氮肥施加条件下增温对硝化菌活性和丰度的影响

温度在多种生物地球化学过程中起到关键的调节作用,是影响土壤硝化作用和微生物分布的重要因素之一。硝化过程的第1个步骤由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)催化,然而,不同施氮量下,增温对硝化菌活性和丰度的影响尚不清楚。本研究基于2008年10月起设立于太行山山前平原的长期增温试验平台(高于地表2m的红外加热器使土壤温度升高1.5℃),于2018年5月对不施氮(N0)和施氮[N1,240kg(N)·hm-2·a-1]下增温分别对0～10 cm和10～20 cm土壤硝化潜势(PNR)、AOA和AOB丰度的影响进行了研究。硝态氮(NO3--N和铵态氮(NH4+-N)含量用分光光度法测量,应用缓冲液培养法测定土壤PNR,提取土壤DNA后用实时荧光定量PCR技术测定功能基因AOA和AOB的丰度。结果表明:温度升高显著增加N1条件下PNR和NO3--N含量(P0.05),降低了N0条件下PNR和NO3--N含量,但差异不显著。N1条件下,增温土壤AOB丰度显著提高(P0.05); N0条件下,增温土壤AOA丰度显著降低(P0.05)。与N0相比, N1条件下的AOA/AOB比值明显降低,表明增温加氮肥处理对AOB的生长刺激更强烈。在增温加施氮条件下,细菌(AOB)表现显著的正反应,在增温不施氮条件下,古菌(AOA)和AOB表现显著的负反应。本研究结果可为全球增温背景下进一步了解硝化活性和氨氧化微生物对增温和氮有效性的响应提供科学依据。     

华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究

本文总结了25年来针对华北平原小麦-玉米两熟系统,农田的碳循环对气候变化(温度升高)和管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式等)响应机制的研究成果。自2001年起我们在中国科学院栾城农业生态系统试验站建立了3个长期定位碳循环试验:耕作试验、有机循环试验和增温试验,并完善了4种农田碳过程监测方法体系:隔离罐-碱液吸收CO_2法、静态箱-气相色谱法、涡度相关技术和浓度梯度法。量化了华北平原小麦-玉米两熟系统碳输入-输出的平衡,并对华北平原施氮农田土壤碳截留进行了再评价,指出秸秆还田下高水高肥的精细管理农田正在以77 g(C)·m~(-2)·a~(-1)的速度丢失碳;此外长期氮施入虽然显著增加0~100 cm土体的土壤有机碳含量,但同时会造成0~60 cm土体土壤无机碳含量显著降低。我们在对碳过程环境效应的研究中进一步指出:增温和施氮均会降低CH4汇强度,但对土壤呼吸无显著影响,这可能主要是由于试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的部分影响和土壤呼吸对土壤温度升高的适应性造成的。我们对剖面土壤气体的研究表明施氮对剖面CH4和CO_2均无显著影响。进一步将静态箱法和浓度梯度法相结合的研究结果表明0~40cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO_2产生和CH4吸收的主要发生层。     

华北半干旱区农田土壤肥力变化及培肥管理对策——以山西忻府区为例

为了揭示华北半干旱区农田养分丰缺状况和演变规律,和指导培肥地力管理措施,以忻府区为例,采用1963年、1980年、2006年和2010年4次土壤肥力监测及农业统计数据和农户调查资料,研究4个主要土壤肥力指标（有机质、全氮、有效磷和速效钾）的变化程度,并分析忻府区农田土壤肥力演变趋势及原因,提出未来培肥管理的相应对策。结果表明,自1963年以来,全区土壤养分平均含量总体处于逐年下降的趋势,1980年基本处于最低水平,之后养分开始缓慢回升,从2006年以后养分增加速度加快,到2010年,有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别达到15.3、0.79、15.6、149 mg/kg。导致这种变化的主要农田管理原因是,投入的严重不足和种植模式改变使前期肥力出现下降,1980年后化肥施用量大幅增加和灌溉条件的改善促进土壤肥力的回升,而秸秆还田加快了2006年以后土壤肥力回升。实施精准配方施肥,推行秸秆还田,有机无机相结合的施肥制度,并实行保护性耕作措施、改善灌溉条件和扩大灌溉面积的综合管理是所在区域加快土壤培肥的有效措施。     

河北省坝上地区农业持续发展途径研究

简析了河北省坝上地区自然、气候特征和农业生产中存在的问题,指出坝上地区发展以牧为主的大农业,调整农业结构,在草地恢复和重建中实行集约化经营,增加投入,提高牧草产量,是坝上地区农业持续发展的重要途径。     

