了5.53和3.29 g/kg;土壤0-20 cm有机碳储量净增加速率分别为C 0.365和0.754t/(hm2·a)。2)保护性耕作具有明显的增产效果,少耕产量最高,增产效果最好2003~2013年均产量为5.83t/hm~2,较传统耕作提高了14.7%;免耕次之,年均产量为5.39 t/hm~2,较传统耕作增产6.1%。3)各耕作处理玉米产量与土壤0-20 cm土层含水量之间存在显著的二次方程关系,与作物耗水量之间具有显著的乘幂方程关系。4)保护性耕作可以增加土壤水分减少玉米生育期内的耗水量,提高水分利用效率,其中免耕土壤0-20 cm土层水分含量最高2003-2013年平均含水量为15.2%,较传统耕作和少耕提高了1.90和1.66个百分点,且生育期耗水量最少2003~2013年均耗水量为403.5 mm,较传统耕作和少耕减少了16.1 mm和7.6 mm;少耕、免耕的水分利用效率较传统耕作分别提高了16.1%和10.2%,降水利用效率较传统耕作提高13.9%和5.8%。【结论】长期保护性耕作可以有效地提高土壤有机碳含量、增加土壤水分、减少作物耗水量,从而显著提高了玉米产量和水分利用效率,3种耕作措施中以少耕效果最好,免耕次之在旱作农田推广少、免耕保护性耕作措施是一种增产、节水的有效途径。     

微喷水肥一体化氮肥后移对夏玉米氮素吸收及籽粒产量品质的影响

为了探明晋南地区冬小麦-夏玉米轮作区适宜的节水减氮管理模式,采用田间试验,研究分析了5个水氮组合模式对夏玉米氮素积累特征、籽粒产量、品质和氮肥利用率的影响。结果表明,与大水漫灌、传统撒施肥料(CK)相比,微喷水肥一体化处理的夏玉米籽粒产量提高12.05%～45.4%,其中以微喷灌4次(出苗水+小喇叭口水+大喇叭口水+抽雄水),施纯氮227.5 kg/hm2,氮肥后移、追氮2次处理(WN3)的籽粒产量和蛋白质含量最高,籽粒氮素积累量、总氮素积累量分别较施纯氮227.5 kg/hm2,追氮1次处理(WN2)提高6.8%、14.26%,且与微喷灌、施纯氮300 kg/hm2(WN1)和WN2相比,WN3处理的氮肥利用率分别提高41.81%、23.14%,氮肥农学利用效率分别提高47.45%、49.01%。综上所述,晋南冬小麦-夏玉米一年两熟区,采用微喷水肥一体化可替代漫灌实现节水减氮高产栽培,推荐微喷灌溉4次、氮肥后移处理(基肥45.5 kg/hm2+小喇叭口期追肥136.5 kg/hm2+抽雄期追肥45.5 kg/hm2)作为晋南地区夏玉米灌水施氮适宜的运筹方式,该模式相比CK减少灌水量50%、减施氮肥24.16%,提高氮肥利用效率的效果最好,实现了节水减氮的效果。     

不同施肥制度下中国东部典型土壤易分解与耐分解氮的组分特征

【目的】土壤易分解氮（labile nitrogen,Lab-N）和耐分解氮（recalcitrant nitrogen,Rec-N）是土壤氮库的两个重要组分,其组分含量与比例可反映土壤有机氮周转与固存特性。因此,研究土壤长期不同施肥制度下易分解氮与耐分解氮的含量及比例特性,是土壤氮库管理与土壤肥力质量建设的重要研究内容。【方法】利用中国东部3种旱作土样（吉林公主岭黑土、河南郑州潮土、湖南祁阳红壤）和1种水稻土土样（湖南望城）,运用颗粒密度分组法,研究长期不施肥（CK）、施化肥（NPK）、化肥配施秸秆（NPKS）和化肥配施有机肥（NPKM）4种不同施肥制度下易分解氮和耐分解氮的含量及比例变化特征。【结果】旱作土壤易分解氮的平均含量为0.15 g·kg^-1（0.10-0.29 g·kg^-1）低于水田的0.22 g·kg^-1（0.20-0.23 g·kg^-1）,而其占全氮的比例高于水田。经23年处理后,旱作土壤CK处理全氮含量较试验初期氮含量显著下降,下降的比例为7.5%-9.7%,水稻土则显著上升,升高的比例为11.5%;长期NPK处理,旱作土壤和水田全氮含量较CK显著增加,红壤易分解氮含量较CK易分解氮显著下降,其他地点无显著变化;长期NPKS处理,旱作和水田土壤全氮含量显著增加,黑土和水稻土易分解氮含量及其占全氮的比例较CK无显著变化,红壤易分解氮含量显著下降,而潮土易分解氮含量显著增加;长期NPKM处理,显著提高了旱作土壤全氮含量、易分解氮含量及易分解氮占全氮的比例,其中黑土增加的比例最大分别为85.0%、106.0%和4.2%,水稻土易分解氮含量及其占全氮的比例无显著差异性。4种土壤耐分解氮的含量与全氮含量的变化趋势一致,均表现为NPKM＞NPKS＞NPK＞CK,其中NPKM处理降低了耐分解氮占全氮的比例。【结论】旱作土壤易分解氮含量及其占全氮的比例对不同施肥处理的响应比水田更加敏感。化肥配施有机肥处理显著提高了旱作土壤全氮含量、易分解氮含量及其占全氮的比例,效果优于秸秆还田,更优于化肥处理。     

