黑土春玉米田氮素的淋溶风险与阻控机制研究

为阐明黑土春玉米田氮素的淋溶风险与阻控机制,运用田间原位15N示踪技术,设常规垄作、免耕无秸秆覆盖和免耕100%秸秆覆盖(秸秆量为7500 kg·hm~(-2))3个处理,量化了长期免耕秸秆覆盖措施下氮素在不同形态氮库中的转化特征、淋溶运移规律和去向。结果表明:农民常规施肥量条件下,常规垄作、免耕无秸秆覆盖和免耕全量秸秆覆盖均已导致东北黑土春玉米田0～300cm土壤剖面中分别累积461.6kg(N)·hm~(-2)、450.7kg(N)·hm~(-2)和439.7kg(N)·hm~(-2)的矿质氮,且主要是硝态氮(占比分别为84.2%、79.5%和81.7%),存在着氮素的淋溶损失风险。当季施入肥料氮对玉米苗期和抽雄期0～40cm土层总硝态氮库累积的贡献率平均为60.9%和58.0%,其淋溶损失风险较高。与常规垄作处理相比,免耕全量秸秆覆盖降低了0～40 cm土层肥料氮向矿质氮库的转化,降低比例达20.8%;增加了其向黏土矿物固定态铵和有机氮库的转化,提高比例分别为39.4%和30.5%。0～20cm土层,黏土矿物对肥料来源铵的固定能力和微生物对肥料来源矿质氮的固持能力基本相当;20～40cm土层,固持能力前者高于后者,说明外源碳输入的数量及其与土壤微生物的接触程度共同决定着对矿质氮的固持潜能。通过免耕和秸秆覆盖调控机制,可阻控黑土春玉米田矿质氮在土壤剖面的大量积累,使氮肥利用效率和玉米产量均提高9.7%,氮肥的气态损失降低27.7%,延缓肥料氮向深层土壤剖面淋溶运移的速率。     

施氮和秸秆还田对小麦-玉米轮作农田硝态氮淋溶的影响

连续4 a采用渗漏计测定法研究了陕西关中小麦-玉米轮作区施氮和秸秆还田对土壤剖面90 em处NO3--N淋溶的影响.结果表明,NO3--N淋洗主要发生在7、8、9月份或灌溉后,年际间变异较大.监测期内各处理渗漏液NO3--N浓度和淋失量的变幅为0～103.5 mg L-1和0～21.8 kg hm-2,二者均随施氮量的增加呈增加趋势.小麦施氮150 kg hm-2、玉米施氮180 kg hm-2时,连续4a作物均能获得高产.施氮量继续增加,产量不再增加,0 ～100 cm土层NO3--N累积量和90 cm处NO3--N淋失量却相应增加.秸秆还田2 a后作物显著增产,2010年和2011年分别增产15.1％和14.2％,但对NO3--N累积和淋溶的影响不显著.回归分析显示,NO3--N年淋失量和0～ 100 cm土层累积量均随年施氮量的增加呈指数形式增加,说明施氮量越高,NO3--N年淋失量和累积量越高,二者占施氮量的比例也越高.     

不同pH降雨淋溶对原状水稻土土壤酸化的影响

采用原状土柱定时定量淋溶的方法,用pH为2.5,4.5和6.5的模拟降雨淋溶了太湖地区典型的水稻土-黄泥土.淋溶量为5 L/柱,研究原状土柱土壤淋溶后酸碱性变化及盐基离子的淋洗规律.结果显示,不同pH降雨淋溶后,土壤仍处在初级缓冲体系,即阳离子缓冲体系,但大量的盐基离子被淋溶出土体,淋出液的pH都在7.4以上,各淋溶处理淋出量最大的是Ca2+,淋出率最高的则为Mg2+,Na+和K+淋出量明显小于前两者,K+淋出量则最小,各处理间的各盐基离子的淋出量随淋溶液pH的降低而上升.淋溶后的土柱土壤pH和酸碱缓冲容量都出现下降,与淋溶前土壤相比,PH 2.5的处理0-10 cm土层和10-20 cm土层,土壤pH下降0.65,0.30个单位;PH 4.5的模拟降水处理降幅分别为0.42,0.04个单位;PH 6.5的模拟降水降幅为0.08,0.15个单位,各处理20-40 cm土层的pH则受模拟降雨的影响较小;同时采用酸碱滴定法测定了初级缓冲体系下各处理土壤的酸碱缓冲容量,结果显示0-10 cm土层,土壤酸碱缓冲容量降幅最大,和试验前处理土壤对应的土层相比,pH2.5,4.5,6.5的降雨处理降幅分别为31.83%,19.58%,15.59%,各pH 2.5,4.5,6.5的降雨处理10-20 cm土层降幅分别为23.93%,14.73%,7.17%.而各降雨处理20-40 cm土层降幅都小于5%.研究表明,虽然模拟半年度不同pH降雨淋溶处理下,大量盐基离子从土体表层被置换淋洗,导致表层土壤pH的降低,相比之下,不同pH的模拟降雨对土壤的酸化作用随pH的降低而上升.虽然淋溶后各处理土壤仍处在初级缓冲体系,但其表层土壤酸碱缓冲容量的下降必将加速土壤的进一步酸化.     

