潮土农田微生物研究进展

土壤微生物对不同施肥的响应和反馈对于评价和解释科学施肥具有极为重要的意义。本文总结了本课题组在我国华北平原潮土碳、氮、磷循环相关微生物对不同施肥,特别是对单施有机肥的响应方面的研究结果,明确了潮土地力提升过程中的微生物学机制。长期定位试验研究结果表明,长期平衡施肥,特别是施用有机肥能够显著增加潮土中有机碳和养分含量,特别是磷含量,进而改变土壤微生物群落结构,提高微生物生物量碳、转化酶活性、呼吸强度及微生物功能多样性(碳代谢活性),并且土壤微生物代谢熵与代谢热显著降低。相反,在缺素特别是缺磷条件下,土壤微生物不仅代谢效率低下,而且代谢过程会散逸相对多的热量、排放相对多的CO2,导致土壤质量明显下降。长期施用氮肥可增强潮土硝化活性、增加氨氧化细菌的数量和多样性,且无机氮肥比有机氮肥影响更显著;但是,科学施用氮肥的前提是必须合理地添加磷肥,才能更好地促进潮土作物生长、减少氮素损失和提升土壤地力。对于缺磷的潮土,长期施用磷肥,尤其是平衡施肥使得作物对菌根真菌(AMF)依赖性下降,进而导致土壤中AMF多样性下降,更多的土壤养分分配给其他微生物,有利于潮土农田地力的可持续性。潮土中一种土著微生物Bacillus asahii对长期施用有机肥的响应最为显著,该物种需要2~4 a会成为潮土中优势微生物,其有着独特的生理特征和丰富的代谢多样性,能够加速和促进其他微生物对潮土有机质累积和磷素循环过程的作用,在作物生长和土壤地力中起到"领军性"的作用。以上认知加深了对长期施用有机肥提升华北平原潮土地力过程中微生物学机制的认识,有助于指导调控土壤微生物更好地服务农田生态系统。     

王家沟流域农田养分循环及改善途径

本文根据王家沟流域内1986～1988年三类农田的养分收支情况,计算了农业生产过程中的养分输入和输出,从而为建立高效的农田生态系统提供了科学依据。通过对农田养分概算看出,坡耕地的养分流失量占到农田养分总输出量的59.5％～76.2％。改善农田养分循环的途径是建设基本农田、增施有机肥料和调整种植结构等。     

水钾耦合对褐土养分及花生养分累积的影响

为明确水钾耦合对土壤养分含量及花生养分吸收累积量的影响,以花育25为试验材料,采用水分(35%,50%,65%,80%的田间持水量)和钾肥(0,0.15,0.30,0.45g K_2O/kg)2因素4水平随机区组设计,通过遮雨棚盆栽试验探讨水钾耦合下褐土有机质、全量(全氮、全磷和全钾)和速效养分(碱解氮、有效磷和速效钾)含量的变化,以及花生植株养分累积量的差异。结果表明:钾肥用量增加会促进有效氮的吸收;在土壤水分缺乏时,水分胁迫低钾(W_1K_1)和轻度胁迫低钾(W_2K_1)两个处理在土壤全磷含量下降时有效磷含量不降反增,这表明施入少量钾肥有助于旱地磷的释放。施低钾K_1(135kg/hm~2)促进土壤速效钾的增加及土壤养分的平衡,较初始土壤提高0.43~0.59倍,且随钾肥用量的增加而不断升高。相同钾肥用量下,花生植株氮、磷和钾累积量随灌水量的增加均呈上升趋势;氮吸收量仅在水分胁迫时随着钾肥用量的增多而先增后减;除水分充足(W_4)外,在其他灌水处理下植株磷累积量随钾肥用量的增加均表现为先增后降;而钾累积量在各土壤水分下均随钾肥用量的增加呈现低-高-低的变化趋势,最高值均在中钾K_2(270kg/hm~2)处理。花生植株对营养元素的吸收累积与总生物产量和荚果产量相关性均达显著(p0.05)或极显著(p0.01)水平,总生物量与荚果产量呈极显著(p0.01)相关。综合考虑土壤养分的可持续供应、花生养分的累积和产量形成,建议土壤水分保持在65%FC,钾肥(K_2O)用量控制在135~270kg/hm~2为宜。     

