施用生物炭对黑土各组分有机质结构的影响

  【目的】  生物炭还田已经成为培肥土壤的重要农艺措施之一,研究生物炭还田对黑土各粒径水稳性团聚体中有机碳的分配,以及对不同密度组分有机质化学结构的影响,以深化认识施用生物炭增加农田土壤固碳潜力的机理。  【方法】  选取中国科学院海伦农业生态实验站内长期定位试验中施用化肥(?BC)和化肥配施生物炭(+BC) 的两个处理,采集土壤样品以常规方法分析了有机质总量,并将土壤样品分离为>2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和 <0.053 mm 4个粒级水稳性团聚体,测定其中的有机碳含量。将土壤样品中的有机质分为游离态轻组(free light fraction, LF)、闭蓄态轻组(occluded light fraction, OF)和矿物结合态组(mineral-associated fraction, MF) 3个密度组分,利用元素分析仪和傅里叶红外光谱技术分析了有机碳含量和化学结构。  【结果】  与?BC处理相比,+BC处理的土壤有机质含量增加19.72%,密度组分中LF和OF有机质含量分别增加了73.50%和192.66%,团聚体>2 mm和2～0.25 mm两个粒级的有机质含量分别显著增加了12.54%和21.35%。土壤中除芳香族C=C和羰基C=O相对丰度分别减少了18.18%和21.95%以外,其他官能团均增加,?CH/C=C和?CH/C=O值分别增加66.67%和62.11%;在>2 mm团聚体中,脂肪族?CH的相对丰度增加了55.11%,芳香族C=C减少17.06%,致使>2 mm团聚体中的?CH/C=C和?CH/C=O值增加;在<0.25 mm粒级中,芳香族C=C相对丰度增加27.63%～49.83%,脂肪族?CH减少了16.58%～20.80%,致使?CH/C=C和?CH/C=O值下降。在>2 mm的团聚体中—CH/C=C和CH/C=O值的增幅最大。此外,与?BC相比,+BC处理各密度组分中脂肪族?CH和芳香族C=C相对丰度均增加,其中OF组分中增幅分别达125.74%和29.06%,?CH/C=C值增加了74.19%。  【结论】  施用生物炭增加了黑土有机质含量,促使土壤特别是大团聚体中的有机质结构趋于脂肪化,促进了微团聚体中有机质的稳定性。闭蓄态轻组中脂肪族?CH的相对丰度增幅最大,有利于促进有机质活性的增强,加快土壤有机质的周转更新。     

黑土区水肥耦合对大豆产量的影响

通过盆栽试验条件,设置不同灌水和施钾处理,研究水钾耦合对大豆产量的影响,试验结果分析表明:水分对大豆产量影响大于钾肥的影响.大豆产量很大程度上依赖于水分供应的多少,在水分充足时增施钾肥可以提高大豆产量和株高,水分的增产十分显著,水分对产量影响增产最大为25.6%,但水分过高对大豆生产有毒害作用.随着水分和施肥量的增加,产量增加,在相对含水量为60%和肥料F3(N:0.04 g/kg、P2O5:0.02 g/kg、K2O 0.30 g/kg)情况下,产量最高(17.7 g/株),比无钾肥干旱增产33.7%.     

1957—2017年河南省潜在蒸散量的时空分布特征

在气候变暖的大背景下,全球平均气温开始持续上升,干旱灾害也日益严峻,严重影响了农作物的生长发育.河南省是全国干旱地区小麦作物主产最多的省份,基于河南省17个国家标准气象站1957—2017年的气象资料,利用彭曼-蒙特斯公式计算河南省近61年的潜在蒸散量,分析河南省潜在蒸散量的时间变化特征,采用M-K法分析潜在蒸散的突变情况,利用ArcGIS分析潜在蒸散的空间分布特征.结果表明,1957—2017年河南省潜在蒸散量年际变化呈现下降趋势,蒸散量在904～1252 mm,其中春季潜在蒸散量呈上升趋势,其他三季呈下降趋势.通过突变检验得知,1973年为年潜在蒸散突变年份,1969、1977、2003、1971年分别为四季突变年份,春季水分亏缺最严重,远高于其他季节,因此河南省春旱情况严重.河南省大部分地区呈现缺水现象,但南部地区如信阳市却出现降水量高于全年蒸散量的情况.     

