秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同时期土壤酶活性及细菌群落结构的影响

  【目的】  通过研究秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同生育期土壤酶活性和细菌群落结构的影响，揭示土壤细菌群落对不同施肥措施的响应规律，为调节土壤养分，提高作物产量，改善土壤生物功能提供科学依据。  【方法】  基于河南农业科学院原阳试验基地5年连续定位试验，选取不施肥 (CK)、单施化肥 (氮肥基追比1∶1，N)和秸秆全量还田下氮肥基追比1∶1 (SN1)、1∶1.5 (SN2) 和1∶2 (SN3) 共5个处理，于2016年夏玉米抽丝期和收获期采集0—20 cm土壤样品，采用常规方法测定土壤基础理化性质，采用荧光微型板酶检测技术测定土壤酶活性，采用Illumina Miseq高通量测序方法测定土壤细菌群落结构。  【结果】  秸秆还田下氮肥基追比对玉米产量及氮肥利用率产生明显影响，相比于N处理，SN1处理显著增产9.98%；SN1和SN2处理氮肥利用率分别提高9.83、5.10个百分点。在夏玉米抽丝期和收获期，相比于N处理，秸秆还田下各氮肥运筹处理不同程度地提高了土壤pH、有机碳、全氮和速效钾含量，其中均以SN1处理增幅最为明显。在玉米抽丝期，除土壤磷酸酶外，SN1处理土壤酶活性均为最高；SN1处理对收获期土壤β-葡萄糖苷酶、纤维二糖甘酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和酚氧化酶活性的促进最明显。细菌群落除抽丝期SN1与CK处理Shanno指数显著高于N处理而Simpson指数显著低于N处理外，其余处理间差异不显著。各施肥处理下门水平和纲水平的主要优势种群均为变形菌门、放线菌门和α-变形菌纲和放线菌纲。线性判别效应分析 (LEfSe) 显示，不同生育期比较，抽丝期最大LDA（linear discriminant analysis) 值为酸杆菌纲，收获期为芽单胞菌纲；而同一生育期各处理间比较，抽丝期各处理最大LDA值均为变形菌门的α-变形菌纲，收获期均为γ-变形菌纲。典范对应分析表明，抽丝期土壤pH (P = 0.002)、有机质含量 (P = 0.004) 和收获期土壤pH (P = 0.03)、硝态氮 (P = 0.036)、速效钾 (P = 0.044) 含量对细菌群落结构产生显著影响。  【结论】  土壤pH、有机碳、硝态氮和速效钾含量是影响细菌群落结构变化的主要因素。秸秆还田条件下，氮肥运筹显著影响土壤酶活性和细菌群落结构，氮肥基追比为1∶1时可显著提升土壤养分含量和酶活性，提高δ-变形菌纲、绿弯菌纲和TK10 (未分类) 相对丰度，从而更有效地促进秸秆分解和转化，发挥有机质调节土壤养分释放、减少养分损失的作用，最终提高玉米产量和氮肥利用率。     

品种演替和土壤肥力对小麦产量和磷生理效率的影响

以25年来长期定位施肥试验构建不同土壤肥力梯度为平台,研究品种演替过程中籽粒产量和磷效率对土壤肥力的响应。结果表明,各施肥处理,随品种演替小麦籽粒产量呈显著增加趋势,其中郑麦0856的产量最高(8 157. 3kg·hm-2),郑麦7698次之,豫麦13的产量最低(5 915. 39 kg·hm-2);不施肥处理(CK)则下降。无论施肥或不施肥处理,100 kg小麦籽粒对磷素的需求量均随品种的演替呈上升趋势。此外,随品种演替,磷的生理效率呈先增加后降低的趋势,郑麦941 (172. 48 kg·kg-1)的磷生理效率最高,郑麦9023 (145. 79 kg·kg-1)、郑麦7698 (130. 51kg·kg-1)和郑麦0856 (147. 65 kg·kg-1)次之,三者之间差异不明显,豫麦13 (66. 71 kg·kg-1)的磷生理效率最低;同一品种,单施化肥处理(NPK)小麦磷生理效率显著高于其他施肥处理(MNPK、1. 5MNPK和SNPK)(豫麦13除外)。同时,品种演变明显提高了磷农学效率;但在施肥条件下,继续增施肥料和养分投入使豫麦13、郑麦941、郑麦7698和郑麦9023的磷农学效率降低;而郑麦0856的农学效率随着土壤肥力的增加而增加,与籽粒产量协同提升。因此,黄淮海地区小麦品种演替在土壤肥力养分充足时籽粒产量显著提高,磷效率也呈增加的趋势。     

