华北平原潮土区粮田氮淋失阻控措施及效果分析

华北平原潮土区是我国重要的粮食主产区,改革开放40多年来该区农业经历了以高水肥投入为主要特征的集约化进程,相应的氮淋失导致的面源污染自20世纪90年代以来不断加剧。本研究针对华北平原潮土为主要类型的粮田,对过去40多年间主要研究文献进行全面分析,梳理氮肥和水分投入与氮淋失之间的定量关系,比较主要农田管理措施对氮淋失的阻控效果及其机理,以期为我国农业面源污染提供决策支持。研究发现,氮肥和灌溉是影响华北平原潮土区粮田氮淋失的主要因素,其中氮淋失与氮盈余量之间呈指数关系,比与施氮量的指数关系更显著。基于机器学习的随机森林回归模型能够考虑包括施肥、灌溉、土壤条件和气象等多因素对氮淋失的影响,未来在定量预测中有较好前景。同等氮肥投入条件下,由于氮供应与作物吸收契合度高,有机无机配施能显著降低氮淋失。以缓控释肥、尿酶和硝化抑制剂为代表的肥料增效剂可以降低约1/3的氮淋失,值得重点推广应用。秸秆还田可以实现包括提高土壤有机物和微生物氮库、增加无机氮缓冲容量等综合效益,有利于降低氮淋失风险(降低比例达10%),但免耕的阻控效应较低且呈现较大不确定性。调整种植制度、休耕、间作套种和种植填闲作物等措施会影响粮食产量,推广过程中应慎重。氮淋失的阻控效果更多受到社会、经济和政策等因素的影响,今后应采取包括生态补偿等手段发挥农民主动性,从政策和法律法规层面创造实施氮淋失阻控措施的社会环境。     

有机农业能否养活中国?——氮肥供应获得的启示

近年来,有机农业在全球得到了较快发展,然而对于其在农业中的定位和作用以及发展策略,尚存在较大争议。本研究从氮素供应角度,评估不施用化学合成氮肥对于中国粮食生产和消费的影响,以期为我国现代农业发展特别是氮素管理提供支撑。研究以中国整体农业生态系统为对象,基于共生固氮数量、农产品贸易对氮素供应影响以及粮食生产,分析在不同粮食消费水平情形下,有机农业能够养活的人口数量。研究发现,如果全部耕地按照有机方式管理,中国每年共生固氮量为15.41×10~6t。在不施用化学合成氮肥情形下,1979年和2018年粮食总产量分别为381.96×10~6 t和420.72×10~6t。不考虑蔬菜和水果,分别能养活0.81×10~9～1.24×10~9人和0.50×10~9～0.77×10~9人,即中国耕地全部转化为有机农业方式,在当前耕地面积和科学技术条件下,难以养活全国人口。将进口农产品考虑在内,2018年实际人均粮食(折纯,不包括蔬菜和水果)消费量达689.35 kg·a~(-1)。减少食物浪费、调整食物结构和增加粮食特别是豆类进口,是解决中国粮食问题的重要举措,进口大豆等农产品对于中国化肥减量起到了重要作用。化学合成氮肥对中国粮食生产做出了巨大贡献,但氮素利用率仍有较大提升空间。有机和生态农业强调整体、协调、循环和再生,是引领中国农业可持续发展的理论基础和技术保障,在全国范围内应通过种养结合等措施促进养分的循环利用,降低资源浪费和环境污染。在政策和法律法规层面,可以通过生态补偿和种养循环等举措,提高氮素利用效率,实现粮食数量和质量安全以及生态安全等农业的多重目标。     

采样深度和计算方法影响保护性耕作土壤碳氮储量的评估结果

为探讨不同年限耕作措施下土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）在土壤剖面中的分布和累积特征，了解采样深度和计算方法对SOC和TN储量评估结果的影响，基于山东桓台（5a）和河北栾城（17a）耕作定位试验，设置翻耕（CT）、旋耕（RT）和免耕（NT）三个处理（秸秆均还田），分析土壤剖面中（桓台60cm；栾城50cm）土壤容重（b）、SOC和TN浓度的分布特征，并比较不同土层深度下“固定深度法（FD）”和“等效重量法（ESM）”所计算SOC和TN储量的差异。结果表明，连续多年保护性耕作后，NT处理较CT促进了SOC和TN储量在表层积累，增加了SOC和TN浓度的层化比率（SR）值。在山东桓台试验点，NT处理较CT显著增加了0−5cm土层SOC和TN储量（P＜0.05），增幅分别为29%和30%，而整个土壤剖面（0−60cm）的碳氮储量分别降低8%和10%。河北栾城试验点，0−10cm土层NT和RT处理较CT分别增加SOC储量10%和14%，但在≥20cm剖面中不同耕作处理之间的碳氮储量无显著差异。由于各处理之间b的差异，传统FD法高估了山东桓台免耕处理SOC和TN储量，但低估了河北栾城碳氮储量。因此，为准确评估不同耕作措施下土壤碳氮固持效应，推荐在“深层采样”（≥30cm）策略基础上，利用ESM法计算其储量。保护性耕作对改善土壤质量有积极作用，但其通过土壤碳截留以缓解气候变化的潜力不应该被高估。     

利用~(13)C标记和自然丰度三源区分玉米根际CO_2释放

石灰性土壤中,根际土壤释放的CO_2有三个来源,即根源呼吸、土壤有机碳(SOC)分解和土壤无机碳(SIC)溶解,三源区分土壤释放的CO_2是量化土壤碳平衡的前提。分别在玉米拔节期、抽穗期和灌浆期进行7 h的~(13)O_2脉冲标记,经过27 d示踪期后破坏性取样,测定~(13)标记与自然丰度处理中,玉米地上部、根系、土壤和土壤CO_2的碳含量和δ~(13)值,利用~(13)示踪并结合自然丰度法区分玉米土壤CO_2的来源。研究结果显示,随着玉米生长,根源呼吸对土壤CO_2的贡献呈降低趋势,从拔节期的66.7%降低至灌浆期的25.8%。整个玉米旺盛生育期内(从拔节期到生育期末),根源呼吸和土壤总碳释放对土壤CO_2具有同等贡献,SOC和SIC释放对土壤总碳释放的贡献率分别为30%和20%。玉米生长对土壤的碳输入(根系+根际沉积物)超过土壤总碳(SIC+SOC)的释放,总体表现为土壤碳汇。研究表明,SIC溶解对全球碳库稳定性和调节CO_2浓度的影响非常重要,若忽视石灰性土壤中SIC溶解,则会高估SOC的分解,进而影响SOC激发效应以及土壤碳平衡的评估。     

华北小白菜产量、氮素利用及品质对沼液的响应

为探究沼肥替代化肥对蔬菜产量、氮素利用和品质的影响，评估沼肥在蔬菜上的应用效果，以华北小白菜为试验对象，通过盆栽试验设置不施氮肥(CK)、农户习惯施肥(CF)以及6个沼液(BF)处理。结果显示：沼液处理相比化肥提高了小白菜产量和氮素利用率，产量增加了3.5%～52.0%,氮素利用率提高了17.8～33.1个百分点；相对于化肥，施用沼液能显著提高小白菜的品质；综合来看BF4(氮素减量16.3%)的效果最好。结论表明，适量沼液可以完全替代化肥用于小白菜的生产。