开放式空气CO2浓度升高对水稻土壤可溶性C、N和P的影响

采用 FACE (Free air carbon dioxide enrichment)技术,研究了不同 N 施肥水平下,大气 CO2浓度升高对水稻/小麦轮作中水稻土壤可溶性 C、N、P 的影响。结果表明,CO2浓度升高使土壤表层可溶性 C 含量增加,土壤 5 ~ 15 cm 的可溶性 C 含量倾向于降低,增加 N 肥施用(常规 N 处理)更易于使土壤可溶性 C 含量降低。CO2浓度升高使水稻土壤中的可溶性 N 含量降低,在低 N 处理和土壤表层降低幅度较大,N 肥施用仍有提高的余地。CO2浓度升高使水稻成熟期土壤可溶性 P 含量增加,但是常规N 处理下会降低水稻生长前期和土壤表层的可溶性 P,增加 N 肥施用有利于水稻对 P 的吸收。     

开放式空气CO2浓度升高对水稻/小麦轮作土壤速效钾的影响

采用FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术,研究了不同施N水平下,大气CO2浓度升高对水稻/小麦轮作土壤速效钾的影响。结果表明,相对于对照处理,在不同氮水平下CO2浓度升高使作物生物量增加,导致作物生长季对土壤钾的吸收增加,但并没有降低作物主要生长期土壤（0―5、5―15 cm土层）速效钾的含量;CO2浓度升高使土壤速效钾增加的幅度在作物根际达6.3%~22.3%,在行间达3.7%~11.2%,且土壤速效钾增加的幅度在小麦季大于水稻季。表明根系对土壤速效钾的影响很大,因此,短期内土壤钾含量不会成为限制因素而影响作物对高CO2浓度的响应,反而会增加土壤钾的有效性。但在土壤肥力较低的土壤上可能会产生消极影响。     

大气CO2浓度升高对水稻土团聚体的分布与有机碳含量的影响

采取中国FACE(Free-air CO2 enrichment)平台9年试验区的土壤,采用干湿筛法获得水稳定性团聚体,研究高CO2浓度处理对水稻土团聚体组成、有机碳含量的影响。FACE试验设对照和高CO2浓度两个主处理,低氮和常氮两个施氮水平裂区。结果表明,经高CO2浓度连续9年处理后,小区土壤有机碳总量显著增加(年均1%)。高CO2浓度改变0~5 cm土层土壤团聚体的分布,大团聚体(250μm)含量有减少趋势,而微团聚体(250~53μm)含量平均增加27.49%(P=0.05);常氮仅改变5~15 cm土层土壤粗大团聚体(2 000μm)含量,平均减少20.60%(P0.05)。分析表明,高CO2浓度使得0~5 cm土层土壤细大团聚体(2 000~250μm)有机碳含量平均降低9.67%(P0.01),微团聚体有机碳含量平均增加31.30%(P0.05),CO2和N交互有促进上述变化趋势。高CO2浓度增加5~15 cm土层土壤粗大团聚体有机碳含量(26.44%,P=0.05),降低细大团聚体有机碳含量(6.83%,P0.01);常氮减少5~15 cm土层土壤粗大团聚体有机碳含量(30.19%,P0.001);CO2和N交互显著降低5~15 cm土层两级大团聚体有机碳含量。高CO2浓度降低耕层土壤(0~15 cm)细大团聚体有机碳储量(6.41%,P0.01),增加微团聚体有机碳储量(15.09%,P0.05);常氮显著降低两级大团聚体有机碳储量,且CO2和N交互降低细大团聚体有机碳储量(P0.05)。     