几种生物刺激素对小麦产量形成及品质的调控

为比较农用腐殖酸、生化腐殖酸、海藻酸钠寡糖、氨基酸、复合生物刺激素在小麦上的应用效果,采用盆栽试验,分析了这5种生物刺激素喷施对小麦产量形成及品质的影响。结果表明,喷施5种生物刺激素均可一定程度促进小麦旗叶的生长和提高SPAD值,以海藻酸钠寡糖处理效果最优,其净光合速率和水分利用效率较对照均显著增加,气孔限制值则显著下降。除氨基酸处理外,其他生物刺激素处理均可不同程度增加小麦产量,也以海藻酸钠寡糖处理效果最佳,其穗顶部、中部和基部的籽粒重、穗粒数及千粒重均显著增加。5种生物刺激素处理均能不同程度提高小麦总淀粉含量,以生化腐殖酸处理效果最优;此外,生化腐殖酸、农用腐殖酸和海藻酸钠寡糖处理还可提高支链淀粉含量,降低直/支比。除农用腐殖酸外,其余生物刺激素处理的蛋白质、湿面筋和干面筋含量均显著下降。综合而言,5种生物刺激素中,以海藻酸钠寡糖对小麦产量形成的促进效果较好,但对品质具有不利影响。     

长期定位施肥对潮土磷素下移及有效磷生态阈值的研究

研究长期施肥条件下磷素下移情况及其与0～20 cm土层有效磷含量的关系,明确有效磷生态阈值对作物产量和农业生态安全有重要的意义。试验基于"国家潮土土壤肥力与肥料效益长期监测站" 30年定位试验,选取5个处理,即不施磷肥(NK)、施用氮磷钾化肥(NPK)、氮磷钾化肥和有机肥配施(MNPK)、MNPK处理施肥量的1.5倍(1.5NPKM)、氮磷钾化肥与玉米秸秆还田配施(SNPK),采集0～20、 20～40、40～60、60～80、80～100 cm土壤样品,分析有效磷含量,研究土壤有效磷垂直变化,并分析0～20 cm土层有效磷含量与磷素下移关系。结果表明,长期施用磷肥可提高有效磷含量,施磷量越高,有效磷含量增加越快;0～20 cm土层有效磷含量15.7～24.7 mg/kg,磷素下移慢,可下移到40～60 cm土层;而有效磷含量大于55.6 mg/kg时,磷素下移速度显著增加,下移到60～80 cm土层,并且下移量更大。综上,磷素下移的深度受耕层有效磷含量的影响,潮土区土壤有效磷生态阈值为25 mg/kg,既满足作物高产对养分的需要,又不对生态环境造成危害。0～20 cm土层有效磷含量为15～25 mg/kg时,控制磷的投入量;当0～20 cm土层有效磷含量超出25 mg/kg,减少磷的投入。     

