基于稻田控水减排的氮肥运筹试验研究

为改善江汉平原地区稻田水肥管理措施,采用田间小区试验,研究了常规淹灌(CF)和浅灌深蓄(SIDS)条件下,农民习惯施肥(FFP)、30%尿素+70%控释参混肥(30%N+70%CRF)和优化减氮施肥(OPT-N)对水稻各生育阶段稻田氮磷流失特征、养分吸收和土壤养分积累的影响。结果表明:与CF处理相比,SIDS处理田间灌溉水量、总用水量、径流量和渗漏量分别降低41.7%,18.5%,45.8%和21.9%,降雨利用率增加16.2%,TN和TP径流流失量分别降低32.6%~35.9%和36.4%~53.1%,渗漏流失量分别降低22.8%~32.0%和16.2%~33.3%,水稻返青期—拔节孕穗期分别占稻田氮磷径流和渗漏流失总量的70%以上。30%N+70%CRF处理、OPT-N处理较FFP处理,TN径流流失量分别降低19.7%~29.2%,15.1%~25.2%,渗漏流失量分别降低25.4%~51.7%,20.9%~26.4%,TP渗漏流失量分别降低18.4%~24.5%,20.4%~31.6%,但TP径流流失量差别很小。从水稻养分吸收和土壤养分积累来看,SIDS处理实际产量相对CF处理可增产4.4%,但对0—40cm土层氮磷养分累积影响不大,30%N+70%CRF处理和OPT-N处理相对FFP处理可增产5.6%和0.4%,且0—20cm土层速效态氮磷养分能维持在一个较高且相对稳定的水平。综上,浅灌深蓄结合30%N+70%CRF施用有利于稻田节水、减少氮磷流失、水稻增产以及土壤肥力改善。     

冬油菜与杂草对长期不同施肥的差异性适应

研究长期水旱轮作条件下,施肥模式对田间冬油菜、杂草、土壤养分及冬油菜–杂草空间分布的影响,为长江流域冬油菜轻简化生产提供依据。2011年在湖北省粮油主产区——江汉平原布置水稻–冬油菜轮作肥效定位试验。2016年冬油菜收获期,调查农田杂草群落多样性和分析油菜–杂草–土壤养分三者状况。结果表明,长期土壤养分亏缺会显著影响油菜–杂草的生长和空间分布、形成不同的杂草优势群落。平衡施肥(NPK处理)有助于增加冬油菜根茎粗、有效分枝数、角果数和最终产量,降低杂草总生物量,提高杂草群落多样性Shannon-Wiener指数。与NPK处理相比,–N、–P和–K均会不同程度地降低籽粒、茎秆、角壳和杂草的养分吸收量,尤以–P处理降幅最为明显。与土壤养分含量的初始值相比,长期不施用化肥会引起土壤氮磷钾有效含量下降,尤其对于土壤钾,现有平衡施肥措施不足以弥补农田钾素亏缺,应重视秸秆还田的补钾效果。总之,长期科学的农田养分管理与调控措施,不仅可以降低杂草对冬油菜的危害、增强生物多样性和形成良性的油菜-杂草竞争环境,也有利于减少化学药剂使用、推动冬油菜的轻简化生产。     

稻虾轮作模式下江汉平原土壤理化性状特征研究

稻虾轮作模式在湖北江汉平原已发展近30年,对农民增产增收具有重要作用。开展不同年限稻虾轮作对土壤理化性质影响的研究,有助于科学指导该模式下的农田管理。在同一农渠范围内选择相似的稻田,分别采集水稻单作(CK)和稻虾轮作(1、3、7、13、18和23a)的3个土层深度(0～20、20～40和40～60 cm)原状土样,分析其相应的理化指标。结果显示,与中稻单作相比,长期稻虾轮作会显著降低0～20和20～40 cm土层土壤容重并提高非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度,而40～60 cm土层变化较小;稻虾轮作1 a后土壤pH、全氮和易氧化有机碳含量显著增加,但速效养分和阳离子交换量增幅不明显。与稻虾轮作1 a相比,轮作7～13 a稻田的土壤pH和其他各项指标均显著增加;轮作13 a以上,0～20 cm土层的pH、全氮和速效养分增幅最为明显,但20～60 cm土层的理化性质无明显变化。随着轮作年限的延长,0～20 cm土层的pH和其他各项指标均表现为:23 a18 a13a7a1a0(CK),20～40cm和40～60cm土层的pH、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量也有相似规律,但增幅并不明显。因此,长期稻虾轮作有助于改善耕层土壤结构、增强土壤缓冲能力和提高pH及氮、磷、钾等速效养分含量。     