生物质炭对黑土硝态氮淋失的影响

为探究不同类型和不同用量生物质炭对黑土硝态氮(NO_3~-—N)淋失的影响,采用室内土柱模拟法进行淋溶试验,探究了3种来源(玉米秸秆、稻壳、松木)和4个添加比例(0.6%,1.2%,3.6%,6%)的生物质炭对黑土淋溶液的pH、电导率(EC)、体积、淋溶液中NO_3~-—N浓度及土壤NO_3~-—N淋失量的影响。结果表明:淋溶液的pH和EC与生物质炭的施用量呈正比,且3种生物质炭对淋溶液pH的影响表现为玉米秸秆稻壳松木;对淋溶液EC的影响表现为稻壳松木玉米秸秆。淋溶液体积与生物质炭的施用量呈反比,CK处理中累积淋溶液体积为2 530ml,玉米秸秆、稻壳和松木生物质炭的各处理中均为6%处理的累积淋溶液体积最低,分别比CK降低了16.91%,10.77%和10.70%。施用生物质炭可降低淋溶液中NO_3~-—N浓度,CK处理中淋溶液NO_3~-—N浓度范围为38.09~5.02 mg/L,玉米秸秆生物质炭中1.2%处理的淋溶液NO_3~-—N浓度最低,范围为21.31~0.74mg/L;稻壳、松木生物质炭中3.6%处理的淋溶液NO_3~-—N浓度最低,范围分别为21.86~1.06mg/L和22.76~1.11mg/L。施用生物质炭降低了土壤NO_3~-—N淋失量,不同生物质炭对其影响表现为玉米秸秆稻壳松木,当玉米秸秆生物质炭的添加比例为1.2%,稻壳及松木制备的生物质炭添加比例为3.6%时,土壤NO_3~-—N淋失量最低。因此,向黑土中施用生物质炭可以增加淋溶液的pH和EC,降低淋溶液体积和其中所含NO_3~-—N的浓度,从而减少了土壤中NO_3~-—N的淋失量。     

不同有机物料对苏打盐化土有机碳和活性碳组分的影响

【目的】在大同盆地苏打盐化土上,研究不同有机物料对春玉米产量、土壤有机碳及活性碳组分的影响,明确土壤有机碳及活性碳组分与主要盐碱指标的相关关系,为苏打盐化土改良及有机物料资源化利用提供理论支撑。【方法】2016-2017年在山西省北部怀仁县开展田间定位试验,设对照(CK)、风化煤、生物炭、牛粪和秸秆5个处理,各处理有机物料施用量按照每年9000 kg/hm^2等有机碳投入量折算,收获时对春玉米进行测产。2017年春玉米收获后,采集土壤样品测定土壤有机碳总量(SOC)和水溶性有机碳(WSOC)、易氧化有机碳(EOC)、轻组有机碳(LFOC)含量,分析土壤活性碳组分占有机碳的比例、土壤有机碳及活性碳组分与盐碱指标之间的关系。【结果】与CK相比,生物炭和秸秆处理春玉米产量无明显差异,而风化煤和牛粪处理春玉米产量则分别显著提高30.2%和30.3%。添加有机物料促进了0-20 cm土层SOC累积,其中以风化煤和牛粪处理效果最佳,较CK分别提高47.6%和36.1%。在有机碳组分方面,风化煤和牛粪处理提高WSOC、EOC含量的效果显著高于生物炭、秸秆处理;风化煤、牛粪和秸秆处理的LFOC含量显著高于生物炭处理。四类有机物料处理的WSOC占总有机碳的比例差异不显著,牛粪处理的占比显著高于CK。EOC占总有机碳的比例以牛粪处理最高,风化煤次之,且二者均显著高于CK处理;LFOC占总有机碳的比例则表现为秸秆、牛粪>风化煤、生物炭> CK。此外,添加有机物料能有效降低0-20 cm土层土壤pH、电导率(EC)和碱化度(ESP),其中以风化煤和牛粪处理降幅最大。相关分析表明,土壤SOC与pH、EC和ESP呈显著负相关。【结论】通过有机物料改良效果比较,发现牛粪和风化煤处理能促进苏打盐化土有机碳累积,提高可溶性、易氧化态及轻组有机碳组分在总有机碳中的占比,降低土壤pH、EC和ESP,明显提高春玉米产量。因此,风化煤和牛粪是山西北部苏打盐化土良好的改良剂。     