免耕对不同麦玉轮作农田土壤碳组分及理化性质的影响

为探讨耕作及轮作方式对农田土壤理化性质和碳组分的影响,设置免耕、传统耕作2种耕作方式,以及小麦-玉米轮作、小麦/玉米间作、小麦-冬油菜-玉米轮作3种种植模式,共形成6个处理,研究结果表明:与传统耕作相比,免耕增加了0~5 cm、5~20 cm土层全氮、全磷、速效磷和含水量,而降低了的土壤pH和土壤容重。免耕小麦/玉米间作(NT.W1/NT.WM.1)处理的土壤容重、含水量、全氮、全磷含量高于NT.WRM3和NT.WM5处理,在不同土层间,土壤全氮、全磷和速效磷含量随着土层深度的增加而降低。土壤碳组分含量总体表现为免耕处理高于传统耕作处理,免耕处理0~5 cm土层土壤有机碳、颗粒有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳含量较相应传统耕作分别增加了1.31%~36.57%、2.07%~35.22%、2.38%~4.78%、2.08%~11.68%,在5~20 cm土层,免耕处理土壤有机碳和微生物量碳含量高于传统耕作。在不同免耕处理下,土壤有机碳,颗粒有机碳和微生物量碳含量在0~5 cm、5~20 cm土层总体表现为NT.WM5高于其他免耕处理,相关性分析表明,有机碳、微生物量碳和速效磷呈极显著正相关,容重和有机碳呈极显著负相关。综上所述,免耕小麦/玉米间作利于改善土壤理化性质,小麦-玉米轮作有利于提高土壤有机碳,颗粒有机碳和微生物量碳含量。     

旱地长期轮作施肥对土壤肥力影响的定位研究

对设在黄土高原旱作农耕地上的两个长期定位试验进行研究，主要就不同施肥量，不同肥料配比，不同作物与不同轮作方式对土壤有机C、全N，有效P含量及苜蓿，小麦与玉米连作条件下土壤剖面三种养分含量分布进行研究，结果表明，长期施用化肥提高土壤有机C含量，幅度在2．3％－13．53％，对全N影响不大，施P显著提高土壤有效P的含量，每年单独施P2O5 180kg/hm^2，土壤有效P增加到55.11mg/kg，是试验前的12倍；不同施肥连作条件下，土壤有机C、全N因施有机肥而有显著提高，单施化肥对有机C、全N影响不大，施肥相同不同作物轮作处理之间的有机C、全N、有效P差别不明显。苜蓿连作不同施肥处理之间土壤剖面全N、有效P含量分布差别明显，NPM、P处理剖面20－100cm土层全N含量高于CK，而有效P分布在0－100cm土层之间为NPM＞P＞CK，同样长期施NPM，小麦，玉米，苜蓿对土壤0－60cm影响不同，苜蓿处理20－40cm土层养分含量低于玉米与小麦，试验结果表明土壤有机C含量与冬小麦产量之间呈极显著的线性相关关系。     

大气CO2浓度升高对作物根际土壤氮的影响

利用FACE（Free air carbon dioxide enrichment）技术,在两种氮肥施用（低氮LN和常规氮NN）水平下,研究CO：浓度升高对水稻和小麦收获后根际和非根际土壤硝态氮、铵态氮和有机氮的影响。结果表明,相对于对照CO2浓度处理,高CO2浓度处理在显著增加作物生物量的前提下,使水稻季根际土壤硝态氮含量降低,NN水平下降低明显,小麦季变化不大,高CO2浓度处理对作物根际的影响大于非根际。高CO2浓度对土壤铵态氮含量的影响不显著,仅小幅度增加了水稻季和降低了小麦季土壤铵态氮含量,且根际降低幅度大于非根际;增加氮肥施用使土壤铵态氮含量在高CO2浓度处理增加幅度低于对照。高CO2浓度处理并没有显著增加有机氮的含量,在小麦季作物对土壤有机氮的贡献大于水稻季,且增加氮肥施用条件下根际对有机氮的贡献较大。     

