冬小麦养分专家推荐施肥系统在长江流域的可行性研究

  【目的】  采用基于产量反应和农学效率的冬小麦养分专家系统的推荐施肥方法 (Nutrient Expert for wheat, NE)，在长江流域开展田间试验，并通过与该地农民习惯施肥方法的比较，确定该系统在长江流域冬小麦应用的可行性。  【方法】  2019年于长江流域的四川、云南、安徽、湖北、江苏和浙江6省共布置了50个冬小麦田间试验，每个试验包括5个处理:小麦养分专家系统推荐施肥处理 (NE)、农民习惯施肥处理 (FP)，以及基于NE处理的不施氮、不施磷和不施钾肥处理，从产量、经济效益、肥料利用率、氮损失和温室气体排放5个方面，比较了NE与FP的差异。  【结果】  与FP处理相比，NE处理显著降低了N、P₂O₅和K₂O施用量57、10和8 kg/hm2 (P < 0.001)，降幅分别达到了26.6%、13.3%和12.9%；小麦产量明显提高 (P < 0.001)，平均增产365 kg/hm2，增幅为7.9%；显著降低了肥料成本 (P < 0.001)，平均减少了429 元/hm2，降幅为20.9%；显著提高了经济效益，平均增加了1446 元/hm2，增幅为17.7%，且所有增加经济效益中有55.5%来自于产量的增加 (P < 0.001)。NE处理显著提高了长江流域冬小麦的肥料利用效率 (P < 0.001)，与FP处理相比，氮、磷和钾农学效率分别提高了6.5、8.3和8.6 kg/kg，增幅分别为67.7%、143.1%和159.3%；氮、磷和钾偏生产力分别增加了10.9、17.9和24.8 kg/kg，增幅分别为49.1%、28.8%和34.4%；氮、磷和钾回收率分别增加了15.3、11.9和27.2个百分点，增幅分别为52.9%、132.2%和87.7%。NE处理较FP处理显著增加了地上部氮素吸收量 (P < 0.001) ，且显著减少了氮素损失 (P < 0.001)，地上部氮素吸收量平均增加了3.0 kg/hm2，增幅为2.5%；活性氮损失强度平均减少N 4.0 kg/t，降幅为37.7%；N₂O总排放量平均减少了0.7 kg/hm2，降幅为28.0%；温室气体排放强度平均减少CO₂ eq 308.4 kg/t，降幅为36.5%。  【结论】  在长江流域冬小麦生产中，采用基于小麦产量反应和农学效率的NE推荐施肥方法，可较农民习惯施肥 (FP) 平均分别降低26.6%、13.3%和12.9%的氮磷钾肥施用量，同时提高冬小麦产量7.9%，显著提高经济效益和肥料利用率，并有效地降低活性氮损失强度和温室气体排放量，适用于我国长江流域冬小麦的推荐施肥。     