西双版纳热带雨林次生林的生物养分循环

本文获得了西双版纳热带雨林，砍伐后２块处于恢复演替阶段不同年代的次生林的生物量、生长量、年凋浇物量及它们的主要营养元素含量、对土壤养分状况的影响、以及土壤微生物状况和土壤生化活性等一系列资料。阐明了次生林生物物质和养分吸收、积累和归还的特点及对土壤养发状况的影响，研究了土壤微生物对凋落物的分解作用，从而对热带雨林次生林的生物养分循环作了一初步的探讨，为热带森林生态系统研究奠定了基础。研究表明：１．     

苏南地区农田养分循环特征及平衡调控途径

从宏观计算和田间模拟试验两文献分析了江苏南部农田养分循环和平衡特征的变化趋势，农田养分投入结构由有机养分为主转向以无机养分为主，农田养分内循环变弱，农田养分平衡Ｎ素由亏损转变过剩，Ｐ由亏损转为持衡，但Ｋ素亏缺愈加严重。指出增加Ｐ、Ｋ肥投入，适当控制Ｎ肥投入，在机械化条件下增加有机肥的投入是合理调控该地区农田养分的平衡的重要途径。     

环渤海低平原农田生态系统养分循环与平衡研究

了解农田养分输入、输出和平衡状况,以及土壤肥力现状与变化特征,对实现养分资源优化管理、地力的持续提升、肥料利用率提高和农业可持续发展具有重要意义。基于1985年、2000年和2014年河北省南皮县国民经济统计资料,分析了从1985年到2014年县域农田生态系统养分循环与平衡状况;利用1981年第2次土壤普查和2015年实测南皮县域土壤耕层养分含量数据,探讨了耕层土壤养分变化及空间分布格局特征。结果表明,1985—2014年南皮县农田养分输入输出均呈持续上升趋势, NPK养分输入由10701 t增加至23386 t,年递增率2.33%; NPK养分来源结构略有不同, NP来源以化肥为主,其次是人畜粪尿和作物秸秆有机肥源;而K素来源主要是有机肥源。农田养分输出以作物吸收为主,占养分总输出的80%以上, NPK总输出由1985年的9093 t增加到2014年的18846 t,年均增速2.17%。从养分表观平衡的角度看,从1985年到2014年NP始终有大量盈余, P素盈余大于N素, N和P表观平衡率分别为16.8%~34.2%和26.9%~65.5%;若考虑有机氮的有效性问题,1985—2000—2014年3个时段有效氮盈亏率依次为18.1%、6.5%和-7.8%,有效氮平衡由盈余转向亏缺;而K素经历了由赤字逐渐向盈余的转变过程,由1985年的-33.5%赤字发展至2014年的33.6%盈余。受农田养分平衡状况的影响,南皮县土壤有机质、全氮、有效磷发生了显著变化,1981—2015年有机质由8.62 g·kg-1增至14.0 g·kg-1,增幅62.4%;全氮由0.542 g·kg-1增至0.908 g·kg-1,增幅67.5%;有效磷由2.0 mg·kg-1增加到20.8 mg·kg-1,增加了9.4倍。而碱解氮和有效钾变化不明显,分别由70.5 mg·kg-1和141 mg·kg-1增加到71.8 mg·kg-1和147 mg·kg-1,相对增幅仅为1.8%和4.2%。建议今后南皮县在农业生产中大力推广科学施肥技术,重视有机肥和化肥配施,推广秸秆还田,通过改进施肥方法提高肥料利用效率;养分管理中应提倡“稳氮、控磷、补钾”的施肥对策,避免过多的盈余养分进入环境。     

四湖地区湿地农田土壤养分障碍与养分平衡及合理施肥

在分析湖北江汉平原四湖地区成土条件与特征的基础上，揭示了四湖地区湿地农田土壤主要养分障碍及在农田系统养分平衡状况，并以 的效应及合理施肥技术进行了研究。     

湖北潮土区不同轮作制度下土壤养分平衡状况与评价

通过连续5年定点调查和取样分析,研究了湖北省2个潮土区域农田土壤养分平衡状况,并用允许养分平衡盈亏率进行了评价.结果表明:①在几种主要轮作制中,所有作物的K肥施用量及施用比例均明显比N肥低,但几乎所有作物的K素吸收量均明显高于N素吸收量,早、晚稻吸收P、K的比例明显高于其它作物.②不同轮作制中土壤养分平衡状况表现为N素有不同程度的盈余、P素基本平衡、K素总是亏缺的,且水田K素亏缺量明显高于早地.在此基础上,作者提出"减N稳P增K"和以一个轮作周期为单位进行统筹施肥的养分平衡调控措施,以实现作物生产的高产稳产和土壤养分平衡的良性循环.     

