长期秸秆配施化肥对土壤养分及小麦产量、品质的影响

以40年长期定位试验为平台,系统分析了不同施肥处理对暗棕壤土壤碳氮磷含量和小麦产量及品质的影响,为探讨长期施用秸秆条件下土壤肥力演变规律提供理论依据。试验设4个处理,分别为单施化肥(NP)、秸秆配施化肥(S+NP)、秸秆配施1/2化肥(S+1/2NP)、秸秆配施1/4化肥(S+1/4NP),其中秸秆为隔年麦秸还田,用量为3 000 kg/hm~2,化肥N、P用量为N 150 kg/hm~2、P_2O_5 150 kg/hm~2。结果表明:1)与NP处理相比,秸秆配施化肥处理(S+NP)显著增加了0～20 cm土壤有机碳含量和有效磷含量;秸秆还田条件下,S+1/2NP和S+1/4NP处理0～20 cm土壤中碳氮磷含量均低于S+NP处理,而对于20～40、40～60 cm土层养分含量差异表现不一致。2)不同施肥处理对春小麦产量及其构成因素有显著的影响,各施肥处理综合表现为:S+NPNPS+1/2NPS+1/4NP,即以S+NP处理春小麦产量最高;不同施肥处理对春小麦籽粒容重、蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、延伸率和拉伸面积等品质指标影响不显著。综合分析各处理,结果表明:S+NP处理(即在秸秆还田条件下,施用N 150 kg/hm~2、P_2O_5 150 kg/hm~2)相对其他处理,其保障小麦产量和提升(或维持)土壤肥力的效果最佳。     

长期有机无机配施对暗棕壤土壤酶活性及春麦产量品质的影响

根据 41年长期施肥试验结果，研究有机无机配施对暗棕壤土壤肥力、春麦籽粒产量和品质的影响，探讨有机无机配施条件下土壤酶活性与作物产量、品质之间的内在关系，为建立科学合理的有机无机配施技术体系提供理论依据。长期定位试验于 1979年开展，位于黑龙江省黑河市农科院内，土壤类型为暗棕壤。设对照、低量化肥、中量化肥、高量化肥、有机肥、有机肥 +中量化肥 6个处理，于 2019年 8月采集土壤样品(0～ 20 cm)和小麦籽粒样品，测定分析了 5种土壤水解酶，即 β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶活性，研究暗棕壤酶活性、小麦籽粒产量和品质的变化规律，并进行相关性分析。研究结果表明:1)各处理相比较，单施有机肥、有机肥配施中量化肥 2个处理均显著提高了土壤 β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶活性，有机肥配施中量化肥处理较单施中量化肥处理土壤酶活性提高了 21.04%～ 95.74%。2)不同施肥处理小麦籽粒产量差异显著，各施肥处理小麦产量较对照增加了 6.93%～ 111.03%，以单施高量化肥、有机肥配施中量化肥 2个处理增产比例最高。3)小麦籽粒品质、面粉品质和面团品质均表现出一致性的规律，有机肥配施化肥处理的小麦综合品质均显著高于单施化肥处理。4)土壤酶活性与小麦籽粒品质、面粉品质和面团品质之间存在显著或极显著正相关关系，与小麦产量间呈正相关，但不显著。不同施肥处理下土壤酶活性、小麦产量和品质均存在显著差异，有机肥配施中量化肥处理对提高土壤酶活性、小麦产量和品质有明显的作用，有机肥与化肥的合理配施是提高土壤肥力并保障作物产量和品质的重要措施。     

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。     

免耕对农田土壤持水特性和有机碳储量影响的区域差异

【目的】分析耕作对土壤碳储量的影响,明确我国东北、华北地区的科学耕作方式,为区域优化耕作模式、改善土壤提供依据。【方法】基于吉林公主岭（GZL）、山西寿阳（SSY）、河北廊坊（HLF）、山西临汾（SLF）4个长期定位试验,选择传统耕作（CT）、免耕（NT）两个耕作处理,分析耕作对有机碳影响的区域差异。【结果】（1）免耕对土壤容重和紧实度影响存在区域性差异,显著提高了东北冷凉区黏质黑土（公主岭）和华北砂质潮土（廊坊）的土壤容重和紧实度,土壤容重分别增加了12.1%、0.7%,但降低了黄土高原东部粉砂壤质黄土（临汾）和砂壤质褐土（寿阳）的土壤容重和紧实度,土壤容重分别降低了1.5%、8.2%。（2）公主岭试验点0、10 kPa土壤体积含水量处理间差异显著,免耕较传统耕作分别提高了40.4%、30.1%;寿阳试验点0、10、500 kPa下免耕较传统耕作土壤体积含水量分别降低了6.4%、4.3%、5.9%,350 kPa下提高了2.1%;廊坊试验点10、350、500 kPa免耕下土壤体积含水量分别提高了0.6%、5.6%、2.6%;临汾试验点0和10 kPa免耕下土壤体积含水量分别降低了7.1%、5.5%,350 和500 kPa土壤体积含水量分别提高了2.9%、8.9%。（3）在4个区域,免耕显著提高了0—10 cm表层土壤有机碳储量,其中公主岭增加最显著,提高了45.4%;但免耕对0—80 cm土层总有机碳储量影响存在区域性差异,公主岭提高了7.2%,寿阳、廊坊、临汾分别降低了26.8%、31.3%、23.5%。（4）土壤有机碳与饱和含水量呈极显著正相关关系,而与年均温、年降水、紧实度具有显著负相关关系,有机碳储量受气候因子、持水能力、紧实度的影响显著。【结论】由于我国东北和华北地区气候、作物类型、土壤性质等不同,免耕对土壤有机碳储量影响存在区域性差异,可以显著提高各区域表层土壤有机碳储量,但仅提高了东北冷凉区黏质黑土（公主岭）土壤总有机碳储量。总体来说,免耕保护性耕作技术是提高表层有机碳储量的有效途径。     