腐植酸尿素对玉米生长及肥料氮利用的影响

【目的】 利用腐植酸对氮肥的增效作用,通过研究尿素中腐植酸添加量对玉米生长及肥料氮 (15N) 吸收、分配的影响,以期为腐植酸提高尿素肥效提供理论及实践依据。 【方法】 将腐植酸增效剂按 1%、5%、10%、20% 的比例分别添加到普通尿素中,利用熔融法制备四种腐植酸尿素试验产品 (HAU1、HAU2、HAU3 和 HAU4) ,在土柱栽培试验中利用同位素15N 示踪法,研究在等氮量 (施氮量 0.1 g/kg 干土) 投入情况下,尿素中腐植酸添加量对玉米生长,玉米肥料氮吸收、分配及肥料氮在不同土层分布的影响。 【结果】 与普通尿素处理 (U) 相比,1) 四种腐植酸尿素处理均可显著提高玉米地上部生物量和籽粒产量,分别提高 5.5%～13.8% 和 6.3%～17.3%,且随着腐植酸添加量的增加而提高。2) 腐植酸尿素提高了玉米籽粒、茎、穗轴中的肥料氮含量,但差异不显著,同时降低了苞叶中的肥料氮含量;腐植酸尿素可显著提高玉米地上部和籽粒肥料氮的吸收量,分别增加 11.6%～17.0% 和 16.8%～25.9%,但随着腐植酸添加量的增加,叶和苞叶中的肥料氮吸收量会有所降低;腐植酸尿素的肥料氮收获指数提高 2.5～4.2 个百分点。3) 腐植酸尿素可显著提高15N 肥料利用率和15N 肥料土壤残留率,并降低15N 肥料损失率,15N 肥料利用率提高 5.9～8.6 个百分点,15N 壤残留率提高 1.4～2.5 个百分点,损失率降低 7.3～11.2 个百分点。4) 玉米收获后,土壤中的肥料氮主要残留在 0—50 cm 土层,腐植酸尿素在 0—90 cm 土层中的肥料氮累积残留量比普通尿素高 5.2%～10.1%。 【结论】 与普通尿素相比,在腐植酸增效剂添加比例为 1%～20% 的范围内,腐植酸对尿素均具有较好的增效作用,随着腐植酸添加量的增加,玉米籽粒产量逐渐增加;腐植酸还可促进玉米叶片和苞叶中的肥料氮向籽粒的转运,提高玉米肥料氮收获指数及籽粒肥料氮吸收量;同时还可提高尿素在土壤中的残留量,减少氮素淋溶损失。      