太湖地区不同轮作模式下的稻田氮素平衡研究

采用田间微区15N示踪,研究了太湖地区稻田不同轮作模式(紫云英-水稻轮作、休闲-水稻轮作、小麦-水稻轮作)和施氮水平(0、120 kg·hm?2、240 kg·hm?2、300 kg·hm?2)下水稻对氮肥的吸收利用效率及土壤氮素残留特征。结果表明,水稻吸收的氮素来自肥料的比例为20.9%~49.6%,休闲-水稻轮作模式下水稻产量的获得更加依赖无机氮肥的大量投入。当季水稻对肥料氮的利用率为25.0%~41.5%,肥料氮的土壤残留率为13.4%~24.6%,其中90%以上的土壤残留肥料氮集中在0~20 cm土层,在土壤剖面中的残留率随土层深度增加而迅速降低,30~40 cm土层的肥料残留量仅占氮肥施用量的0.2%~0.7%。紫云英?水稻轮作和休闲?水稻轮作模式下氮肥利用率和土壤残留率均在施氮240 kg·hm?2时达到最大值,其氮肥利用率显著高于小麦?水稻轮作55.6%和66.0%。稻季施氮240 kg·hm?2时,小麦-水稻轮作模式下的氮肥利用率、土壤残留率以及总回收率显著最低,损失率显著最大;紫云英?水稻轮作模式下的氮肥损失率最小,分别小于休闲?水稻轮作和小麦-水稻轮作13.9%、39.2%。不同轮作模式下,水稻籽粒产量随施氮量的增加而增加,稻季施氮240 kg·hm?2时,紫云英?水稻轮作下水稻籽粒产量显著高于休闲?水稻轮作和小麦?水稻轮作,小麦?水稻轮作籽粒产量虽略高于休闲?水稻轮作,但没有达到显著水平。本研究认为,选择紫云英还田配施氮肥240 kg·hm?2,既可以保证水稻氮肥利用率而获得高产,又能减少氮肥损失而带来的环境风险,是一种值得在当地大力推广的耕作制度。     

猪粪施用对稻麦轮作体系土壤碳组分含量及动态变化的影响

通过在成都平原开展稻麦轮作大田试验,设置了不施肥(CK)、常规无机化肥(NPK)、猪粪25%+化肥(NKM1)、猪粪50%+化肥(NKM2)、猪粪100%(M3)、猪粪150%(M4)6种施肥处理,探讨猪粪施入对土壤碳组分含量及动态变化特征的影响。结果表明:不同生育期对土壤有机碳及其组分含量的变化影响极显著(P0.01);水稻季不同处理下表层土壤总有机碳(TOC)、水溶性有机碳(WSOC)、溶解性有机碳(DOC)和易氧化有机碳(ROC)含量均随着生育期的推移呈现出先升高再降低的趋势,20~40 cm土层土壤有机碳及其组分含量显著低于表层土壤,且不同处理之间变化幅度小于表层土壤;小麦季表层TOC含量随作物生育期的推移呈增加的趋势,土壤WSOC和DOC含量在拔节期达到最大值,ROC在分蘖期达到最大值,之后下降并趋于稳定;20~40 cm土层土壤WSOC、DOC和ROC变化趋势与表层土壤基本一致,但变化幅度较小;通过对比分析表明,猪粪施入能显著提高土壤TOC及其活性有机碳含量,水稻季和小麦季TOC、WSOC、DOC和ROC含量均在M4处理下达到最大值,最大值分别为18.49和18.62 g kg-1、88.15和93.56 mg kg-1、40.09和69.74 mg kg-1、2.73和2.29 g kg-1,即从提高土壤有机碳的角度来看,150%猪粪施入处理提升效果最为明显。     

氮肥和秸秆施用对稻麦轮作体系下土壤剖面N_2O时空分布的影响

通过气体原位采集系统对稻麦轮作体系下土壤剖面不同层次N2O浓度动态变化进行了两年田间原位监测。共设4个处理:对照(N0S0)、施氮无秸秆(N1S0)、配施低量秸秆(N1S1)以及配施高量秸秆(N1S2)。结果表明,土壤剖面N2O浓度具有明显的时空分布特征:各处理在小麦和水稻生长前期均出现明显的浓度峰值,施加氮肥加大峰值,添加高量秸秆降低峰值。水稻生长季N2O主要产生在近表层土壤(7 cm和15 cm),N2O浓度两年均为15 cm≥7 cm≥30 cm≥50 cm;小麦生长季N2O主要产生在下层土壤(30 cm和50 cm)。与N0S0相比,施加氮肥3个处理均显著增加土壤剖面各层次的N2O浓度(p0.05),其中N1S0处理各土层N2O浓度是N0S0处理对应土层的2倍~3倍。配施高量秸秆(N1S2)能显著减少近表层土壤N2O浓度。     