农田养分再循环研究Ⅱ.某些有机物料养分的有效系数

前文^[1]提到养分再循环是建立持久农业的重要内容。     

华北潮土长期施肥对土壤跳虫群落的影响

通过试验研究了河南封丘潮土长期施肥处理下土壤跳虫的群落结构及其多样性,试验包括氮磷钾(NPK)、氮磷(NP)、氮钾(NK)、磷钾(PK)、有机肥(OM)、1∶1化学氮肥与有机氮(MNPK)和不施肥(CK)7个处理。结果表明,7种施肥试验处理下,平均土壤跳虫密度为30 000头m-2,施用有机肥显著增加了土壤跳虫数量,而磷肥可能是该地区跳虫数量增长的一个限制因素。OM和MNPK处理下土壤跳虫多样性显著高于其他处理,OM和NPK处理具有最高的相似性,其次是MNPK和OM处理之间,而CK处理与其他处理相似性指数较小。不同施肥处理下表现了土壤跳虫类群对环境的选择性,多数跳虫与OM处理成正相关关系,而MNPK处理促进了Isotoma和Xenylla属在数量上的增长,PK处理与Hypogastrura和Sminthurinus属有一定的正相关关系。施肥处理也引起了土壤跳虫的垂直分布差异,MNPK、NPK和OM处理下土壤跳虫趋于表层(0～10cm)分布,而NK和CK处理下趋于下层(10～20cm)分布。土壤跳虫的量化指标(如个体数、类群数和多样性)对施肥处理表现敏感,可作为土壤质量评价的指标之一。     

长期不同施肥对黄潮土区冬小麦产量及土壤养分的影响

【目的】分析长期施肥方式下小麦产量的变化规律,以探明黄潮土区小麦产量稳定性对不同施肥方式的响应机制,为黄潮土区合理施肥的管理及其土壤生态系统的改善提供依据。【方法】以 35 年长期定位试验为研究平台,设 5 种施肥方式:不施肥 (CK)、单施氮肥 (N)、氮磷钾配施 (NPK)、单施有机肥 (M)、有机无机配施 (MNPK),测定小麦的平均产量及土壤养分状况。【结果】小麦产量和肥料贡献率以有机无机配施 (MNPK) 最高,平均产量为 6393 kg/hm2;其次为 NPK 处理,与当年不施肥处理相比,产量提高了 374.2%;单施有机肥增产幅度位居第三;单施氮肥处理增产效果最低。单施氮肥处理小麦产量变异系数 (CV) 偏高 (26.72%～38.72%)、可持续性产量指数 (SYI) 偏低 (0.32～0.51),产量稳定性最低,MNPK 处理的CV 最低 (4.86%～7.76%)、SYI 最高 (0.79～0.89),产量稳定性最高,而单施有机肥处理 (CV = 5.44%～15.87%,SYI = 0.60～0.87) 的产量稳定性和生产可持续性不及 NPK 处理 (CV = 5.72%～9.67%,SYI = 0.75～0.83)。施用有机肥显著提高土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量,其中 MNPK 处理 35 年土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾平均含量分别较 CK 处理提高 1.20、1.18、16.13、0.95 倍,增加幅度最为显著。通过相关分析可得,小麦产量与土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量呈极显著正相关关系 (P < 0.01)。【结论】施肥处理均可有效提高黄潮土区小麦产量,以有机无机配施增产效果最佳,最有利于促进小麦产量稳定性、提高产量可持续性指数,提升土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量。因此,有机无机配施的施肥方式最为合理,有利于保持黄潮土养分均衡,促进农田生产力稳定。     