优化施肥下长江流域冬小麦产量及肥料增产效应

【目的】针对长江流域冬小麦不合理施肥带来的肥料利用率低的现状,探讨冬小麦产量分布特征及施用氮、磷和钾肥料的增产效应,为长江流域冬小麦肥料减施增效和优化养分管理措施提供依据。【方法】本文数据来源于国际植物营养研究所（IPNI）于2000—2018年在我国长江流域开展的田间试验,以及在中国知网（CNKI）数据库通过检索字段或字段组合（冬小麦、冬小麦+产量及冬小麦产量+肥料利用率等）得到的此期间关于长江流域冬小麦田间试验的论文,共1 732个田间试验。试验处理包括：优化施肥处理,农民习惯施肥,以及在优化施肥和农民习惯施肥基础上的不施氮肥、不施磷肥和不施钾肥处理,以探究长江流域各省（市）（四川、云南、贵州、重庆、湖北、安徽、江苏、浙江和上海）冬小麦在优化施肥下的可获得产量、产量反应、相对产量、农学效率和偏生产力特征。【结果】我国长江流域冬小麦优化施肥处理下的平均产量为6.6 t·hm^-2,其中安徽省平均产量水平最高,为7.3 t·hm^-2,重庆市最低,为3.6 t·hm^-2。施用氮、磷和钾肥的平均产量反应分别为2.3、0.9和0.6 t·hm^-2,但变异范围较大。氮、磷和钾肥平均相对产量分别为0.6、0.8和0.9,氮是小麦产量的主要限制因子。优化施肥处理的氮、磷和钾肥的平均农学效率分别为12.6、11.6和7.7 kg·kg^-1,平均偏生产力分别为34.0、78.9和73.4 kg·kg^-1。与农民习惯施肥措施相比,优化施肥处理平均增产0.5 t·hm^-2,增幅为8.8%;氮、磷、钾肥的农学效率分别提高了41.1%、121.1%和84.6%;偏生产力分别提高了42.4%、23.5%和25.4%。【结论】优化施肥有效提高了长江流域冬小麦的产量和养分利用率,但各省（市）间存在一定差异且省（市）内变异较大。四川、云南、湖北和江苏省的部分地区具有较低的产量反应,说明具有较高的土壤养分供应,应因地制宜地制定养分优化管理方案。分析长江流域优化养分管理措施下的小麦产量反应和肥料利用率等参数,可以确定氮为小麦产量的第一限制因子。     

双季稻最佳磷肥和钾肥用量与密度组合研究

【目的】为明确磷肥、钾肥用量和移栽密度对双季稻的施用效果,在田间试验条件下研究了不同磷肥用量、钾肥用量和移栽密度组合对江西双季稻产量、产量构成要素及磷肥和钾肥利用率的影响。【方法】本研究采用裂区试验设计研究了不同施磷量和移栽密度、不同施钾量和移栽密度对双季稻产量、磷肥和钾肥利用率的影响。磷肥用量和移栽密度试验中,设4个施磷水平(P2O5 0、60、90、120 kg/hm2,以P0、P60、P90和P120表示)和4种移栽密度(21×104、27×104、33×104、39×104 穴/hm2,以D21、D27、D33和D39表示)组合。钾肥用量和移栽密度试验中,设4个施钾水平(K2O 0、90、120、150 kg/hm2,以K0、K90、K120和K150表示),密度设置同磷肥试验。在水稻成熟期对产量以及产量构成要素进行测定,并分析其磷素和钾素的吸收量和利用率等指标。【结果】磷肥与密度试验中,同一施磷水平下,早稻产量和地上部磷素吸收量随着移栽密度的增加而增加,当施磷量超过60 kg/hm2时,产量和磷素吸收量不再随密度增加而显著增加,磷素吸收利用率(REP)、磷素农学效率(AEP)和磷素偏生产力(PFPP)逐步降低,以P60D39处理组合的产量和磷素吸收利用率最高,分别为5303.9 kg/hm2和24.4%,AEP为29.4 kg/kg; 晚稻则以施磷量在60 kg/hm2和33×104 穴/hm2密度组合的产量和磷素吸收利用率最高,分别为7246.9 kg/hm2和42.4%,AEP为36.2 kg/kg。钾肥与密度试验中,早稻的钾素吸收量随着施钾量的增加而增加,施钾量在120 kg/hm2和39×104 穴/hm2密度组合的处理产量和钾素吸收利用率(REK)最高,分别为6376.3 kg/hm2和67.2%,此时钾素农学效率(AEK)为15.6 kg/kg; 晚稻则以施钾量在90 kg/hm2和33×104 穴/hm2密度组合的处理产量和REK最佳,分别为7025.6 kg/hm2和74.0%,AEK为21.7 kg/kg。【结论】合理的磷肥、钾肥用量和移栽密度可以显著增加水稻单位面积有效穗数和养分累积量,进而增加水稻产量和肥料利用率,但过高的磷肥和钾肥施用会抑制产量的进一步增加。建议本研究区域的早稻采用施磷量在60 kg/hm2、施钾量120 kg/hm2和39×104穴/hm2的密度组合,而晚稻采用施磷量60 kg/hm2、施钾量90 kg/hm2和33×104 穴/hm2的密度组合。     

