我国主要粮食作物秸秆还田养分资源量及其对小麦化肥减施的启示

【目的】明确我国主要粮食作物秸秆及其养分资源特征,为秸秆肥料化利用、化肥合理减施及农业绿色生产提供科学依据。【方法】基于《中国统计年鉴》和文献资料数据,估算我国水稻、小麦和玉米秸秆及其养分资源量,分析秸秆和养分资源区域分布特征、养分资源当季释放量以及小麦生产中化肥减施量。【结果】通过文献数据加权估算,我国水稻、小麦和玉米的草谷比分别为1.01、1.14和1.25。2014—2018年,我国三大粮食作物秸秆年均产量为65 386.6万t,其中水稻、小麦和玉米秸秆产量分别占32.3%、22.7%和45.0%。秸秆资源量的73.3%分布在我国华北、长江中下游和东北农区,其中水稻秸秆主要集中在长江中下游农区（50.7%）、小麦秸秆主要集中在华北农区（59.0%）、玉米秸秆主要集中在东北农区（33.7%）和华北农区（30.4%）。我国水稻、小麦和玉米秸秆氮素（N）平均含量分别为0.78%、0.64%和0.85%,磷素（P₂O₅）平均含量分别为0.42%、0.27%和0.53%,钾素（K₂O）平均含量分别为2.31%、1.53%和1.59%,秸秆总养分含量（N+P₂O₅+K₂O）表现为水稻>玉米>小麦。三大粮食作物秸秆养分资源年均量为509.8万t（N）、284.7万t（P₂O₅）和1 183.0万t（K₂O）,不同农区总养分量分布表现为长江中下游（26.0%）>华北（25.4%）>东北（21.3%）>西北（11.1%）>西南（10.5%）>东南（5.6%）。我国水稻、小麦和玉米秸秆还田氮素当季释放率分别为54.9%、51.4%和61.9%,磷素当季释放率分别为60.9%、65.3%和73.0%,钾素当季释放率分别为90.1%、93.3%和92.3%,表现为钾>磷>氮。三大粮食作物秸秆还田养分当季归还量（化肥可替代量）年均值为294.0万t（N）、194.1万t（P₂O₅）和1 083.9万t（K₂O）,总量为1 572万t,其中以玉米秸秆养分（N+P₂O₅+K₂O）当季归还量最高,占当季养分总归还量的44.6%。秸秆还田对我国小麦生产具有较高化肥替代潜力,在小麦一年一作区,小麦秸秆全量还田理论上可替代4.6 kg N·hm ^-2、7.8 kg P₂O₅·hm ^-2和65.3 kg K₂O·hm ^-2的化肥投入量;小麦玉米轮作区,玉米秸秆全量还田理论上可替代小麦生产季39.4 kg N·hm ^-2、28.9 kg P₂O₅·hm ^-2和109.9 kg K₂O·hm ^-2的化肥投入量;稻麦轮作区,水稻秸秆全量还田理论上可替代小麦生产季29.9 kg N·hm ^-2、17.8 kg P₂O₅·hm ^-2和145.1 kg K₂O·hm ^-2的化肥投入量。【结论】我国水稻、小麦和玉米秸秆年均产量分别为21 141.5万t、14 843.1万t和29 402.0万t,总量为65 386.6万t。三大粮食作物秸秆全量还田养分当季释放量为294.0万t（N）、194.1万t（P₂O₅）和1 083.9万t（K₂O）。70%以上秸秆资源和养分当季释放量集中在长江中下游、华北和东北地区。小麦生产区,前茬作物秸秆全量还田理论上可替代 4.6—39.4 kg N·hm ^-2、7.8—28.9 kg P₂O₅·hm ^-2和65.3—145.1 kg K₂O·hm ^-2的化肥投入量。     