大气CO2浓度升高对东北主栽作物种子活力的影响

大气CO2浓度升高是全球气候变化的重要特征之一,为揭示未来气候变化对作物种子活力的影响,进行种子发芽对CO2增加的适应性响应研究.2019年在中国科学院海伦农业生态实验站进行开顶式气室(OTC)模拟CO2增加试验,选取东北三大主栽作物大豆、玉米和水稻为供试作物,设置两个CO2处理,分别为aCO2 (400 μmol· mol-1)和eCO2(700 μmol·mol-1).结果 表明:相比于对照(aCO2)处理,CO2浓度升高后,大豆种子的体积、百粒重、24 h吸胀速度、浸出液电导率、发芽率、发芽势和发芽指数分别降低了11.24％、10.53％、2.51％、27.72％、15.85％、19.75％和10.17％;虽然CO2升高未显著影响玉米种子百粒重,但其24 h吸胀速度和浸出液电导率分别降低了3.69％和8.62％,而发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数分别提高了81.03％、75.00％、56.14％和81.68％;水稻种子的体积降低了21.35％,而其千粒重、发芽势、发芽指数和活力指数分别提高了5.62％、5.19％、26.11％和32.21％.综合以上结果表明,大气CO2浓度升高对不同作物种子活力的影响存在差异,从发芽指标来看,大气CO2浓度为700 μmol· mol-1时,种子活力表现为玉米＞水稻＞大豆.     

不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性及相关肥力因子的影响

以中国科学院海伦农业生态实验站长期定位试验为平台,研究了不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性和相关肥力因子的影响,结果表明,种植苜蓿和土地休闲两种方式与裸地相比脲酶、转化酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性、土壤全碳、全氮含量和碱解氮、速效磷、速效钾含量均显著增加。其中,脲酶活性增加了24.5%和25.0%,转化酶活性增加了18.4%和18.9%,磷酸酶活性增加了54.6%和50.4%,过氧化氢酶活性增加了8.52%和59.3%,土壤全碳、全氮含量分别增加了13.8%、13.0%和36.8%、33.7%,但苜蓿和休闲两种方式间无显著差异。不同施肥方式相比,土壤酶活性、土壤全碳、全氮含量及土壤养分含量相差显著,其高低顺序为:NPKOM （氮磷钾肥＋有机肥）＞NPKST （氮磷钾肥＋秸秆）＞NPK（氮磷钾肥）＞CK （无肥）;施肥,特别是有机肥,显著提高了土壤酶活性,使土壤全碳、全氮、有效养分含量显著增加。表明黑土经自然恢复和人工恢复及施肥后土壤肥力提高,土壤质量得到改善。     

施氮对大豆根系形态和氮素吸收积累的影响

采用框栽试验方法研究了不同施氮水平对大豆根系形态和氮素吸收积累的影响,结果表明:不同施氮水平对大豆植株生物量、氮素吸收积累量及根系形态有显著影响,随施氮量增加,植株干重、氮素积累量、单株产量等均呈先增加后降低趋势,其中以N100[100 kg(N)·hm-2]处理效果最佳,总体表现为N100>N200>N50>N25>N0.无N(NO)和适量偏低的氮(N25、N50)增加了大豆的根冠比,但过多的氮(N200)反而降低了大豆的根冠比,说明低氮胁迫促进了大豆根系的生长.大豆根长、根表面积和根体积随施氮量的增加表现为先降后增而后又降低的规律,不施氮(N0)情况下,根长、根表面积和根体积均高于低氮处理(N25、N50),之后随施氮量增加而增加,当超过一定施氮量(N200)时又呈降低趋势.不同生育时期植株生物量、氮素积累、根长、根表面积和根体积等表现为花期>苗期>鼓粒期.因此施用一定量氮肥对大豆植株生物量、氮素积累以及根系形态等产生显著影响,进而影响大豆氮素转运量和转运效率,最终影响大豆籽粒产量和品质.     