耕层增减对作物产量、养分吸收和土壤养分状况的影响

试验于2012—2015年在淮北平原中部的濉溪县展开,设原始耕层(TS)、在原始耕层厚度上人工削减5 cm(TS-5)和在原始耕层厚度上人工增加5 cm(TS+5) 3个处理。在玉米和小麦成熟期采样分析和田间测产,在3季小麦收获后分别采集0~20 cm土层土样进行分析,明确耕层厚度变化对玉米–小麦轮作体系作物产量、养分积累的影响和土壤养分含量的变化规律。结果表明,耕层减少5 cm处理明显降低玉米–小麦轮作体系作物产量和N、P2O5、K2O积累量,与原始耕层处理相比,分别下降了5.61%和8.31%、5.65%、18.38%;耕层增加5cm后作物产量和各养分积累量均未出现显著变化。第1个轮作周期结束时,耕层减少5cm处理的土壤有机质、全氮和速效钾含量明显低于原始耕层处理;而经过3个轮作周期,土壤有机质含量仍处于较低水平,全氮和速效钾含量逐渐回升,与原始耕层对应指标已无显著差异。耕层增加5cm处理明显提高了土壤有机质和各养分含量,并在3个轮作周期后仍处于较高水平。综上,耕层厚度减少5 cm会降低玉米–小麦轮作体系作物产量、各养分积累量和土壤有机质含量,并在短期内难以恢复;增加5 cm耕层虽然能改善土壤养分状况,但对作物产量和养分积累量的提高没有明显效果。     

自由大气CO2浓度升高对稻田CH_4排放的影响研究

采用FACE田间试验,对高CO2浓度影响稻田CH4排放规律进行了观测分析,并利用δ13C技术初步分析了土壤CH4的排放来源。结果显示,植株和土壤的CH4排放速率在高CO2浓度处理大于对照18%以上,其增加幅度为土壤大于植物,CH4排放速率可能受田间水分条件影响较大。与对照比较,高CO2浓度条件下植物和土壤部分CH4累积排放总量增加,且变化幅度随生长期而降低,前期（54d）常规氮处理（NN）高于低氮处理（LN）,后期LN高于NN;但是行间裸土CH4累积排放总量在前期（54d）增加和之后降低的幅度均为NN高于LN。土壤排放CH4δ13C值从移栽到第102d,高CO2浓度处理LN和NN水平下土壤对照（CK）仅分别升高9.0%和8.3%,种水稻则降低8.8%和8.1%;但是在对照CO2浓度条件下土壤对照降低17.2%和112.5%（P=0.047）,种水稻降低40.3%和105.9%（P=0.023）,表明高CO2浓度下有更多C4来源的碳释放,对照CO2浓度条件下有更多C3来源的碳释放。水稻不同生长期与土壤对照比较,种水稻土壤排放CH4δ13C值降低的幅度总和在高CO2浓度条件LN和NN水平下分别为114.8%和72.7%,对照CO2浓度条件下分别为41.9%和72.8%,表明在种有植物的情况下更多当季的碳分解释放,LN水平下高CO2浓度促进来源于当季碳的CH4排放,NN水平下没有发现CO2浓度的影响,可能与作物生物量和它的间接产物（根系分泌物）的影响有关。     

FACE对杂交籼稻汕优63干物质生产与分配的影响

2005--2006年利用我国惟一的农田开放式空气CO2浓度增高（FACE）研究平台,以三系杂交籼稻汕优63为供试材料,设计比大气CO2浓度（对照,370umol．mol^-1）高200umol．mol^-1的FACE处理（570umol．mol^-1）和施N量为125kg·hm^-2（LN）、250kg·hm^-2（NN）处理,研究其对汕优63物质生产与分配的影响。结果表明：（1）两季平均,FACE处理使汕优63移栽-分蘖中期、分蘖中期-拔节期、拔节-抽穗期和抽穗-成熟期干物质生产量分别比对照增加了39％、20％、32％和41％,结果使成熟期生物产量显著增加（＋33％）;（2）与干物质生产量相比,汕优63平均叶面积指数（LAI）和净同化率（NAR）对CO2的响应有相似的季节性变化趋势,但LAI的响应值明显大于NAR;（3）FACE处理使汕优63不同生育时期叶片和稻穗占地上部干重的比例下降,而使茎鞘占地上部干重的比例明显增加;（4）三系杂交籼稻汕优63成熟期生物产量以及不同生育阶段平均LAI、NAR和干物质生产量对FACE的响应与粳稻品种存在明显差异．而干物质分配差异较小。     