潮土小麦和玉米Olsen-P农学阈值及其差异分析

【目的】磷农学阈值是指导不同作物磷肥用量并获取最佳经济产量的重要依据，然而，不同地区不同的耕作制度、土壤类型、作物种类、pH、温湿度条件下，作物的磷农学阈值不同。明确小麦–玉米轮作体系下，典型潮土区小麦和玉米的磷农学阈值，并分析其差异。【方法】本研究基于“国家潮土土壤肥力与肥料效益长期监测站”25年的定位试验，选取氮、钾肥施用充足和磷肥用量不同的NK (不施磷肥)、NPK (施用氮磷钾化肥)、NPKM (氮磷钾化肥和有机肥配施)、1.5NPKM (高量氮磷钾化肥配施有机肥)、NPKS (氮磷钾化肥与玉米秸秆还田配施) 5个处理的试验数据，使用米切里西指数模型 (Mitscherlich exponential model) 拟合小麦和玉米的Olsen-P农学阈值，并通过对比不同土壤磷水平下两种作物的磷吸收利用特性，分析其阈值不同的原因。【结果】获得最大相对产量的95%时，潮土区小麦Olsen-P农学阈值为13.1 mg/kg，玉米Olsen-P农学阈值为7.5 mg/kg。玉米Olsen-P农学阈值低于小麦主要原因:1) 土壤磷水平较低时，小麦对磷缺乏更为敏感，而玉米可保持相对较强的吸磷能力，25年不施磷处理玉米吸磷量是小麦的1.4倍；2) 土壤Olsen-P含量达到玉米阈值，而未能达到小麦阈值时，可保障玉米籽粒、茎秆及小麦籽粒正常生长对磷的需求，但小麦茎秆磷浓度仅能达到相对最大磷浓度的68.9%，严重影响了小麦的正常生长和获取较高产量的能力；土壤Olsen-P含量提高到小麦阈值后，小麦茎秆磷浓度提高到相对最大磷浓度的80.5%以上，进而可保障小麦获得较高的产量；3) 土壤磷素养分充足时，小麦对磷的吸收量大于玉米，且主要是由于小麦茎秆磷浓度和吸磷量随土壤Olsen-P含量的增加而大幅度增加。【结论】小麦和玉米作为典型潮土区两种重要的粮食作物，Olsen-P农学阈值分别为13.1和7.5 mg/kg。由于两种作物的生理特性不同，小麦对磷素的吸收利用率较低，茎秆需要较高的土壤磷浓度维持正常生长，产量形成对磷养分需求更大。因此，小麦–玉米轮作体系下，小麦的磷农学阈值更高，小麦季所需土壤磷供应量大于玉米季。为增强磷肥利用效率，减少磷肥投入量和土壤中磷素的过量累积，玉米季磷肥使用量应适当小于小麦季。当土壤Olsen-P水平高于作物磷农学阈值后，减少或短时间停止施用磷肥并不会对作物产量有明显影响。     

不同施肥措施对冬小麦田间群体微环境的影响

以长期不施肥（CK）为对照，研究单施氮肥（N）、氮钾配施（NK）、氮磷配施（NP）、氮磷钾配施（NPK）对冬小麦田间群体小气候的影响。结果表明，长期不施肥、单施氮肥、氮钾肥配施（CK、N、NK）措施在小麦拔节期、灌浆期容易导致较高的群体冠层温度和群体内地面温度，群体叶片SPAD值较低，不利于小麦的生长，造成减产；而氮磷肥配施、氮磷钾肥配施（NP、NPK）措施则相反，更有利于小麦的生长，获得较高的产量，冠层温度调控幅度在0.5～8℃，地面温度调控幅度0.5~16℃，群体叶片SPAD值改善幅度3~17个单位。此外，不同施肥措施对小麦群体内相对湿度、CO₂浓度的影响没有表现出一定的规律性。     