水滑石改性生物炭有效提高设施菜田土壤磷的吸附性能

  【目的】  设施菜田土壤磷素高量累积、磷迁移风险高。水滑石改性生物炭是很好的阴离子吸附材料,探究不同原材料制备的水滑石改性生物炭对高磷设施菜田土壤磷吸附性能的影响,为高磷设施菜田合理利用改性生物炭、降低磷素损失风险提供科学依据。  【方法】  采用500℃下限氧热解法制备竹炭 (BB) 、玉米秸秆炭 (MB) 和猪粪炭 (PB) 样品,利用共沉淀法将Zn/Fe水滑石 (Zn/Fe-LDHs) 分别负载在3个生物炭表面,得到水滑石改性竹炭(LDH-BB)、水滑石改性玉米秸秆炭 (LDH-MB) 和水滑石改性猪粪炭 (LDH-PB) 。以6个生物炭样品为试材进行土壤磷吸附–解吸实验和土柱淋溶实验,以不添加生物炭处理为对照。磷吸附–解吸实验利用Langmuir和Freundlich方程拟合吸附数据,并测定了土炭混合物的磷解吸量。土柱淋溶实验测定了淋溶液体积、pH及不同形态磷含量。  【结果】  水滑石改性生物炭的Zn、Fe元素含量、O/C和(O+N)/C原子比提高,pH、C、N和P元素含量降低。改性后生物炭表面出现不规则层状附着物,比表面积增加,其大小依次为LDH-BB>LDH-PB>LDH-MB>BB>MB>PB。根据Langmuir方程拟合结果发现,LDH-BB处理磷的吸附性能最优,其最大理论吸附量 (3681 mg/kg) 分别是LDH-MB、BB和MB处理的3.41、3.34和4.25倍。土柱淋溶实验发现,各生物炭处理淋溶液体积较CK均减少,其中LDH-BB处理累积淋溶液体积最少,减少量分别为BB、MB、PB、LDH-MB和LDH-PB处理减少量的1.61、3.27、4.32、1.89和2.59倍。LDH-BB、LDH-MB和LDH-PB处理的磷素累积淋溶量 (TP) 较BB、MB和PB处理分别显著降低25.68%、17.51%和34.38%。所有处理淋溶液中各形态磷的比例均以可溶性反应磷 (SRP) 最高,其次为可溶性有机磷(SOP)和颗粒磷 (PP) 。LDH-BB、LDH-MB和LDH-PB处理的淋溶液SRP占比较BB、MB和PB处理分别显著降低7.72%、6.69%和12.07%。  【结论】  添加Zn/Fe水滑石改性竹炭显著提高了设施菜田土壤磷的吸附量,减少了磷累积淋溶量,是降低高磷设施菜田土壤磷损失风险的有效措施。     

氮肥后移对土壤氮素供应和冬小麦氮素吸收利用的影响

采用田间试验研究了氮肥后移对土壤氮素供应和冬小麦氮素吸收利用的影响。结果表明,与农民习惯施氮（N 300 kg/hm2,基肥和拔节肥各占1/2）比较,氮肥后移处理（N210kg/hm2,基肥、拔节肥和孕穗肥各占1/3）在不降低小麦产量的同时,大大提高了氮肥利用率,且全生育期氮素表观损失极低。过量施用氮肥(N 300 kg/hm2)明显提高了60 cm以下土层硝态氮含量,增加了其向地下水淋溶迁移的风险。氮肥后移可提高小麦成熟期0-20cm土层硝态氮积累量,降低其在20-100cm土层的积累。基于冬小麦不同生育阶段的氮素吸收量而进行氮肥后移是可行的,氮肥后移可节省氮肥30%,是较为理想的施氮方式。     