15年保护性耕作对黄土坡耕地区土壤及团聚体固碳效应的影响

【目的】保护性耕作是提高土壤有机碳（SOC）含量、促进土壤团聚体形成的重要措施。论文旨在揭示保护性耕作对土壤表层（0-10 cm）有机碳含量及储量的影响,探讨不同级别团聚体的固碳特征,为阐明土壤固碳机理和筛选黄土坡耕地区农田土壤增碳耕作措施提供理论依据。【方法】长期试验位于黄土高原坡耕地区,开始于1999年,共设4个处理：少耕（RT）、免耕覆盖（NT）、深松覆盖（SM）和传统翻耕（CT）。利用15年长期试验的作物产量和0-10 cm 土层土壤有机碳数据分析农田碳投入和土壤固碳量;通过湿筛法筛分＞2、1-2、0.25-1、0.053-0.25和＜0.053 mm粒级团聚体,分析不同团聚体的固碳特征。【结果】15年长期免耕覆盖和深松覆盖处理显著提高了土壤0-10 cm表层有机碳含量及储量,同传统翻耕处理相比,有机碳含量分别提高了22.9%和21.8%,有机碳储量分别提高了21.8%和16.7%,固碳速率分别为0.09和0.06 t C?hm^-2?a^-1。微团聚体（＜0.25 mm）存储了大部分的有机碳,占总团聚体有机碳储量的65%,但其有机碳含量较低。大团聚体（＞0.25 mm）有机碳含量较高,约为微团聚体的3-8倍,且对不同耕作措施反应敏感,可作为评价长期不同耕作措施对土壤有机碳含量影响的指标。土壤固碳量随着累积碳投入量的增加而显著增加,要维持土壤有机碳储量稳定,每年最低需投入外源碳2.4 t C?hm^-2。【结论】长期保护性耕作（包括免耕覆盖和深松覆盖）提高了黄土坡耕地区土壤及团聚体有机碳储量,是有利于该地区土壤增碳的管理措施。     

免耕条件下施用有机肥对冬小麦土壤酶及活性有机碳的影响

【目的】探讨免耕条件下施用有机肥对冬小麦土壤酶活性及活性有机碳含量的影响,明确免耕条件下的科学施肥方法,为提升土壤生物学活性和改善土壤质量提供理论依据。【方法】基于山西运城长期定位试验,选取免耕（NT）和免耕增施有机肥（NTM）两个处理,在冬小麦不同生育时期测定与碳转化相关土壤酶的活性（β葡萄糖苷酶、β木聚糖酶、纤维二糖苷酶、α葡萄糖苷酶）、土壤温度、土壤含水量和土壤呼吸速率以及成熟期土壤总有机碳（TOC）和活性有机碳组分（可溶性有机碳,DOC;易氧化有机碳,EOC;微生物量碳,MBC）等关键指标。【结果】（1）在冬小麦生育期,两个处理不同土壤酶活性具有明显的季节性变化特征。其中β木聚糖酶与α葡萄糖苷酶的活性在拔节期和灌浆期表现出升高趋势;但β-葡萄糖苷酶与纤维二糖苷酶的活性随季节变化波动较小。不同生育时期β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的活性的变化趋势与土壤呼吸速率变化趋势基本一致。此外,主成分分析结果表明,不同生育时期土壤酶活性主要受土壤含水量和土壤呼吸速率的影响。（2）与NT相比,NTM显著提高不同生育时期土壤β木聚糖酶的活性（越冬期：17.6%;抽穗期：8.5%;灌浆期：14.1%和成熟期：10.0%）;在越冬期和拔节期土壤α葡萄糖苷酶的活性分别提高16.7%和10.2%。同时,主成分分析结果表明,不同处理间酶活性主要受土壤温度和土壤呼吸速率的影响。（3）与NT相比,NTM显著提升冬小麦生长季TOC、DOC、EOC和MBC含量（TOC：16.9%;DOC：27.7%;EOC：38.4%和MBC：50.7%）。（4）冬小麦生长季土壤生物学指标相关分析表明,β木聚糖酶与α葡萄糖苷酶的活性与总有机碳及其活性组分呈显著相关关系（相关系数均大于0.850）。【结论】免耕增施有机肥通过影响生育期土壤含水量和土壤温度,进而提升β木聚糖酶与α葡萄糖苷酶的活性;同时,秸秆还田基础上增加有机肥碳投入可进一步提高土壤总有机碳和活性有机碳组分的含量,有利于土壤酶等生物学活性和土壤质量的提升。     