潮土区小麦、玉米残体对土壤有机碳的贡献——基于改进的RothC模型

【目的】为进一步了解秸秆还田对土壤有机碳(SOC)的提升效果,探究作物残体(根系与秸秆)对潮土区SOC的贡献,为华北冬小麦-夏玉米区SOC提升提供理论依据。【方法】基于腐解试验的有机物料碳残留率数据,获得4种有机物料在RothC-26.3模型最优时对应的DPM/RPM参数值(易分解植物残体和难分解植物残体的比值)。利用修订的DPM/RPM参数,获得了改进的RothC-26.3模型,并用郑州潮土区短期腐解试验(2012年11月至2013年11月)和长期定位试验数据(1990—2008年)进行验证,模拟出郑州潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统中小麦、玉米残体在3种不同施肥处理下(不施肥CK,平衡施肥NPK和秸秆还田NPKS)对新形成SOC的贡献。【结果】在模型达到最优时,小麦根系(wheat root,WR)、小麦秸秆(wheat straw,WS)、玉米根系(corn root,CR)和玉米秸秆(corn straw,CS)的DPM/RPM值分别为0.89、3.04、4.35和3.25。模型结果显示,CK处理小麦根系、玉米根系的碳投入占碳投入的比例均为50%,而来源于小麦根系、玉米根系的SOC(0—20 cm)占新形成的SOC比例分别为60%、40%;小麦根和玉米根固碳效率分别为15.5%、10.8%;NPK处理小麦根系、玉米根系的碳投入占碳投入的比例分别为60%、40%,而来源于小麦根系、玉米根系的SOC(0—20 cm)占新形成SOC的比例分别为71%、29%;小麦根和玉米根固碳效率分别为17.5%、11.4%;NPKS处理小麦根系、玉米根系、玉米秸秆的碳投入的比例分别为47%、21%、32%,而小麦根系、玉米根系、玉米秸秆对新形成的SOC(0—20 cm)贡献分别为50%、22%、28%;小麦根系、玉米根系、玉米秸秆的固碳效率分别为16.9%、11.2%、11.4%。总之,冬小麦-夏玉米轮作系统中无论是不施肥、平衡施肥还是秸秆还田处理,小麦根系对新形成SOC的贡献率(50%—71%)大于玉米根系和玉米秸秆对新形成SOC贡献率(22%—40%)。源自小麦的SOC占新形成SOC的比例均分别大于源自小麦的碳投入占总碳投入的比例,而源自玉米的投入及其对新形成SOC的贡献则反之。小麦根系的固碳效率(15.5%—17.5%)大于玉米根系和玉米秸秆的固碳效率(10.8%—11.4%)。【结论】改进后的RothC模型可用来探究潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统中小麦、玉米残体对新形成SOC的贡献。郑州潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统中小麦根系对新形成SOC的贡献率均大于玉米根系和玉米秸秆的贡献率。根茬还田(尤其是小麦根茬还田)更有利于提升土壤有机碳含量。     

长期施用有机和无机肥对潮土氮素平衡与去向的影响

通过13年26季不同施肥方式对潮土土壤氮素平衡及去向进行定位监测的结果表明,不施氮肥土壤平均每年接受外源氮为N.23～24.kg/hm2,小麦和玉米带走N.82～88.kg/hm2,亏缺N.58.6～63.7.kg/hm2;各施氮肥处理平均每年实际盈余N.238.6～418.kg/hm2,其盈余多少顺序为1.5MNPKNNKMNPK(2)MNPKNPKNPSNPK。N、NK处理土壤接受外源氮N为4881和4876.kg/hm2,其中14.1%～20.7%被作物吸收利用,17.2%和5.2%残留在土壤,64%和72%损失;NP、NPK处理氮素去向基本一致,48%被作物利用,9.7%的残留在土壤中,55%损失;有机肥处理(MNPK)的氮素利用率、残留率和损失率分别为44.3%、23%和42%;有机肥用量增加,氮素利用率降低,损失率增加;秸秆还田(SNPK)氮素利用率最高,为51%;NK处理氮素损失最大。     

砂姜黑土区小麦施用磁性复合肥增产效应研究

研究结果表明 ,砂姜黑土区小麦施用磁性复合肥增产效果显著。其主要表现是促进小麦生长发育 ,增加有效分蘖 ,提高亩成穗数 ,增加穗粒数 ,提高千粒重。最高产量施肥量为2 50 2 kg/ hm2 ,经济最佳施肥量为 934 .5kg/ hm2 。磁性复合肥处理产量为最高。比对照增产72 .0 % ,增产 2 4 10 .5kg/ hm2。比处理等量氮磷钾化肥增产 11.4 % ,增产 589.5kg/ hm2。比未磁化肥处理增产 10 .6% ,增产 550 .5kg/ hm2 。     

土壤中硝态氮含量的影响因素研究

采用田间试验及人工渗滤池试验方法，研究了土壤中硝态氮含量的影响因素。结果表明，影响大田土壤中硝态氮因素很多，程度不一，其中土壤类型决定着硝态氮基础含量，是内因，而施肥及施氮量是影响硝态氮含量最大的外界因素，其次是土壤湿度和氮肥品种，土壤温度对其影响不明显。