氮肥用量和密度对双季稻产量及氮肥利用率的影响

【目的】高量化肥投入不仅不能使作物产量进一步增加,相反还会造成肥料资源的浪费并威胁到生态环境安全,同时导致肥料吸收利用率、农学效率等不断降低。为了明确氮肥用量和移栽密度的相互作用,在田间试验条件下研究了不同氮肥用量和移栽密度组合对江西双季稻产量、产量构成要素及氮肥利用率的影响,以期为双季稻的高产高效栽培技术提供理论基础。【方法】采用裂区试验设计,以氮肥施用量为主区,密度为副区,设4个施氮水平(N 0、135、180和225 kg/hm2,以N0、N135、N180和N225表示)和4种移栽密度(21×104、27×104、33×104、39×104hole/hm2,以D21、D27、D33和D39表示)组合,在水稻成熟期对产量以及产量构成要素进行测定,并分析其吸氮量和氮肥利用率、氮收获指数等指标。【结果】施氮水平和移栽密度对水稻产量具有显著影响;增加移栽密度有助于提高单位面积水稻的有效穗数、稻谷产量和地上部吸氮量;在高施氮量下,水稻氮素积累总量增加,而氮素吸收利用率(REN)、氮素偏生产力(PFPN)、氮素生理利用率(PEN)、氮素内在养分效率(IEN)和氮素收获指数(NHI)降低;氮素农学效率(AEN)则是先升高后降低,而产量并未增加。与其它处理组合相比,施氮量为180 kg/hm2和39×104hole/hm2密度的组合产量最高,早稻和晚稻分别为9823.0和11354.7 kg/hm2,此时早稻和晚稻的氮素吸收率分别为42.4%和47.5%。当施氮量超过180 kg/hm2时产量则不再增加,但产量随着移栽密度的增加而显著增加。【结论】合理氮肥用量和移栽密度可以显著增加水稻单位面积的有效穗数和氮累积量,进而增加水稻产量和氮肥利用率,建议在江西双季稻栽培中采用施氮量为N 180 kg/hm2,栽培密度39×104hole/hm2的组合。     

毛叶苕子磷饥饿响应基因VvPHR1的克隆及功能研究

【目的】磷饥饿响应因子PHR (phosphate starvation response)在植物根系发育和磷养分吸收中起重要作用,本研究主要阐明毛叶苕子VvPHR1基因生物学功能,为培育磷高效型绿肥作物提供理论依据。【方法】通过转录组测序获得毛叶苕子VvPHR1基因序列。采用酵母单杂交方法验证VvPHR1基因的转录激活功能,构建其过表达载体,利用花粉管通道法分别遗传转化野生型和突变体(Atphr1)拟南芥,获得超量表达VvPHR1基因和突变体功能回补转基因材料。对正常磷(1 mmol/L Pi)和低磷(1μmol/L Pi)的培养基中生长30天的拟南芥取样,采用实时荧光定量PCR对野生型和转基因拟南芥中VvPHR1及下游磷转运基因的表达进行分析,并对转基因材料进行表型分析,测定其主根长、鲜重、总磷及无机磷(phosphate,Pi)含量。【结果】毛叶苕子转录组中有13个PHR基因,转录本129590、96227、120424与拟南芥的PHR1相似度最高,其中转录本120424在低磷诱导下表达量最高,将该转录本命名为VvPHR1基因。该基因cDNA全长1008 bp,编码335个氨基酸...     

钙对苹果果实钙调蛋白含量和Ca2+ -ATPase活性及其基因表达的影响

研究不同浓度钙（0、1和10 mmo1/L CaCl2 ;5 mmo1/L EGTA）对苹果果实钙调蛋白（CaM）含量和Ca2+-ATPase活性及其基因表达的影响。利用同源克隆方法分离CaM和Ca2+-ATPase基因,采用荧光定量PCR方法研究它们表达特征。结果表明,果实切片外源补钙,可溶性Ca2+及CaM含量在高钙处理12 h达到高峰;高钙处理12 h质膜Ca2+-ATPase活性显著增加,与胞内CaM含量增加时间一致;高钙处理24 h液泡膜Ca2+-ATPase活性显著增加;随着质膜和液泡膜Ca2+-ATPase活性显著增加,可溶性Ca2+含量在加钙处理48 h显著下降。研究基因表达发现,加钙处理6 h苹果CaM基因的表达量显著增加;加钙处理12 h苹果Ca2+-ATPase基因的表达量显著增加,与CaM含量及质膜Ca2 +-ATPase活性变化一致。果实缺钙处理显著增加CaM基因表达量,而苹果Ca2 +-ATPase基因的表达量没有显著变化。上述研究表明,苹果补钙可以提高细胞内可溶性Ca2+和CaM含量以及CaM基因的表达量,有效启动钙信使系统;质膜及液泡膜Ca2+-ATPase是调控胞内Ca2+关键的酶,通过提高质膜及液泡膜Ca2+-ATPase的活性及Ca2+-ATPase基因的表达量,维持胞内Ca2+的稳态水平。     