秸秆还田对黄土旱塬麦田土壤团聚体有机碳组分的影响

探究不同秸秆还田量对黄土旱塬麦田土壤团聚体稳定性及碳库变化特征的影响,可为旱作农田土壤培肥提供理论依据。在晋南旱地冬小麦种植区,设置S0（不还田）、S1/2（1/2倍还田）、S1（1倍还田）、S2（2倍还田）4个处理,通过连续3 a试验研究了不同秸秆还田量下土壤团聚体组成及稳定性变化情况,土壤及各粒级团聚体中总有机碳（Total Organic Carbon,TOC）、轻组有机碳（Light Fraction Organic Carbon,LFOC）、重组有机碳（Heavy Fraction Organic Carbon,HFOC）与胡敏素碳（Humin Carbon,HM-C）、胡敏酸碳（Humic Acid Carbon,HA-C）和富里酸碳（Fulvic Acid Carbon,FA-C）含量的变化特征,以及各粒级团聚体中有机碳组分与团聚体稳定性之间的关系。结果表明：黄土旱塬麦田土壤,随着秸秆还田量的增加,>0.25 mm大团聚体含量逐渐增加,<0.25 mm微团聚体及粉黏粒含量逐减少;S2处理下,平均重量直径、几何平均直径、>0.25mm团聚体质量百分数较S0处理分别增加了14.7%（P<0.05）、22.2%（P<0.05）、13.9%（P<0.05）,提高了团聚体的稳定性。秸秆还田提高了全土TOC含量,以S2处理下土壤TOC含量最高,较S0处理增加了28.1%（P<0.05）。另外,秸秆还田提升了>0.25～2 mm团聚体中HM-C、HA-C和FA-C含量,其中S2处理较S0处理分别提高了19.0%（P<0.05）、25.5%（P<0.05）、14.9%（P<0.05）,并且胡敏酸碳和富里酸碳的比值（HA-C/FA-C）也随着秸秆还田量的增加而提高。<0.053 mm粉黏粒的FA-C含量变化是引起水稳性团聚体稳定性变化的主要原因,能解释其变化的64.1%。总体表明,秸秆还田促进了黄土旱塬麦区土壤水稳性微团聚体向水稳性大团聚体的转化,提高了团聚体稳定性。秸秆还田增加了土壤及各团聚体中有机碳及其组分含量,并进一步提高土壤腐殖化程度,且秸秆还田量越高,提升幅度越大。2倍秸秆还田量（平均7 477 kg/(hm2·a)）对当地土壤有机碳含量提升、土壤结构改善的效果最好。研究结果对旱地土壤肥力和碳汇能力提升具有重要意义。     

秸秆还田替代化肥对黄土旱塬小麦产量及水肥利用的影响

为研究不同秸秆还田量替代部分化肥后对黄土高原冬小麦产量、水肥利用效率和硝态氮积累特征的影响。于2018—2021年在晋南黄土旱塬冬小麦种植区,设置秸秆不还田(S0)、秸秆半量还田(S1/2)、秸秆全量还田(S1)、秸秆2倍量还田(S2)4个还田量处理,研究不同秸秆还田量替代化肥对冬小麦产量形成、水肥利用效率及土壤硝态氮残留的影响。结果表明:在黄土旱塬麦区,秸秆还田替代8.3%~31.9% N和15.7%~63.2% P₂O₅的基础上,冬小麦产量总体随秸秆还田量增加而增加,且在降水丰沛年份,增加秸秆还田量可产生更大的产量效应。3年试验总体表明,S2处理冬小麦平均产量分别较S0、S1/2和S1处理分别高17.5%(P＜0.05),10.4%(P＜0.05),4.3%。连续3年秸秆还田均提高了冬小麦穗数,S2处理冬小麦平均单位面积穗数分别较S0、S1/2和[JP]S1处理高17.1%(P＜0.05),12.3%(P＜0.05),3.6%,不同处理间穗粒数和千粒重差异不显著。播前2 m土壤贮水量总体随着还田量的增加而增加,试验期间S2处理平均贮水量较S0提高8.3%(P＜0.05)。冬小麦生育期耗水量也表现为随着还田量的增加而增加,S2处理平均耗水量较S0处理增加了10.0%(P＜0.05)。不同处理间水分生产效率差异不显著,平均为14.9 kg/(hm²·mm)。在秸秆还田替代部分化肥基础上,旱塬冬小麦肥料利用效率随着秸秆还田量的增加而增加,其中,S2处理平均氮肥偏生产力(PFP_N)、氮肥农学效率(AE_N)、氮肥当季回收率(RE_N)和磷肥偏生产力(PFP_P)较S0处理分别提高66.4%,155.8%,113.5%,105.2%。连续3年秸秆不还田使0—2 m土壤硝态氮残留量较2018年播前提高100.6%,并随水向下淋溶在深层土壤中累积,而秸秆还田处理2 m土层硝态氮累积量均低于2018年播前,S2处理2 m土壤硝态氮残留量最低,为244.8 kg/hm²。综合考虑,晋南黄土旱塬麦区,在秸秆还田替代8.3%~31.9% N和15.7%~63.2% P₂O₅基地上,可增加播前土壤底墒,降低肥料残留,并提高肥料利用效率,进而提高冬小麦产量,其中,以2倍秸秆还田量(平均为7 477 kg/hm²)产生的产量和水肥效应最佳。研究结果可为推进旱作麦区面源污染防控和冬小麦高产高效绿色生产提供理论依据。     