FACE对三系杂交籼稻汕优63根系活性影响的研究

2005、2006年利用我国惟一的农田开放式空气CO2浓度增高（FACE）研究平台,设计施N量为125kg·hm^-2（LN）、250kg·hm^-2（NN）处理,研究大气CO2浓度比对照高200umol·mol^-1的FACE处理对三系杂交籼稻汕优63根系活性的影响。结果表明：（1）FACE处理使汕优63不同生育时期单位干质量根系的总吸收面积、活跃吸收面积、α-萘胺氧化量等根系活性指标均极显著小于对照。由于FACE处理促进汕优63根系发生量的大幅度增加,因此分蘖期、拔节期其单穴根系活性与对照多无明显差异,到抽穗期FACE处理单穴根系活性显著大于对照;（2）拔节期、抽穗期汕优63每穴的不定根数、不定根总长度、根系体积、根干质量与单位干质量根系活性的关系密切,根量越大单位于质量根系活性越低;（3）不同生育时期汕优63植株含氮率与单位干质量的根系活性多呈正相关,植株碳氮比与单位干质量的根系活性多呈负相关;（4）FACE处理汕优63根系生长量大、植株含氮率低、碳氮比高等可能是造成其单位干质量根系活性低于对照的重要原因。     

淹水条件下FACE处理的水稻以及小麦秸秆的分解及产物

Winter wheat and rice straw produced under ambient and elevated CO2 in a China rice-wheat rotation free-air CO2 enrichment (FACE) experiment was mixed with a paddy soil at a rate of 10 g kg-1 (air-dried), and the mixture was incubated under flooded conditions at 25 ℃ to examine the differences in decomposition as well as the products of crop residues produced under elevated CO2. Results showed that the C/N ratio and the amount of soluble fraction in the amended rice straw grown under elevated CO2 (FR) were 9.8% and 73.1% greater, and the cellulose and lignin were 16.0% and 9.9% lesser than those of the amended rice straw grown under ambient CO2 (AR), respectively. Compared with those of the AR treatment, the CO2-C and CH4-C emissions in the FR treatment for 25 d were increased by 7.9% and 25.0%, respectively; a higher ratio of CH4 to CO2 emissions induced by straw in the FR treatment was also observed. In contrast, in the treatments with winter wheat straw, the CO2-C and CH4-C productions, the ratio of straw-induced CH4 to CO2 emissions, and the straw composition were not significantly affected by elevated CO2, except for an 8.0% decrease in total N and a 9.7% increase in C/N ratio in the wheat straw grown under elevated CO2. Correlation analysis showed that the net CO2-C and CH4-C emissions from straw and the ratio of straw-induced CH4 to CO2 emissions were all exponentially related to the amount of soluble fraction in the amended straw (P < 0.05). These indicated that under flooded conditions, the turnover and CH4 emission from crop straw incorporated into soil were dependent on the effect of elevated CO2 on straw composition, and varied with crop species. Incorporation of rice straw grown under elevated CO2 would stimulate CH4 emission from flooded rice fields, whereas winter wheat straw grown under elevated CO2 had no effect on CH4 emission.     

FACE环境下不同秸秆与氮肥管理对稻田土壤硝化和反硝化菌的影响

利用位于江都市小记镇的中国稻-麦轮作FACE平台,采用最大可能(MPN)法,在2004年水稻生长季研究了不同施肥情况(施常规N量UN和低N量LN)、不同秸秆还田情况(秸秆全还田HR和秸秆不还田NR)下,土壤中硝化和反硝化细菌数量在FACE条件下随时间的变化。结果表明,FACE条件下,土壤硝化菌数普遍在抽穗期或乳熟期达到最大值,而对照土壤的硝化菌数普遍到成熟期才达到最大值,并且显著高于FACE处理的相应值(P<0.05)。在HR条件下,LN和UN小区FACE处理的土壤硝化细菌数量较对照减少6%~10%。FACE条件LN小区的反硝化菌数在成熟期达到最大值,而对照处理则在乳熟期达到最大值,并显著高于FACE处理(P<0.05);而UN小区的反硝化菌数二者均在抽穗期达到最大值。在LN小区HR和NR情况下,FACE处理土壤反硝化细菌数量分别低于对照处理的相应值8%和13%。在HR情况下,土壤反硝化潜势FACE处理显著低于对照。在LN和UN小区,FACE处理土壤的反硝化作用潜势分别是对照的83.7%和95.4%。     

