西部地区紫色土近30年来土壤肥力与生产力演变趋势分析

【目的】 紫色土在我国分布范围广泛，面积约1889 × 104 hm2，近年来紫色土面临着土壤肥力和质量下降等问题。本研究以我国西部地区的8个紫色土长期定位试验监测点为对象，对近30年来紫色土的养分和生产力数据进行分析，以期探明农民长期常规施肥管理模式下紫色土肥力的演变特征，为土壤养分的管理和可持续利用提供科学性的指导。 【方法】 利用时间趋势分析和中值分析的方法，分别总结了紫色土土壤有机质 (SOM)、全氮 (TN)、有效磷 (AP)、速效钾 (AK)、pH、碳氮比以及小麦、玉米、甘薯产量在不同监测阶段的演变特征和总体变化趋势，分析了紫色土常规施肥管理模式下土壤养分和作物产量的变化趋势；运用主成分分析和冗余分析方法，分别对上述6个肥力因子和三种作物产量进行分析，探究了紫色土土壤肥力的主要贡献因子和紫色土作物产量的主要影响因子。 【结果】 与初始监测阶段相比，29年常规施肥下紫色土有机质和全氮含量无显著变化，但有效磷和速效钾含量均以不同程度增加。土壤有效磷含量在 2011—2016 监测阶段的平均值为15.34 mg/kg，比初始监测阶段 (6.10 mg/kg) 显著提高了151.4%；土壤速效钾含量在 2011—2016 年的平均值比初始监测阶段 (1988—1992年) 增加了17.23 mg/kg (提高了23.1%)。29年常规施肥管理模式下紫色土pH呈现显著的下降趋势，比初始监测阶段降低了0.24个单位。主成分分析结果表明，紫色土土壤肥力的两个决定因子是土壤有效磷和速效钾，主要障碍因素是较低的土壤全氮和有机质含量。冗余分析结果表明，影响紫色土整体作物产量的主要环境因子分别为土壤pH、有效磷和有机质含量。对小麦产量影响最大的肥力因子为土壤pH，对玉米产量影响最大的肥力因子为土壤有效磷，对甘薯产量影响最大的肥力因子为土壤速效钾。 【结论】 近29年来，在常规施肥管理模式下土壤有效磷和有效钾含量显著上升，一方面提高了玉米、甘薯生产力，但却导致了养分的不平衡，紫色土全氮含量和pH出现了下降，导致小麦产量出现下降风险。紫色土肥力的障碍因子是较低的土壤全氮和有机质含量。所以农民常规施肥不利于紫色土的培肥，应该注重平衡施肥，增施有机肥，在提高土壤磷和钾有效性的同时，保持土壤全氮和有机质的平衡。      

长期不同施肥模式对潮土有机碳组分的影响

采用物理分组方法分析了长期不同施肥模式条件下潮土有机碳组分变化及其分布规律。结果表明，与不施肥（CK）比较，长期氮、磷、钾平衡施用（NPK）、秸秆还田（NPKS）和有机无机肥配施（NPKM和1.5NPKM）均显著提高了潮土粗自由颗粒有机碳（cfPOC）、微团聚体内物理保护颗粒有机碳（iPOC）及矿物结合有机碳（mSOC）的含量，其中以粗自由颗粒有机碳增幅最高，达114.5%～278.9％，对施肥最敏感，能较好反映长期施肥下土壤有机碳库的变化。矿物结合有机碳是潮土固存有机碳的主要形式，它占总有机碳的67.0%～80.4%。除偏施化肥（N和NP）外，其它施肥模式增加的总有机碳有49.1%～58.1%进入矿物结合有机碳组分；26.2%～31.7%进入粗、细自由颗粒有机碳组分；15.7%～20.9%进入物理保护有机碳组分。偏施化肥（N和NP）有利于自由颗粒有机碳的增加。综上分析，长期有机无机肥配施或秸秆还田是提升潮土不同组分有机碳库的较好施肥模式。     