秸秆还田对土壤肥力特征影响的研究进展

综述了秸秆还田对土壤结构、水温效应、养分特征和土壤微生物特性影响的研究进展。秸秆还田能降低土壤容重,增加孔隙度,提升有机碳含量,促进大团聚体的形成并增强其稳定性;秸秆覆盖还田更能改善土壤的蓄水保墒能力,提高作物的水分利用效率;秸秆还田后土壤温度受季节变化和地域特点的影响而呈现不同的规律,而且不同秸秆还田方式对土壤温度的影响也存在差异;总体来说,秸秆还田可以增加土壤有机质和氮、磷、钾养分的含量;秸秆还田可以提高土壤微生物量,并改善土壤微生物群落结构及多样性。     

山西省玉米种植区土壤养分含量特征

明确山西省玉米种植区土壤养分含量现状,为当地土壤养分调控和合理施肥提供理论依据.依据2019年山西省统计年鉴,选取山西省玉米种植面积最大的原平市和寿阳县,以及山西"农谷"建设区太谷县,作为研究典型代表区,根据各县土壤类型、地形特征以及种植区划,采集耕层(0 ～ 20 cm)土壤样品,分析土壤有机质、硝态氮、速效钾、有效磷、6种微量元素有效态含量及其10个土壤养分因子相关性分析.结果 表明,山西省玉米种植区耕层土壤有机质含量变化范围为4.10 ～ 53.98 g/kg,平均值为17.52 g/kg,土壤有机质含量主要集中在10～20 g/kg,样点所占比例为63.78％,整体处于较缺乏至中等水平;土壤硝态氮含量为4.97 ～ 37.51 mg/kg,平均值为19.79 mg/kg;土壤有效磷含量为3.17～74.12 mg/kg,平均值为22.64 mg/kg;土壤速效钾含量为58.81～ 517.02 mg/kg,平均值为220.42 mg/kg,土壤速效养分含量总体比较丰富.山西省玉米种植区土壤中有效铜(Cu)含量为0.24～6.00 mg/kg,平均值为1.26 mg/kg;有效锌(Zn)含量为0.17～ 5.30 mg/kg,平均值为2.07 mg/kg;有效镍(Ni)含量为0.05 ～ 1.30 mg/kg,平均值为0.31 mg/kg;有效铁(Fe)含量为2.60 ～ 29.57mg/kg,平均值为9.40 mg/kg;有效锰(Mn)含量在0.97～ 37.90 mg/kg,平均值为17.42 mg/kg;有效硒(Se)含量为11.99～85.24 μg/kg,平均值为30.43 μg/kg.相关分析表明,土壤有机质与土壤有效磷、速效钾以及有效态Cu、Zn、Fe之间存在显著或极显著正相关关系;土壤中有效态Fe、Mn、Ni之间存在着较高的极显著正相关关系;有效Se则与其他养分因子的相关性均不显著.山西省现阶段玉米种植区土壤有机质含量整体处于较缺乏至中等水平,土壤氮、磷和钾速效养分以及土壤有效态微量元素含量总体呈中等到较丰富水平,因此,山西省玉米生产过程中应进一步加强有机培肥管理.     

高温低氧对菌核存活率和土壤微生物组成的影响

核盘菌Sclerotinia sclerotiorum可引起多种重要经济作物的菌核病,造成严重损失。降低土壤中菌核数量是防治该病害的关键。本研究分析了土壤类型、土壤温度、水分含量和氧气水平对核盘菌菌核萌发率的影响,并通过高通量测序分析了相应处理对土壤微生物组成及丰度的影响。研究发现湿润条件下,35℃低氧处理2~4周可导致土壤中核盘菌菌核100%死亡。测序结果表明,处理4周后土壤中微生物的群落结构发生了显著变化。其中15℃正常氧水平条件下,菌核周围木霉菌属Trichoderma的丰度显著增加,35℃正常氧水平芽孢杆菌属Bacillus和篮状菌属Talaromyces相对丰度显著提高,而低氧条件下狭义梭菌属Clostridiumsensu stricto 1、11、12丰度显著提高。这一发现为通过调控土壤微生态防控作物菌核病提供了依据。