Responses of soil organic matter and microorganisms to freeze-thaw cycles

Soil organic matter (SOM) biomarker methods were utilized in this study to investigate the responses of fungi and bacteria to freeze-thaw cycles (FTCs) and to examine freeze-thaw-induced changes in SOM composition and substrate availability. Unamended, grass-amended, and lignin-amended soil samples were subject to 10 laboratory FTCs. Three SOM fractions (free lipids, bound lipids, and lignin-derived phenols) with distinct composition, stability and source were examined with chemolysis and biomarker Gas Chromatography/Mass Spectrometry methods and the soil microbial community composition was monitored by phospholipid fatty acid (PLFA) analysis. Soil microbial respiration was also measured before and during freezing and thawing, which was not closely related to microbial biomass in the soil but more strongly controlled by substrate availability and quality. Enhanced microbial mineralization (CO₂ flush), considered to be derived from the freeze-thaw-induced release of easily decomposable organic matter from microbial cell lyses, was detected but quickly diminished with successive FTCs. The biomarker distribution demonstrated that free lipids underwent a considerable size of decrease after repeated FTCs, while bound lipids and lignin compounds remained stable. This observation indicates that labile SOM may be most influenced by increased FTCs and that free lipids may contribute indirectly to the freeze-thaw-induced CO₂ flush from the soil. PLFA analysis revealed that fungal biomass was greatly reduced while bacteria were unaffected through the lab-simulated FTCs. Microbial community shifts may be caused by freezing stress and competition for freeze-thaw-induced substrate release. This novel finding may have an impact on carbon and nutrient turnover with predicted increases in FTCs in certain areas, because fungi and bacteria have different degradation patterns of SOM and the fungi-dominated soil community is considered to have a higher carbon storage capacity than a bacteria-dominated community.     

土壤种子库研究进展

在浏览国内外大量文献的基础上,从土壤种子库研究意义、国内外研究现状和目前研究的热点问题等方面论述土壤种子库的研究进展。针对目前土壤种子库研究的热点问题,主要从土壤种子库的分类、种子质量和种子休眠之间的关系、种子库的水平分布及种子库与地上植被的关系等方面进行讨论,指出其在遗传结构和扩散等研究内容及方法方面所存在的问题,并提出了相应的建议。     

RothC模型模拟华北潮土区的土壤有机碳动态

运用RothC(Version 26.3)模型,模拟研究华北地区典型潮土长期定位施肥试验小麦-玉米轮作下土壤有机碳(SOC)含量的变化.本研究选取潮土区较为常见的6个典型施肥处理:不施肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷配施(NP)、氮磷钾配施(NPK)、氮磷钾配施有机肥(NPKM)和氮磷钾配施秸秆(NPKS),对耕层土壤SOC的模拟值与实际测定值进行了比较.除NPKS处理外,其余各处理模型模拟值与实测值之间吻合较好.将NPKS处理植物碳DPM/RPM由1.44调至3.35后,模拟效果明显改善.RothC模型可用来模拟和预测不同施肥措施下潮土SOC变化趋势,但在大量秸秆还田时需调整部分模型参数.     

Cyanobacterial inoculation of heated soils: effect on microorganisms of C and N cycles and on chemical composition in soil surface

Physiological groups of soil microorganisms, total C and N and available nutrients were investigated in four heated (350 °C, 1 h) soils (one Ortic Podsol over sandstone and three Humic Cambisol over granite, schist or limestone) inoculated (1.5 μg chlorophyll a g⁻¹ soil or 3.0 μg chlorophyll a g⁻¹ soil) with four cyanobacterial strains of the genus Oscillatoria, Nostoc or Scytonema and a mixture of them.Cyanobacterial inoculation promoted the formation of microbiotic crusts which contained a relatively high number of NH₄⁺-producers (7.4×10⁹ g⁻¹ crust), starch-mineralizing microbes (1.7×10⁸ g⁻¹ crust), cellulose-mineralizing microbes (1.4×10⁶ g⁻¹ crust) and NO₂⁻ and NO₃⁻ producers (6.9×10⁴ and 7.3×10³ g⁻¹ crust, respectively). These crusts showed a wide range of C and N contents with an average of 293 g C kg⁻¹ crust and 50 g N kg⁻¹ crust, respectively. In general, Ca was the most abundant available nutrient (804 mg kg⁻¹ crust), followed by Mg (269 mg kg⁻¹ crust), K (173 mg kg⁻¹ crust), Na (164 mg kg⁻¹ crust) and P (129 mg kg⁻¹ crust). There were close positive correlations among all the biotic and abiotic components of the crusts.Biofertilization with cyanobacteria induced great microbial proliferation as well as high increases in organic matter and nutrients in the surface of the heated soils. In general, cellulolytics were increased by four logarithmic units, amylolytics and ammonifiers by three logarithmic units and nitrifiers by more than two logarithmic units. C and N contents rose an average of 275 g C kg⁻¹ soil and 50 g N kg⁻¹ soil while the C:N ratio decreased up to 7 units. Among the available nutrients the highest increase was for Ca (315 mg kg⁻¹ soil) followed by Mg (189 mg kg⁻¹ soil), K (111 mg kg⁻¹ soil), Na (109 mg kg⁻¹ soil) and P (89 mg kg⁻¹ soil). Fluctuations of the microbial groups as well as those of organic matter and nutrients were positively correlated.The efficacy of inoculation depended on both the type of soil and the class of inoculum. The best treatment was the mixture of the four strains and, whatever the inoculum used, the soil over lime showed the most developed crust followed by the soils over schist, granite and sandstone. In the medium term there were not significant differences between the two inocula amounts tested.These results showed that inoculation of burned soils with alien N₂-fixing cyanobacteria may be a biotechnological means of promoting microbiotic crust formation, enhancing C and N cycling microorganisms and increasing organic matter and nutrient contents in heated soils.     