秸秆还田下直播稻油轮作的钾肥效应及适宜用量

2017-2018年在湖北省江汉平原开展钾肥一次性施用肥效田间试验,研究秸秆全量还田下钾肥用量对江汉平原直播水稻-油菜轮作产量及其构成因子、农田钾素表观平衡和钾肥(钾素)吸收利用率及农学利用率的影响,并结合肥效模型明确直播稻-油轮作的钾肥适宜用量。结果表明:钾肥施用能够显著提高直播水稻和油菜的产量、地上部干物质量及钾素吸收,并通过增加直播水稻的密度、单位面积有效穗数、每穗粒数,结实率和直播油菜的密度、一级分枝数,角果总数来实现增产。秸秆不还田、周年钾肥投入量(K_2O)360 kg/hm~2条件下,轮作系统的钾素表观平衡仍为负值,亏缺量达85.4 kg/hm~2;而秸秆全量还田下,年投入90 kg/hm~2钾肥即可实现农田钾素表观盈余。直播水稻和油菜的钾肥农学利用率平均分别为10.6 kg/kg和2.9 kg/kg,而钾肥吸收利用率则为42.6%和54.1%,表明直播水稻施用钾肥增产效果明显高于油菜,同时也反映出直播油菜更依赖于外源钾肥投入。水稻季钾素农学利用率、吸收利用率与其钾肥农学利用率、吸收利用率结果一致,而油菜季的钾素农学利用率和吸收利用率则分别为2.1 kg/kg和38.5%,均显著低于油菜季钾肥农学利用率和吸收利用率。根据线性加平台方程拟合并结合农田钾素平衡得出秸秆还田下直播水稻和油菜的钾肥适宜用量分别为62.31 kg/hm~2和70.18 kg/hm~2,对应的经济产量为10 066 kg/hm~2和2 182 kg/hm~2,比当地推荐钾肥用量分别减少44.4%和28.2%,且旱地直播油菜需要更多钾肥投入来支撑群体生长。因此,鉴于直播方式下作物生长对养分需求存在差异,应根据农业轻简化生产要求重视直播稻-油轮作的钾素养分管理,以提高作物产量、养分利用率和经济效益。     

稻田不同供钾能力条件下秸秆还田替代钾肥效果

【目的】研究稻田不同土壤供钾能力条件下,秸秆还田配施钾肥对水稻产量、地上部钾素累积量以及钾肥利用率的影响,为秸秆还田水稻钾肥合理施用提供科学依据。【方法】2011-2012年在鄂中、江汉平原和鄂东地区的10个县（市）选择不同供钾水平田块布置水稻试验。根据湖北省第二次土壤普查制定的速效钾分级标准,本文将土壤速效钾含量＞150 mg•kg-1的试验点如钟祥和宜城归为高钾供应能力土壤（1级水平）,简称为高钾土壤,标记为High-K;土壤速效钾含量100-150 mg•kg-1的试验点如团风、仙桃、洪湖和枝江归为中钾供应能力土壤（2级水平）,简称为中钾土壤,标记为Middle-K;土壤速效钾含量＜100 mg•kg-1的试验点如麻城、广水、鄂州和蕲春归为低钾土壤,标记为Low-K。试验共设6个处理,分别为：（1）CK（-K）;（2）+K;（3）+S;（4）S+1/3K;（5）S+2/3K;（6）S+K,其中K和S分别表示钾肥和还田秸秆,以此来考查当前推荐钾肥用量（K2O 75 kg•hm-2）对水稻的增产效果以及轮作模式下麦秆或油菜秸秆还田钾素对钾肥的替代作用。【结果】结果显示CK处理（-K）,高钾、中钾和低钾土壤的稻谷产量分别为8 372、8 710和7 767 kg•hm-2,施钾和秸秆还田均可以不同程度地增加水稻产量和地上部钾素累积量。与CK相比,高钾、中钾和低钾土壤均以秸秆还田配施钾肥处理的增产效果最显著,增产量分别为633、1 098和814 kg•hm-2,增幅分别为7.7%、12.6%和12.5%;地上部钾素累积吸收增量分别为40.2、56.5和49.3 kg•hm-2,增幅分别为15.9%、21.3%和36.8%。在当前推荐钾肥用量条件下,秸秆还田会造成高钾土壤的钾肥吸收利用率下降,但可明显提高中钾和低钾土壤的钾肥吸收利用率;同时秸秆还田也会显著降低高钾土壤的钾肥农学利用率,但对中钾和低钾土壤的钾肥农学利用率没有明显影响。同钾肥利用率相比,钾素利用率均有所降低,但中钾土壤和低钾土壤的钾素利用率要显著高于高钾土壤的钾素利用率。通过对秸秆还田条件下钾肥用量与增产率、地上部钾素累积增幅的相关性分析得出高钾土壤和中钾土壤的推荐钾肥用量偏高。根据线性加平台肥效模型拟合得出,在秸秆还田条件下,高钾土壤田块（速效钾含量＞150 mg•kg-1）适宜钾肥用量平均为38.2 kg•hm-2,比推荐用量减少49.1%;中钾土壤田块（速效钾含量100-150 mg•kg-1）适宜钾肥用量平均为60.0 kg•hm-2,比推荐用量减少20.0%;而低钾土壤田块（速效钾含量＜100 mg•kg-1）,增产效果显著,推荐钾肥用量不足。【结论】因此,短期秸秆还田条件下,高钾和中钾土壤田块,秸秆还田钾素可不同程度地替代部分化学钾肥施用;而低钾供应田块推荐用量略显不足,增施钾肥仍有较大的增产空间。     