长期施肥红壤矿物颗粒结合有机碳储量及其固定速率

采用物理分组方法分析了长期不同施肥模式下红壤耕层（0—20cm）不同大小矿物颗粒结合态有机碳储量差异及其固定速率。结果表明，与不施肥相比，长期施肥均显著增加了耕层土壤砂粒、粗粉粒、细粉粒及粗黏粒结合有机碳的储量，且以配施有机肥（M、NPKM和1．5NPKM）效果最显著，固碳速率分别达到0．13-0．24、0．19-0．23、0．05-0．16及0．12～0．36Mg·hm^-2．a^-1；施化肥（NPK、NP、N）和秸秆还田（NPKS）有利于增加细黏粒有机碳储量，且固碳速率高于配施有机肥，分别达到0．08～0．13和0．11Mg·hm^-2·a^-1。17a有机肥配施有利于增加固存于粗粉粒（30．5％）和粗黏粒（30．7％）中的有机碳；而秸秆还田（NPKS）和化肥施用下，有利于增加固存于粗粉粒（32．9％）和细黏粒（42．9％）中的有机碳，说明无论化肥配施还是有机无机配施，红壤粗粉粒是固定新增有机碳的主要组分，而长期配施有机肥是提升红壤各级颗粒有机碳库的较好施肥模式。     

长期施肥下水稻土有机碳固持形态与特征

基于为期30年的红壤性水稻土长期定位试验,选用不施肥(CK)、化肥氮磷钾配施(NPK)、NPK配施低量有机肥(NPKM7/3)、NPK配施中量有机肥(NPKM5/5)、NPK配施高量有机肥(NPKM3/7)五个处理,通过物理-化学联合分组方法,分析土壤有机碳在不同施肥处理下的非保护、物理、化学、生化、物理-化学及物理-生化保护组分的碳含量特征及其与土壤总有机碳之间的关系,并探讨稻田土壤有机碳的固持机制。结果表明,除了非保护的轻组和微团聚体内闭蓄态的粘粉粒组分外,其他组分的质量比例在各施肥处理间均有显著性差异。有机无机配施(NPKM7/3、NPKM5/5、NPKM3/7)下,总有机碳含量(19.1~25.0 g·kg-1)、非保护的粗颗粒有机碳(cPOM)含量(8.41~12.7 g·kg-1)及物理保护的微团聚体有机碳(6.41~6.62 g·kg-1)含量均显著高于CK处理(P<0.05)。对化学、生化、物理-化学及物理-生化保护态的有机碳含量无显著性影响,表明非保护的cPOM及物理保护的微团聚体(μagg)对施肥的响应最敏感。相关分析表明,cPOM、物理保护的μagg及其闭蓄的细颗粒有机碳(iPOM)与土壤总有机碳含量之间呈显著正相关关系(P<0.05),相关方程的斜率表明有机碳变化引起了组分变化,其中:土壤总有机碳变化引起的cPOM变化率最高(50%);土壤总有机碳积累引起物理保护的μagg及其闭蓄的iPOM碳组分变化率为12%;生化保护的非酸解粘粒和物理-化学保护的酸解的粉粒虽与土壤总有机碳显著相关,其变化率仅为2%~3%;其他各保护机制下的组分与土壤总有机碳含量均无显著相关关系。这表明在现行种植和管理制度下,供试红壤性水稻土有机碳主要以cPOM及μagg有机碳的形式积累,土壤化学、生化、物理-化学及物理-生化保护碳组分可能已经达到平衡。     