华北山前平原农田生态系统氮通量与调控

针对华北太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作农田, 研究农田常规施肥[400 kg(N)·hm^-2·a^-1]条件下作物氮素吸收与损失通量过程, 并根据各氮素输出通量特征开展管理调控。研究结果表明, 全年小麦-玉米轮作农田系统氮输入总量为561~580 kg(N)·hm^-2, 输出量468~494 kg(N)·hm^-2, 两季作物总盈余86~93 kg(N)·hm^-2, 其中有机氮为24~36 kg·hm^-2。氨挥发和NO₃^--N 淋溶损失是该区域农田氮素损失的主要途径, 是氮肥利用率低的重要原因。平均每年因氨挥发而造成的肥料氮损失量为60 kg(N)·hm^-2, NO₃^--N 淋溶损失量为47~84kg(N)·hm^-2, 两者占施肥总量的30%。每年因硝化-反硝化过程造成的肥料损失很小, 仅为5.0~8.7 kg(N)·hm^-2。通过施肥后适时灌水、合理调控灌水时间与用量, 以及利用秸秆还田与肥料混合施用等管理措施可改善氮素的迁移和转化规律, 有效减少氨挥发和NO₃^--N 淋溶损失, 并结合缓/控释肥与精准施肥技术, 充分利用土壤本身矿质氮素, 可有效提高养分利用效率和作物产量, 改善农田生态环境与促进农业持续和谐发展。     

华北平原氮肥周年深施对冬小麦-夏玉米轮作体系土壤氨挥发的影响

氮肥深施能有效减少土壤氨挥发，然而目前国内外关于小麦-玉米轮作体系氮肥深施缺乏周年系统性研究。本试验于2018年10月—2019年10月在中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦-玉米轮作农田进行，利用动态箱法研究不同深施模式氨挥发损失率、氨挥发特征，旨在探讨冬小麦-夏玉米轮作体系下土壤氨排放对氮肥深施的响应，为减少农业源氨排放和优化农田施肥提供理论依据。试验设置5个处理：不施肥（CK）、常规肥料表施（T₁）、缓释肥表施（T₂）、缓释肥基追肥分层深施（T₃）、缓释肥一次性分层深施（T₄）。结果表明：氨挥发主要发生在玉米追肥季，占全年氨挥发量的84.84%；T₁、T₂、T₃和T₄处理的周年氨挥发累积量分别为22.75 kg·hm^-2、6.17 kg·hm^-2、2.25 kg·hm^-2和0.55 kg·hm^-2，分别占总施肥量的4.86%、1.32%、0.48%和0.13%。与常规肥料表施（T₁）相比，缓释肥处理（T₂、T₃和T₄）分别降低72.88%、90.11%和97.32%的氨挥发损失；一次性深施处理（T₄）能避开土壤氨高挥发期，周年氨挥发累积量与不施肥处理（0.43 kg·hm^-2）没有显著差异，且显著低于表施处理。CK、T₁、T₂、T₃和T₄全年产量分别为8.31 t·hm^-2、13.20 t·hm^-2、12.66 t·hm^-2、14.42 t·hm^-2和14.22 t·hm^-2；与常规肥料表施（T₁）相比，缓释肥深施（T₃和T₄）均可提高作物产量，分别增产9.25%和7.75%。而缓释肥表施（T₂）产量略有降低。综合考虑土壤氨排放和作物产量，缓释肥表施（T₂）可以显著降低土壤氨挥发，但是作物产量不稳定；而氮肥深施（T₃、T₄）能在保证作物高产的基础上显著降低土壤氨排放，是一种高效、简便、环境友好的施肥方式。     

玉米地土壤反硝化速率与N2O排放通量的动态变化

应用乙炔抑制原状土柱培育法测定了4种施肥处理的玉米地N素反硝化损失速率和氧化亚氮（N2O）排放通量，并分析了它们与土壤湿度、土壤温度以及硝态氮（NO3^-－N）含量之间的关系，计算了因反硝化和N2O排放造成的N肥损失率。结果表明，玉米生育期内土壤N素的反硝化损失量为0．67－3．85kg/hm^2，N肥的反硝化损失率为0．5％－1．5％；土壤N2O排放总量为0．55－1．42kg/hm^2，N肥的N2O排放系数为0．2％－0．5％。     