免耕覆盖下土壤水分、团聚体稳定性及其有机碳分布对小麦产量的协同效应

【目的】基于山西运城8年（2008—2015）长期定位试验,研究免耕覆盖下土壤团聚体稳定性、团聚体活性有机碳分布特征、冬小麦水分利用效率和产量变化特征,分析土壤水分、土壤团聚体稳定性及其有机碳组分对小麦籽粒产量的协同关系,为选择适宜黄土高原旱作农业区最佳耕作模式提供理论依据。【方法】选取传统耕作秸秆翻耕还田（CT-SP）和免耕秸秆覆盖还田（NT-SM）两种耕作措施,在冬小麦收获期,利用干筛法测定土壤团聚体各粒级质量分数;测定各粒级土壤团聚体有机碳（SOC）及活性有机碳（可溶性有机碳,DOC;易氧化有机碳,EOC;微生物量碳,MBC）含量;测定土壤水分（土壤体积含水量,θ_v;播种前贮水量,SB;收获后贮水量,SA;生育期耗水量,ET;降水利用效率,PUE;水分利用效率,WUE）和作物产量等关键指标。【结果】（1）与CT-SP处理相比,NT-SM处理显著提高0.25—2 mm团聚体含量、>0.25 mm 团聚体含量（R_0.25）和几何平均直径（GMD）,分别提升13.9%、8.8%和9.6%。（2）与CT-SP处理相比,NT-SM处理中全土SOC、>2 mm和0.25—2 mm粒级团聚体SOC与MBC含量分别提升17.7%与23.6%、18.4%与18.2%和22.4%与39.2%。0.25—2 mm粒级团聚体对SOC和MBC的贡献率,分别提升18.4%和28.4%。（3）与CT-SP处理相比,NT-SM处理提高了SA、PUE、WUE和小麦产量,分别提升17.7%、8.92%、14.98%和8.92%,并且SOC、WUE、R_0.25、MWD和GMD等指标与小麦产量相关系数均达到0.9以上。（4）通过结构方程模型分析发现,土壤团聚体DOC和EOC通过协同效应影响MBC的变化,MBC含量对SOC的总效应为0.88,是影响SOC变化的主导因子。（5）土壤贮水量、土壤团聚体稳定性及其有机碳分布协同影响小麦产量,并且土壤团聚体稳定性对小麦产量表现为极显著正效应。【结论】在黄土高原旱作农业区,免耕秸秆覆盖还田可改善土壤团聚体结构,增加土壤水分含量,提高小麦水分利用效率,显著增加耕层土壤有机碳和活性有机碳组分含量,从而实现土壤固碳保墒和作物增产的协同效应。     

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。     

有机肥替代化肥不同比例对黑土土壤微生物学性质及春麦产量品质的影响

有机肥替代化肥对于提高土壤质量、改善农村和农业生产环境具有十分重要的现实意义。研究通过分析有机肥不同比例替代化肥对黑土土壤微生物生物量碳氮、土壤酶活性以及春麦籽粒产量品质等方面的影响,探讨该地区适宜的有机肥替代化肥减施比例。试验设置了不施肥(CK)、100%化肥(100%NPK)、25%有机肥+75%化肥(25%M)、50%有机肥+50%化肥(50%M)、100%有机肥(100%M)5个处理,有机替代无机比例以氮素用量计算,即有机氮替代化肥氮素的25%、50%、100%。于2019年8月春麦收获期采集土壤样品(0～20 cm)和小麦籽粒样品,测定分析了土壤生物肥力指标、小麦籽粒产量、品质等指标,并进行综合评价。结果表明,1)不同施肥处理之间土壤微生物生物量差异不同。25%M处理微生物生物量碳氮均达到最大值,与CK相比,其土壤微生物生物量碳氮分别提高了9.67%、28.64%,适量的有机无机肥料配合施用可以使土壤保持较高的微生物生物量。2)不同施肥处理对土壤酶活性有显著影响,与CK相比,各施肥处理土壤β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶以及亮氨酸氨基肽酶活性均有不同程度的提高,其中全量有机肥和25%有机替代施肥处理显著提高了土壤酶活性。3)在小麦籽粒产量方面,处理间差异显著,与CK相比,各施肥处理产量增加了0.82%～24.34%,100%NPK和25%M这2个处理籽粒产量最高,二者差异不显著。作物氮肥农学效率、氮肥偏生产力与小麦产量对不同施肥处理的响应一致。100%NPK处理小麦籽粒、面粉及面团品质最高,有机肥处理(25%M、50%M和100%M)提升了小麦籽粒品质和面团品质的大部分指标,依然达到了优质中筋或强筋小麦的标准。4)通过对各处理经济效益的分析,从粮食增产的角度出发,以25%M处理投入产出比最小,可以有效提高肥料资源利用率,增加小麦产量,优化农业资源配置。综合分析有机肥替代化肥不同比例的3个处理,25%M处理在改善土壤生物学活性、增加春麦产量和改善品质方面的效果良好,同时可以提高氮肥农学效率和氮肥偏生产力,增加经济效益。