不同耕作措施下添加秸秆对土壤有机碳及其相关因素的影响

【目的】探究添加秸秆对不同耕作措施下土壤有机碳及其相关因素的影响,为北方旱作农田固碳增产管理提供理论依据。【方法】采集长期进行传统耕作（CT）和免耕（NT）的大田土壤样品进行室内培养试验,共设置4个处理,分别为传统耕作土壤不加秸秆（CT）、免耕土壤不加秸秆（NT）、传统耕作土壤加秸秆（CTS）和免耕土壤加秸秆（NTS）,每个处理15次重复。在25℃恒温培养箱中进行通气培养,培养时间共180 d,此间定期取样进行有机碳含量、水稳性团聚体构成、土壤微生物量碳和相关土壤酶活性的测定。【结果】（1）添加秸秆显著提高土壤有机碳含量和大团聚体含量。与CT相比,CTS提高土壤有机碳含量15%—46%;与NT相比,NTS提高土壤有机碳含量12%—21%;培养结束时,CTS、NTS处理的有机碳含量较初始分别提高26.8%和7.0%。CTS和NTS处理以2 000—250 μm团聚体含量最高,占全部团聚体的41%—50%,CTS较CT提高>250 μm团聚体比例235%—310%,NTS较NT提高>250 μm团聚体比例96%—149%。（2）添加秸秆显著增加土壤有机碳δ¹³C值,CTS处理为80.93‰—115.22‰,NTS为48.92‰—80.49‰;CTS秸秆来源碳所占比例显著高于NTS,较NTS处理提高13%—66%。（3）添加秸秆显著提高微生物量碳（MBC）含量、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纤维二糖苷酶（CBH）和β-木糖苷酶（BXYL）活性。CTS较CT提高MBC含量239%—623%,提高BG、CBH和BXYL活性58%—170%、52%—337%和117%-170%;NTS较NT处理提高MBC含量124%—555%,提高BG、CBH和BXYL活性28%—181%、4%—304%和13%—118%。（4）土壤有机碳含量与BG、CBH和BXYL活性、MBC及>2 000 μm、2 000—250 μm团聚体比例呈显著正相关关系,与250—53 μm、＜53 μm团聚体比例呈显著负相关关系;BG、CBH、BXYL 3种酶活性彼此之间表现为极显著正相关关系,且均与MBC、>2 000 μm团聚体、2 000—250 μm团聚体显著正相关,与＜53 μm团聚体极显著负相关。线性相关分析结果表明水稳性大团聚体（>250 μm）可解释有机碳变化的48%,MBC可解释有机碳变化的45%,BG、CBH和BXYL酶活性分别可解释有机碳变化的66%、44%、53%。【结论】添加秸秆可显著提高土壤有机碳和大团聚体含量,促进微生物数量增加和土壤酶活性增强,且对传统耕作土壤有机碳及其相关因素的影响更大,有机碳在土壤中的固定除了受团聚体物理保护外,还受土壤中微生物作用的调节。     