外源有机物料碳氮在红壤团聚体中的残留特征

【目的】土壤团聚体不仅是土壤结构的重要单元,也是土壤有机碳和氮素固持的重要场所。探究还田秸秆和有机肥中的有机碳和氮素在土壤团聚体中的残留特征,为深刻认识团聚体对外源有机碳和氮素的固持机制及土壤的可持续管理提供依据。【方法】以中国南方典型红壤(C3植物为主的自然植被)为研究对象,设置以下5个处理:(1)对照;(2)低量玉米秸秆添加;(3)高量玉米秸秆添加;(4)低量15N标记有机肥(与处理(2)等碳量);(5)高量15N标记有机肥(与处理(3)等碳量)。采用室内模拟培养试验(恒温恒湿条件下培养300 d),运用13C和15N同位素示踪技术,研究培养后土壤大团聚体(250—2 000μm)、微团聚体(53—250μm)、粉黏粒组分(53μm)中有机碳和氮含量及其同位素丰度(13C和15N),分析外源碳氮在土壤各团聚体组分的分配比例及残留特征。【结果】培养300 d后,与对照相比,添加秸秆或有机肥显著提高土壤总有机碳和全氮含量(P0.05),提高幅度随物料添加量增加而增加。低量或高量有机肥添加后土壤及各级团聚体有机碳和氮素含量显著高于等碳量的秸秆处理。与对照相比,秸秆处理显著提高大团聚体(250—2000μm)有机碳和氮的分配比例,其中,高量处理分别提高19.5和22.4个百分点;但该处理显著降低粉黏粒组分(53μm)有机碳和氮素分配比例,平均降低11.4和12.6个百分点。与对照相比,有机肥处理显著提高微团聚体(53—250μm)有机碳和氮素的分配比例,其中,低量有机肥处理分别提高11.6和8.3个百分点;而显著降粉黏粒组分(53μm)的有机碳和氮的分配比例,平均降低6.0和9.4个百分点。同位素结果显示,高量或低量秸秆处理各粒级团聚体之间,大团聚体(250—2 000μm)有机碳的δ13C值最高,其次为粉黏粒组分(53μm),微团聚体(53—250μm)最低。而不同处理之间,高量秸秆处理总土及各粒级团聚体δ13C值明显高于低量秸秆和对照处理,而后两者没有明显差异。高量秸秆处理下,秸秆有机碳残留率为57.6%,其中,大团聚体的秸秆有机碳残留率(25.9%)相当于粉黏粒组分(53μm)残留率(13.3%)的2倍。添加15N标记的有机肥处理后,来源于有机肥的氮素在土壤中总残留率为77.3%,其中,微团聚体中有机肥氮素残留率为45.2%,相当于大团聚体(10.4%)的4倍以上。【结论】等碳量条件下,有机肥相对于秸秆更有利于土壤碳氮的积累。还田后50%的残留秸秆有机碳在大团聚体内固持,而58%残留的有机肥氮被固定在微团聚体中。     

长期施肥红壤矿物颗粒结合有机碳储量及其固定速率

采用物理分组方法分析了长期不同施肥模式下红壤耕层(0～20 cm)不同大小矿物颗粒结合态有机碳储量差异及其固定速率.结果表明.与不施肥相比,长期施肥均显著增加了耕层土壤砂粒、粗粉粒、细粉粒及粗黏粒结合有机碳的储量,且以配施有机肥(M、NPKM和1.5NPKM)效果最显著,固碳速率分别达到0.13～0.24、0.19～0.23、0.05～0.16及0.12～0.36 Mg·hm~(-2)·a~(-1);施化肥(NPK、NP、N)和秸秆还田(NPKS)有利于增加细黏粒有机碳储量,且固碳速率高于配施有机肥,分别达到0.08～0.13和0.11 Mg·hm~(-2)·a~(-1).17 a有机肥配施有利于增加同存于粗粉粒(30.5%)和粗黏粒(30.7%)中的有机碳;而秸秆还田(NPKS)和化肥施用下,有利于增加固存于粗粉粒(32.9%)和细黏粒(42.9%)中的有机碳,说明无论化肥配施还是有机无机配施,红壤粗粉粒是固定新增有机碳的主要组分,而长期配施有机肥是提升红壤各级颗粒有机碳库的较好施肥模式.     

石灰对土壤中Cu、Zn污染的钝化及对蔬菜安全性的影响

采用盆栽试验,按照土壤环境质量二级、三级标准,外源加入Cu、Zn污染物于黄泥土上,平衡2个月后,施加石灰,种植小白菜,观测石灰对土壤中重金属的钝化作用及对小白菜生物量和Cu、Zn含量的影响。结果表明,施用石灰能有效地降低土壤中重金属有效态含量,提高蔬菜的生物量,降低蔬菜对重金属的吸收。施入石灰后土壤有效Cu含量降低了81%,有效Zn降低了64%;土壤添加Cu400mg·kg-1时,施用石灰使小白菜中Cu含量降低了55%;Zn在添加量250mg·kg-1和500mg·kg-1时,小白菜中Zn含量分别降低了82.4%和87.6%。尤其是在重金属污染土壤二级水平下,施用石灰能够使得蔬菜中的重金属含量符合卫生标准。因此,石灰可以用来钝化污染土壤的重金属,减少重金属对蔬菜的毒害,确保蔬菜食用的安全性。     