免耕秸秆覆盖条件下尿素来源铵态氮和硝态氮的累积与垂直运移过程

为准确量化常规垄作和免耕不同量秸秆覆盖处理条件下,玉米不同生育期尿素氮来源铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)在土壤剖面中的累积、垂直运移特性和淋失风险,于2016年在连续运行9年的长期免耕定位试验基地上设置田间原位~(15)N同位素示踪微区试验,试验设5个处理,分别为常规垄作(RT)、免耕无秸秆覆盖(NT-0)、免耕33%秸秆覆盖(NT-33)、免耕67%秸秆覆盖(NT-67)和免耕100%秸秆覆盖(NT-100)。研究结果表明:玉米苗期和抽雄期,0~20 cm和20~40 cm土层尿素来源NO_3~--N的累积量显著高于尿素来源的NH_4~+-N,尿素来源NO_3~--N占所施入尿素氮的比例在苗期最高,各个处理相应土层的平均值分别为24.0%和17.4%。玉米成熟期,0~100 cm土壤剖面中残留的尿素来源的矿质氮96%以上是NO_3~--N,约有7%左右的尿素氮以NO_3~--N的形态垂直运移至80~100 cm土层中,其对相应土层总的土壤NO_3~--N库的贡献比例达50%以上,说明当季作物施入氮肥的淋溶损失风险较高。与常规垄作处理相比,免耕67%和100%秸秆覆盖处理降低了尿素来源NO_3~--N在深层土壤剖面的残留,但差异未达到显著性水平。     

渭北旱塬小麦不同栽培模式对土壤硝态氮残留的影响

在陕西渭北旱塬进行了4年田间小麦试验,研究了旱地不同栽培模式、施氮量和种植密度对土壤硝态氮残留累积的影响。结果表明,种植小麦4年后,0-200 cm土壤剖面中残留硝态氮为29.87~462.59 kg/hm2,且主要积累在80-160 cm土层,土壤氮库不仅明显,且残留比前3年土壤剖面显著下移(前3年主要累积在100 cm),差异达显著和极显著水平;不同栽培模式和种植密度0-200 cm土层硝态氮残留累积规律及其小麦籽粒吸氮量基本相似,排序均为:地膜覆盖>常规种植>秸秆覆盖>垄沟种植;随施氮量的增加土壤硝态氮残留量也相应增加,N0处理0-200 cm土壤平均硝态氮残留量为57.69 kg/hm2,N120处理平均为97.04 kg/hm2,虽然高于无氮处理,但两者差异未达到显著水平,N240处理平均为355.43 kg/hm2,比前者增加的幅度更大,其差异达到极显著水平。因施氮肥而增加的土壤硝态氮残留量为14.9~401.18 kg/hm2,平均占4年施氮量的19.59%,其中地膜覆盖占26.07%,常规种植占20.98%,秸秆覆盖占17.46%,垄沟种植种植占13.87%。     

水稻不同移栽密度的氮肥效应及氮素去向

利用15N示踪技术,研究不同移栽密度对水稻产量、氮肥吸收利用及其氮素去向的差异。结果表明,随移栽密度变大,水稻产量显著增加,穗粒数、结实率和千粒重降低,子粒与秸秆氮肥吸收量、肥料利用率及其残留量增加,而氮素损失降低。水稻所吸收的氮素约2/3来源于土壤氮,1/3来源于当季肥料施的氮。不同处理间,肥料利用率为16.69%～26.69%,氮肥残留率为17.12%～21.08%,有52.23%～66.19%的肥料损失。无论哪种密度下,肥料主要残留在0～20 cm土层中。密度为40 cm×40 cm时,0～20 cm土层氮素残留量高于50 cm×50 cm和30 cm×30 cm处理,为28.54 kg/hm2,占施肥量的12.97%;而在40～60 cm的土层的氮素残留量为7.34 kg/hm2,比50 cm×50 cm和30 cm×30 cm处理同层残留量降低了57.90～59.29%。     

黄土高原旱地长期施肥对土壤硝态氮淋失的影响

对1984年建设的渭北旱塬的长期肥料定位试验土壤剖面硝态氮含量进行了分析,结果表明:施肥12a后单施有机肥处理的硝态氮含量在60cm以下土层,与CK、P含量接近,未发现硝态氮淋溶;NPM处理的累积峰在60—140cm,氮磷配施在100—120cm。22a后,除CK和P外,各处理均在40—100cm土层出现累硝态氮积峰,其中N、NP、NPM处理硝态氮分布呈现出双峰曲线(在60cm和200cm处均出现累积峰),表现出向更深土层淋溶的趋势。单施氮肥平均每年累积量高达73.5kg/hm2,虽然NP和NPM年均累积速率比N处理分别减少了57.7%和78.6%,长期超量施用有机肥依然存在生态风险,必将造成氮素的大量损失,但该区的地下水埋藏深厚(50m),对地下水污染风险小。