水稻-油菜轮作模式下秸秆还田替代钾肥的效应

【目的】研究稻-油轮作条件下秸秆还田配施钾肥对水稻和冬油菜产量、 地上部钾素累积量、 钾肥利用率以及土壤钾素含量的影响,明确长期秸秆还田替代钾肥的效果,为秸秆还田下稻-油轮作中钾肥的合理施用提供科学依据。【方法】2011~2014年在湖北省粮油主产区-江汉平原选择土壤供钾能力较高的农田,布置水稻-冬油菜轮作定位试验。试验共设7个处理,分别为: 1)CK(-K); 2)+K; 3)+S; 4)S+1/4K; 5)S+1/2K; 6)S+3/4K和7)S+K。其中K和S分别表示钾肥和还田秸秆,K2O用量为90 kg/hm2。【结果】 1)与不施钾(-K)相比,施用钾肥和秸秆还田均不同程度地增加了水稻和冬油菜年均产量和钾素吸收量,尤以秸秆还田配施钾肥处理(S+K)的水稻和冬油菜产量和地上部钾素吸收量最高,与对照(-K)相比增产率分别为12.8%和19.1%; 地上部钾素(K2O)累积吸收量增幅分别达到35.7%和79.3%。2)在当前推荐钾肥用量条件下,秸秆还田对水稻和冬油菜的钾肥吸收利用率没有显著影响,但均使两种作物的钾素吸收利用率显著降低。与秸秆不还田相比,秸秆还田后水稻季的钾肥与钾素农学利用率明显降低,而冬油菜季则分别显著提高与持平; 秸秆还田后,水稻季的钾素农学利用率显著降低,而冬油菜季则持平。3)通过对秸秆还田条件下钾肥用量与增产率、 地上部吸钾量增幅的相关分析得出秸秆还田后当前的推荐钾肥用量偏高。根据肥效模型并结合实际产量和农田钾素养分平衡拟合得出,水稻和冬油菜的年均适宜钾肥用量分别为52.0和61.9 kg/hm2,比推荐用量可分别减少42.2%和31.2%。【结论】在土壤钾素含量较高的情况下,稻-油轮作区开展连续秸秆还田不仅能够降低钾肥投入量,获得较高的粮油经济产量,还可以提高土壤有效钾含量并维持农田系统养分平衡以及秸秆钾素资源的良性循环。     

柠檬酸盐对黑云母表面溶解及微结构变化的影响

采用离位培养法,结合原子力显微镜的接触成像和相位成像模式研究层状硅酸盐含钾矿物黑云母在根际环境条件下的表面溶解现象和矿物微结构转化过程。结果表明,在p H 4.0的弱酸水溶液中反应24 h时,黑云母(001)面上有微型蚀坑出现,其深度介于0.1~0.9 nm之间,表面变得比较粗糙;反应96 h时,黑云母(001)面上蚀坑较为明显,但仅占总表面的4.8%,蚀坑的深度平均为0.957 nm;反应140 h时,黑云母(001)面上有不稳定的覆盖物沉积,阻碍表层溶解过程的持续进行。在p H 4.0的柠檬酸溶液中,经过24 h培养,(001)面上有大量的蚀坑出现,单层溶解现象明显;48 h时,表面台阶溶解速率显著提高,溶解面积可达总表面的48.7%;140 h时,(001)面上有圆形状胀裂发生,表层(高度,1~2 nm)发生破裂、产生较多的黑云母碎片,溶解速率进一步提高。随着柠檬酸溶液中Na+浓度的增加,表层溶解速率增强,(001)面上也有次生覆盖物沉积。同时,界面上Na+-K+交换作用加剧,表层结构(高度,2~10 nm)胀裂现象更加明显。随着反应时间的延长,140 h时,黑云母(001)面的深层结构(深度,~20 nm)亦逐渐隆起并引起周边区域产生裂缝(深度,0.1~1.9 nm),最终导致表层微结构区域水化,形成水化云母(伊利石)。     