优化施氮下稻-麦轮作体系土壤N_2O排放研究

采用了静态箱法研究优化施氮下湖北稻-麦轮作体系农田N2O排放特征。结果表明,农田N2O排放量随施氮量增加而增加。N2O排放通量峰值大约发生在施氮后的第37~d。小麦季土壤N2O排放量范围为N2O 2.43~4.84kg/hm2,肥料氮通过N2O排放的损失率为0.54%0~.74%。水稻季土壤N2O排放量为N2O 0.892~.45 kg/hm2,肥料氮通过N2O排放的损失率为0.39%0~.47%。小麦季和水稻季施氮后01~5 d N2O排放量占当季总排放量的百分比分别为62.79%6~6.72%和87.97%9~3.14%。与习惯施氮相比,基于作物阶段氮素吸收增加追肥比例和施氮次数的优化施氮能有效减少土壤N2O排放。     

中国农田畜禽粪尿磷负荷量及环境风险分析

准确掌握不同地区畜禽粪尿和磷负荷量及其环境风险,为畜禽养殖总量控制、合理布局和还田利用提供决策依据。基于统计数据和文献资料,利用磷的猪粪当量(P)估算了我国畜禽粪尿量和各类畜禽粪尿比例的时空变化,分析和评价了当前各省份畜禽粪尿和磷资源量及其土地负荷量和污染风险,并根据畜禽粪尿还田率估算了当前各省份畜禽粪尿及其磷还田量,并进行环境风险评价。结果表明:中国畜禽粪尿猪粪当量(P)及其磷量1978年至2005年快速增加,2006年至2016年保持稳定。截止2016年,猪粪当量(P)约21.23亿t,磷量约545万t,比1978年均增长123%,华北地区畜禽粪尿猪粪当量(P)及其磷量最大,约占全国总量的23%和9%。区域水平上,按耕地面积计算,东南和西南地区负荷量较大,为Ⅴ级,有严重污染风险,按农作物种植面积计算,东南和西南地区较大,为Ⅳ级,有较严重污染风险,按农用地计算,东南、长江中下游和华北地区负荷量较大,为Ⅳ级,有较严重污染风险。省级单元上,湖南负荷量最大,其次是北京、广东和河南,这些省份为Ⅴ级,有严重污染风险。全国畜禽粪尿猪粪当量(P)及其磷还田量分别为11.51亿t和295万t,折合成单位农用地面积分别为3.1 t·hm(~-2)和8.0 kg·hm(~-2)。区域上东南地区还田最多,分别为10.3 t·hm(~-2)和26.3 kg·hm(~-2),为Ⅲ级,有污染风险,其次是华北和长江中下游地区,为Ⅱ级,稍有污染风险,而东北、西南和西北地区相对较低,为Ⅰ级,无污染风险。省级单元上湖南和北京还田较多,为Ⅳ级,有较严重污染风险,华北、长江中下游、东南地区的多数省份和部分西南地区省份农用地畜禽粪尿磷还田量接近或大于50%单位土地面积畜禽粪尿磷的年施用限量,具有较高的污染风险。研究表明,不同区域和省份畜禽粪尿磷负荷量和还田量污染风险具有较大差异,但多数省份尤其华北、长江中下游、东南地区的畜禽粪尿磷污染风险较大。