长期添加外源有机物料对华北平原不同粒级土壤氮素和氨基糖的影响

华北平原是我国主要的粮食生产基地之一,农民为了追求高产,过量施用化肥的弊端日益凸显。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站有机养分循环再利用长期定位试验,开展不同外源有机物料对土壤氮素和氨基糖在不同粒级土壤库中分布的影响研究,为阐释不同农业管理措施下土壤氮素的物理保护机制和生物保护机制提供依据。定位试验设6个处理：无肥无秸秆处理（对照,CK）、单施猪圈肥（M）、单施化肥（NPK）、单施秸秆（SCK）、化肥配施猪圈肥（MNPK）和化肥配施秸秆（SNPK）。通过超声波分散-离心分离得到3种粒径土壤——砂粒级（2 000~53 μm）、粉粒级（53~2 μm）和黏粒级（<2 μm）,分析全土及各粒级土壤中全氮和3种土壤氨基糖（氨基葡萄糖、胞壁酸和氨基半乳糖）的含量及变化;基于这3种土壤氨基糖的稳定性和异源性,以氨基糖作为微生物残留物标识物,了解真菌和细菌残留物的积累和转化,阐释真菌和细菌在养分转化中的作用。结果表明：添加有机物料（秸秆、猪圈肥）明显提升了土壤全氮和氨基糖含量,粒级间土壤氮素和氨基糖含量顺序均为黏粒级>砂粒级>粉粒级。添加有机物料对砂粒级土壤氮素影响最大,长期化肥配施猪圈肥中氮素主要在砂粒级中富集,长期化肥配施秸秆的氮素主要在黏粒级中富集。添加秸秆主要提高了真菌来源的氨基葡萄糖的含量,而添加猪圈肥主要提高了土壤中细菌来源的胞壁酸含量,表明添加不同有机物料可影响土壤微生物的群落结构。从各粒级中氨基葡萄糖/胞壁酸的比值来看,添加不同类型外源有机物料对砂粒级土壤微生物群落结构影响最为明显。由此可见,在长期秸秆还田措施下实施有机粪肥部分替代化肥不仅可以减少化肥用量,还可提升土壤养分含量和微生物多样性,改善土壤质量。     

保护性耕作对土壤养分分布及冬小麦吸收与分配的影响

通过田间试验研究了华北平原山前平原区不同耕作方式下土壤氮、磷、钾等养分分布及冬小麦吸收与分配变化和对产量的影响。试验设深翻耕秸秆还田(MC)、秸秆还田旋耕(X)、秸秆粉碎免耕(NC)和整秸覆盖免耕(NW) 4 种冬小麦播前土壤耕作方式。试验结果表明, 6 年的不同耕作处理对土壤养分分布及冬小麦吸收与分配有显著影响。秸秆还田旋耕可显著提高土壤表层(0~5 cm)有机质、全氮以及碱解氮、速效磷、速效钾含量,但随土壤深度增加, 提高效果呈逐渐下降趋势; 20~30 cm 土层土壤有机质、全氮和速效氮含量显著低于秸秆粉碎免耕处理。两种免耕模式(NC、NW)植株的全氮、全磷、全钾含量在苗期明显低于翻耕(MC)和旋耕(X)模式,在返青期差异最为显著。到拔节和扬花期, 免耕(NC、NW)植株的全氮、全磷、全钾含量与翻耕(MC)和旋耕(X)之间的差异逐渐减少, 并最终影响到籽粒养分的积累。     

华北山前平原农田土壤养分循环的酶学调控

土壤酶是推动土壤养分循环的生物催化剂, 研究华北山前平原农田养分循环的酶学调控机制将有助于评价该地区土壤养分状况。试验用土壤取自中国科学院栾城农业生态系统试验站, 分析了土壤脲酶与碱性磷酸酶活性在0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 和30~40 cm 4 个土层中的分布, 研究了土壤粗砂(2 000~200 μm)、粉砂(200~63 μm)、粉粒(63~2 μm)和黏粒(2~0.1 μm) 4 个颗粒组中土壤酶活性与土壤养分之间的相关性。研究结果表明: 土壤脲酶活性与碱性磷酸酶活性均随土壤深度增加而降低, 土壤酶活性随土壤粒径减小而升高。在土壤粗砂和粉砂组分中, 土壤酶活性与养分含量显著相关, 而在土壤粉粒和黏粒组分中, 土壤酶活性与土壤养分含量并不总是显著相关。这些结果说明: 土壤酶活性在土壤养分循环中起到重要的调控作用, 土壤粗砂和粉砂中的土壤酶具有较高的田间实际催化活性, 对土壤养分循环的贡献较大; 与此相反, 土壤粉粒和黏粒中的土壤酶由于土壤无机矿物的吸附作用而失去部分田间催化能力, 降低了其对土壤养分循环的贡献。