土壤外源铅的稳定化特征及其对土壤性质的响应

为探明土壤理化性质对外源铅（Pb）稳定化过程的影响,选取11种理化性质差异较大的土壤样品,分别加入500mg·kg-1Pb和500mg·kg-1Pb＋1.0mg·kg-1镉（Cd）后进行360d的室内培养,利用5个动力学模型对Pb稳定化过程进行模拟,并进一步分析了有效Pb变化的特征及其关键影响因素。结果表明,在Pb单一和Pb-Cd复合污染下,所有土壤有效Pb浓度在初始的15d内都迅速下降,随后变化减缓,60d后基本达到平衡。外源Cd对Pb浓度变化的影响非常小。5个动力学模型中以二级动力学方程模拟结果最好,所得的稳定化平衡浓度Ce2和表观速率常数k2能够较好地表征Pb的衰减和稳定过程。相关和逐步回归分析表明,提高土壤pH、阳离子交换量和有机质含量能够显著加快Pb的稳定化速率、降低Pb的平衡浓度,并以pH对Pb稳定化速率和平衡浓度的直接影响最大。     

施用有机肥提升不同土壤团聚体有机碳含量的差异性

基于收集已发表文献数据,建立具备相同有机碳分组方法(湿筛法)、相对独立的43篇文献的319组成对数据,利用Meta整合分析法研究不同耕地类型、种植制度及土壤质地条件下施肥对各粒径团聚体(2、2~0.25、0.25~0.053、0.053 mm)有机碳含量的影响程度。结果表明:与不施肥相比,施用有机肥和化肥均显著提升了土壤总有机碳(TSOC)及2、2~0.25、0.25~0.053 mm粒径团聚体有机碳含量,有机肥对总有机碳的提升幅度(38.0%)是化肥(8.8%)的4.3倍,而对各级团聚体有机碳的提升幅度(39.7%~72.3%)是化肥(4.3%~15.8%)的4.6~9.2倍(P0.05)。对于0.053 mm团聚体有机碳而言,施用化肥无影响,但有机肥能显著提升其有机碳含量。在同一条件不同粒径下,与不施肥相比,一年两熟、旱地、砂土及黏土下施用有机肥对2~0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的提升幅度显著高于其他粒径。在同一粒径不同条件下,与不施肥相比,施用有机肥对不同粒径团聚体有机碳含量的提升幅度(P0.05)存在显著差异,分别为2~0.25 mm:砂土壤土、黏土;旱地水田、水旱轮作;0.25~0.053 mm和0.053 mm:一年一熟一年两熟;旱地水田、水旱轮作。施用化肥与施用有机肥结果类似,但差异不显著。施用化肥显著降低了水田中0.053 mm粒径团聚体有机碳含量,降低幅度为16.4%。0.25和0.25 mm粒径团聚体有机碳含量均与TSOC呈极显著正相关关系,TSOC每增加1.00g·kg~(-1)时,0.25 mm粒径团聚体有机碳含量的增加幅度(0.61 g·kg~(-1))要高于0.25 mm粒径(0.23 g·kg~(-1))。可见,施用有机肥有利于农田土壤团聚体有机碳的累积,尤其是大团聚体(0.25 mm),而不同条件下,尤其在旱地及质地较轻的砂土中,对土壤团聚体有机碳含量的累积更应该考虑有机肥的投入。     

我国作物秸秆资源时空变化特征及其影响因素分析

厘清农作物秸秆的时空变化特征,对秸秆资源高效利用和国家种植结构调整的宏观决策具有重要参考意义。本研究基于国家统计年鉴资料,整理了我国近20年(1999—2018)31个省(直辖市、自治区)的作物产量及草谷比,分析了农作物播种面积和秸秆资源量的时空分布特征,探讨其关键影响因素。结果表明,我国水稻、小麦、玉米和大豆的秸秆量占全国秸秆资源总量的82.3%~88.3%,而谷子、油料作物、经济作物等其它作物的秸秆资源占比11.7%~17.7%。不同秸秆资源的主要分布区域差异较大,水稻、小麦和大豆秸秆资源分别主要分布在长江中下游、华北和东北地区;玉米秸秆资源主要分布在华北和东北地区。近20年来水稻播种面积占比基本稳定在25%左右;小麦播种面积从1999年的23.1%降低到2018年的18.7%,但玉米播种面积从1999年的20.8%增加到2018年的32.5%。水稻、玉米和大豆的秸秆资源量主要受播种面积的影响,但小麦秸秆资源量变化受其影响较小。因此,在优化秸秆资源高效利用时,应该充分考虑东北、华北和长江中下游地区种植结构调整与秸秆资源利用技术推广。