添加玉米秸秆对旱作土壤团聚体及其有机碳含量的影响

【目的】研究玉米秸秆还田对不同耕作处理下旱地土壤团聚体及其有机碳的影响,旨在探究长期传统耕作土壤添加秸秆后团聚体及其有机碳的变化规律,并确定添加秸秆提高土壤有机碳的主要原因,为旱地农田固碳技术提供理论依据。【方法】采集大田长期试验地的传统耕作和免耕小区土样进行室内培养试验,设置4个处理,分别为传统耕作土壤不加秸秆（CT）、免耕土壤不加秸秆（NT）、传统耕作土壤加秸秆（CTS）和免耕土壤加秸秆（NTS）,15次重复;秸秆为传统耕作玉米植株地上部分,用量为5%烘干土质量,在25℃恒温培养箱中通气培养180 d,定期取样进行团聚体组成和有机碳含量的测定。【结果】（1）不加秸秆处理团聚体以250—53 μm为主,占全部团聚体的52%—66%;添加秸秆处理以2 000—250 μm团聚体为主,占全部团聚体的41%—50%,CTS较CT提高230%—302%,NTS较NT提高92%—134%。（2）添加秸秆处理平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及>0.25 mm团聚体百分比（R_0.25）显著提高,培养到180 d时,CTS较CT分别提高133%、130%和235%,NTS较NT分别提高53%、75%和87%。（3）培养至180 d时,CTS较CT分别提高250—53 μm和<53 μm团聚体有机碳70%和54%;NTS较NT分别提高250—53 μm和<53 μm团聚体有机碳30%和25%。（4）添加秸秆显著提高2 000—250 μm团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率,CTS和NTS分别为49%—61%和50%—60%,且受团聚体组成影响较大。【结论】添加秸秆能够有效提高旱作土壤大团聚体（>250 μm）形成并增强其稳定性,提高大团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率,且对传统耕作处理土壤的促进效果更明显。     

负压灌溉对黄瓜产量品质及水氮利用效率的影响

采用新型负压灌溉,研究了不同供水负压和氮肥水平对黄瓜产量、品质及水分利用效率的影响。结果表明,负压灌溉可以显著提高黄瓜产量和水氮利用效率、改善黄瓜品质。与常规灌溉水氮处理(W1N1)相比,负压灌溉水氮处理(W2N1和W3N1)黄瓜产量分别提高了69.3%、20.1%;水分利用效率提高了149.8%、165.6%;氮肥表观利用率提高了52.3%和23.7%;通过因子分析方法和综合评价得出,影响黄瓜品质的关键因子依次为:果实内质因子(45.38%)、果实数量因子(36.32%)和商品瓜率因子(21.10%),说明黄瓜果实的营养成分是影响果实品质最主要的因子,再次为果实数量和商品瓜率因子。综合分析不同水氮处理对黄瓜产量、水氮利用率和品质的影响,推荐W2N1和W3N1两个处理即供水水头为-5 k Pa、-10 k Pa,施氮量(N)为0.3 g/kg为较适宜水氮组合方案。     

胶东半湿润区滴灌制度对冬小麦农田土壤水分、作物生长及水分利用的影响

针对胶东地区冬小麦生育期内降雨和灌溉水资源明显不足问题,通过研究滴灌条件下灌溉制度对土壤水分、冬小麦生长及水分利用的影响,探究该地区冬小麦最优灌溉模式。试验实施从2016到2019年,共3季冬小麦,灌溉方式为滴灌,共设置4种处理：T1：不灌水;T2：拔节期灌水40 mm;T3：开花期灌水40 mm;T4：拔节期和开花期分别灌水40 mm。结果表明：（1）拔节期灌溉（T2和T4）在0~30、30~60、60~90 cm土壤体积含水量分别为16.0%、25.5%、25.1%,比不灌水处理(T1)分别提高25.9%、5.5%、4.7%,贮水量为204.9 mm,比不灌水处理(T1)提高6.5%,叶面积指数为2.9,比不灌水处理(T1)提高26.3%,生物量为6124.8 kg/hm²,比不灌水处理(T1)提高29.0%。（2）开花期灌溉（T3和T4）在0~30、30~60、60~90 cm土壤体积含水量分别为12.8%、22.7%、22.8%,与不灌水处理(T1)相比分别提高36.6%、11.2%、6.7%,贮水量为188.7 mm,比不灌水处理(T1)提高12.8%,叶面积指数为2.2,比不灌水处理(T1)提高24.3%,生物量为10781.0 kg/hm²,比不灌水处理(T1)提高24.2%;（3）与不灌水处理(T1)相比,3年的试验结果表明拔节期灌溉(T2)可提高产量16.5%,耗水量增加13.0%,水分利用效率增加2.7%,开花期灌溉(T3)产量增加26.4%,耗水量增加13.3%,水分利用效率增加11.0%,两次灌溉(T4)产量增加22.7%,耗水量增加23.9%,但是水分利用效率降低2.0%。不同灌水处理（T2、T3和T4）3年结果相比较,T3比T2的叶面积指数增加5.8%,生物量增加5.7%,产量增加9.0%,耗水量之间无显著差异,水分利用效率增加8.7%,灌溉水利用效率增加138.5%。与T4处理相比,T3处理的生物量和产量接近,耗水量降低8.7%,但是水分利用效率增加13.4%,灌溉水利用效率平均增加160.4%。综合考虑不同灌溉制度对冬小麦生长发育、产量及水分利用的影响,滴灌条件下在开花期灌水（T3处理）可作为胶东半岛砂姜黑土区冬小麦最优灌溉制度。     

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。