基于微根管技术的盐胁迫下小麦根系生长原位监测方法

常用的作物根系生长监测一般采用破坏性采样方法,如土钻法和挖掘法等,虽然精度较高,但很难实现对作物根系生长的原位重复观测。采用桶栽法,利用微根管技术对分蘖期、返青期、拔节期和孕穗期的小麦根系进行了连续观测和采样,获取不同盐胁迫下小麦根长密度和根长等参数,研究不同生长时期小麦根系生长参数随土壤深度分布的规律。结果显示,微根管法获得的小麦根长密度与土钻法所得到的结果呈极显著正相关(r=0.91),且在拔节期和孕穗期二者的相关性最好。通过不同时期根系图像对比及根系参数分析发现,小麦根系在0～10 cm土层分布最多,并随深度增加而减少。此外,随着土壤盐含量的增加,各生长期根长变短;在分蘖期,土壤盐分含量最高(S5,盐分含量6.61 g·kg–1)的小麦根系长度不足对照处理的1/2,至孕穗期,其根系长度甚至低至对照处理的1/3,说明小麦根系受盐分胁迫影响较大,且以孕穗期受胁迫程度最严重,尤其当土壤盐含量超过3 g·kg–1时影响最明显。由此可见,与传统破坏性取样方法相比,微根管技术结合图像处理技术可更好地快速、无损获取小麦根系生长的相关参数,为盐渍化区域作物根系的原位观测研究提供了新的方法。     

不同水热条件下秸秆添加对水稻土磷素有效性的影响

模拟南方水旱轮作种植前期土壤环境,研究不同温度、水分耦合条件下,秸秆添加对水稻土磷素有效性的影响。以江汉平原典型水稻土为研究对象,采用室内模拟试验,主处理为添加秸秆(AS)和不添加秸秆(NS),副处理为不同的土壤温度和水分,即3 个水分(W)梯度:40%、70% 和100% 的土壤饱和持水量,分别记为W40、W70 和W100;3 个温度(T)梯度:15、25 和35℃,分别记为T15、T25 和T35,进行连续30 d 的室内培养。采用BBP 法测定4 种生物有效性磷,即土壤水溶态无机磷(H2O-P)、活性磷(NaHCO3-P)和中等活性磷(HCl-P 和NaOH-P),同时测定土壤有效磷(Olsen-P)含量、微生物磷(MBP)含量、土壤可溶性有机碳(DOC)和易氧化有机碳(ROC)、土壤游离铁(Fe-d)和无定形铁(Fe-o)等理化指标。结果表明,同一温度和水分条件下,与NS 处理相比,AS 处理中Olsen-P、MBP、H?O-P 和HCl-P 含量平均分别增加10.9、21.4、1.2 和116.4 mg/kg,增幅分别为97.5%、72.1%、21.9% 和32.3%。3 个温度梯度处理下(15、25、35℃),AS 比NS 处理的Olsen-P 含量分别平均增加11.7、13.3 和7.8 mg/kg,增幅分别为140.0%、164.2% 和45.7%。3 个水分梯度处理下(40%、70%、100%),AS 比NS 处理的Olsen-P 含量分别平均增加10.6、9.3 和12.8 mg/kg,增幅分别为92.6%、96.2% 和103.3%。各处理土壤中Olsen-P 含量与HCl-P(r = 0.29)、DOC(r = 0.61)、ROC(r = 0.46)和Fe-o(r = 0.34)含量呈显著正相关关系,而与NaHCO3-P(r = - 0.49)和Fe-d(r = - 0.29)含量呈显著负相关关系。由此可见,添加适量秸秆有助于提高土壤Olsen-P 含量以及土壤磷素组分中H?O-P 和HCl-P 含量;适宜的水分和升温有利于提升土壤Olsen-P 含量;土壤中有机碳、无定形铁和游离铁含量的升高促进了土壤磷素释放,进而提高了土壤的供磷水平和能力。