FACE对水稻土产甲烷菌和甲烷氧化菌种群及其活性的影响

利用江都市小记镇的稻-麦轮作FACE平台,采用最大可能(MPN)法,在2005年水稻生长季研究了不同施肥(常规N量和低N量)、不同秸秆还田(秸秆全还田和秸秆不还田)处理土壤中的产甲烷菌和甲烷氧化菌数量在大气CO2浓度升高(FACE)条件下随时间的变化情况,并且借助气相色谱测定了土壤的产甲烷潜力和甲烷氧化潜力。结果表明:在秸秆全还田情况下,FACE对于产甲烷菌在分蘖期具有促进作用,而在抽穗期与收获期具有抑制作用,这种作用在低N条件下达到显著性(P<0.05)水平。而秸秆不还田情况下,FACE对产甲烷菌无明显促进作用;在低量N的施用情况下,FACE对于土壤甲烷氧化菌的活性具有刺激作用,在水稻抽穗期土壤甲烷氧化菌数量明显地高于对照,达到显著性水平(P<0.05);而常规施N量秸秆全还田的情况下,在水稻的分蘖期、拔节期和收获期FACE土壤中的甲烷氧化菌数量却受到一定程度的抑制。土壤的产甲烷潜力测定结果表明,FACE能促进土壤的CH4释放,尤其是在常规N量施用条件下。当底物(加入外源CH4)充足时,FACE条件下能使土壤具有较高的氧化CH4的能力,其CH4氧化潜力明显大于对照土壤,并且这种作用在常规N肥施用条件下尤为明显,达极显著性水平(P<0.01)。     

土壤微生物量和土壤固定态铵的变化及水稻对残留N的利用

在小麦盆栽试验后的^15N标记土壤上,研究了水稻生长过程中土壤微生物量C、N和土壤固定态铵的变化及其有机无机肥料残留N的有效性,结果表明,土壤微生物量C随着水稻生长而逐渐增加,到收获时达到1378．6－1790．5mg/kg土;土壤微生物量N的变化与水稻吸收N素有关,开始时由于淹水使得土壤微生物N有所下降,但随后又有所增加;随着水稻的N的吸收增加,生物量N又下降,直到水稻成熟期又有所恢复。在整个水稻生长季节中,土壤固定态铵的含量变化不大,但其中的一些^15N仍与外界土壤中矿质N发生了交换,表明 些固定态铵对水稻仍有较高的有效性。     

FACE对常规籼稻扬稻6号产量形成的影响

2006年利用我国农田开放式空气CO2浓度增高（FACE）研究平台,以常规籼稻扬稻6号为供试材料,设计比大气CO2浓度（对照,370μmol·mol-1）高200μmol·mol-1的FACE处理（570μmol·mol-1）和施N量为125kg·hm-2（LN）、250kg·hm-2（NN）处理,研究其对扬稻6号产量形成的影响。结果表明：（1）FAcE处理使扬稻6号的产量平均比对照增加24．1％,其中LN处理、NN处理条件下分别比对照增产18．0％、31．O％,处理间的差异达极显著水平;（2）FACE处理使扬稻6号单位面积穗数、每穗颖花数、结实率和千粒重平均比对照增加6．8％、8.3％、4．2％、和3．2％,除单位面积穗数外,处理间的差异均达显著或极显著水平;（3）FAcE处理使扬稻6号生物产量平均比对照增加21．3％,达极显著水平,对经济系数无明显影响,生物产量的极显著增加是FACE水稻产量极显著增加的重要原因;（4）N处理以及CO2xN的互作效应对扬稻6号产量和产量构成因素的影响均未达显著水平。