华北平原潮土区粮田氮淋失阻控措施及效果分析

华北平原潮土区是我国重要的粮食主产区,改革开放40多年来该区农业经历了以高水肥投入为主要特征的集约化进程,相应的氮淋失导致的面源污染自20世纪90年代以来不断加剧。本研究针对华北平原潮土为主要类型的粮田,对过去40多年间主要研究文献进行全面分析,梳理氮肥和水分投入与氮淋失之间的定量关系,比较主要农田管理措施对氮淋失的阻控效果及其机理,以期为我国农业面源污染提供决策支持。研究发现,氮肥和灌溉是影响华北平原潮土区粮田氮淋失的主要因素,其中氮淋失与氮盈余量之间呈指数关系,比与施氮量的指数关系更显著。基于机器学习的随机森林回归模型能够考虑包括施肥、灌溉、土壤条件和气象等多因素对氮淋失的影响,未来在定量预测中有较好前景。同等氮肥投入条件下,由于氮供应与作物吸收契合度高,有机无机配施能显著降低氮淋失。以缓控释肥、尿酶和硝化抑制剂为代表的肥料增效剂可以降低约1/3的氮淋失,值得重点推广应用。秸秆还田可以实现包括提高土壤有机物和微生物氮库、增加无机氮缓冲容量等综合效益,有利于降低氮淋失风险(降低比例达10%),但免耕的阻控效应较低且呈现较大不确定性。调整种植制度、休耕、间作套种和种植填闲作物等措施会影响粮食产量,推广过程中应慎重。氮淋失的阻控效果更多受到社会、经济和政策等因素的影响,今后应采取包括生态补偿等手段发挥农民主动性,从政策和法律法规层面创造实施氮淋失阻控措施的社会环境。     

华北黄泛平原潮土土壤养分与土壤粒级的关系研究

根据第二次全国土壤普查资料，利用数理统计的方法研究了华北黄泛平原潮土土壤粒级与土壤养分含量之间的关系。研究结果表明，土壤耕层养分含量与土壤砂粒成负相关，与小于0.01mm的各粒级成正相关。其中土壤有机质含量主要受砂粒（1～0．05mm）和细粘粒（〈0．001mm）含量的影响，土壤全氮含量主要受细粘粒含量的影响，土壤全磷含量主要受砂粒和粗粉粒（0．05-0．01mm）含量的影响，土壤速效磷含量主要受细粘粒含量的影响，土壤速效钾含量主要受细粉粒（0．01，0．005mm）含量的影响。     

华北黄泛平原潮土土壤养分与土壤粒级的关系研究

根据第二次全国土壤普查资料,利用数理统计的方法研究了华北黄泛平原潮土土壤粒级与土壤养分含量之间的关系。研究结果表明,土壤耕层养分含量与土壤砂粒成负相关,与小于0.01 mm的各粒级成正相关。其中土壤有机质含量主要受砂粒(1~0.05 mm)和细粘粒(<0.001 mm)含量的影响,土壤全氮含量主要受细粘粒含量的影响,土壤全磷含量主要受砂粒和粗粉粒(0.05~0.01 mm)含量的影响,土壤速效磷含量主要受细粘粒含量的影响,土壤速效钾含量主要受细粉粒(0.01~0.005 mm)含量的影响。