基于最小数据集的东北风沙土农田耕层土壤质量评价指标

2015年10月—2017年10月玉米收获期,在位于东北风沙土区的黑龙江省杜尔伯特蒙古自治县域内,调查采集了53个样点耕层土壤,测定了21项土壤理化性状指标和玉米产量。采用聚类分析法建立了东北风沙土农田耕层质量诊断最小数据集(MDS),利用全量数据集(TDS)、土壤质量指数(SQI-TDS)、玉米产量、最小数据集土壤质量指数(SQI-MDS)对风沙土耕层特征进行了分析评价。SQI-TDS、玉米产量与SQI-MDS呈极显著正相关(r~2分别为0.451 5,0.557 9),这表明MDS适合替代TDS对风沙土农田耕层土壤质量进行评价。调查区域东北风沙土平均土壤质量指数为0.46,基于MDS,根据土壤质量评价指数土壤地力划分为5级,野外调查53个点中34.0%样点土壤属于地力Ⅳ级,52.8%样点土壤属于地力Ⅲ级,11.2%样点土壤属于地力Ⅱ级,研究区域没有Ⅰ级和Ⅴ级地力分布。调查区域平均玉米产量7.6 Mg/hm~2,根据玉米产量土壤地力划分5级,野外调查53个点中1.9%样点属于地力Ⅴ级,35.8%样点土壤地力属于Ⅳ级,41.5%样点土壤地力属于Ⅲ级,18.9%样点土壤地力属于Ⅱ级,1.9%样点土壤地力属于Ⅰ级。利用最小数据集SQI-MDS能够较准确地定量描述风沙土农田耕层质量,为东北风沙土农田耕层土壤质量诊断、合理耕层评价提供理论依据。     

缺磷胁迫条件下大豆根系有机酸的分泌特性

采用水培和砂培方法检测了缺磷胁迫条件下大豆不同生育时期根系有机酸的分泌总量和组分的变化,结果表明:不同磷处理埘大豆根系分泌有机酸有显著的影响,缺磷胁迫条件下,不论是有机酸总量还是各有机酸组分的含量均显著高于正常供磷水平,差异显著,表明缺磷胁迫是促进大豆根系分泌有机酸的一个重要原因;大豆根系有机酸的分泌随生育时期而变化,表现为先增加后降低,在花期达到分泌高峰;大豆根系分泌的有机酸各组分在水培和砂培条件下基本一致,主要以苹果酸、柠檬酸、草酸、酒石酸等为主,砂培条件下有机酸的分泌量为水培条件下的2-3倍.     

低分子量有机酸对大豆根系形态和磷素吸收积累的影响

采用砂培试验研究了几种低分子量有机酸(柠檬酸、草酸、苹果酸和三种酸的混合)对根系形态和磷素吸收积累的影响.结果表明:不同有机酸处理均显著降低了大豆根系生物量和根冠比,同时使根长、根表面积和根体积均显著降低,而且随着有机酸浓度的增加抑制作用加强,几种有机酸混合后,抑制作用也相对增强,表明不同有机酸处理均抑制了大豆根系的生长,同时使大豆根系的竞争能力降低.几种有机酸处理均降低了大豆对磷素的吸收积累,从而降低了大豆对磷素的吸收效率,但磷利用效率增加.     

磷和根瘤菌交互作用对大豆结瘤和生长的影响

为了阐明营养液中磷浓度和不同数量根瘤菌的交互作用对大豆结瘤和生长的影响,在营养液培养条件下,进行3种磷水平[P1-0、P2-4和P3-30(μmol P·I-1)]和3种根瘤菌浓度[RI-102、R2-103.5和R3-105(CFU·mL-1)]处理,培养大豆25 d,测定大豆生物量和根瘤性状指标.结果表明:在相同根瘤菌数量条件下,不同磷浓度对大豆总生物量的影响不大,对根冠比的影响较大营养液中接种的根瘤菌浓度越高,根瘤原基数量越夫,低磷明显抑制根瘤原基发育形成根瘤,进而减少了低磷处理大豆根瘤数量从P1到P3,R1恨瘤菌浓度处理根瘤原基形成根瘤的几率分别为:79%、86%和100%.营养液中磷浓度促进生物量向根瘤中分配,高磷处理相对根瘤生物量较高随着生育进程,大豆各组织器官含磷量逐渐降低,在所有取样时期含磷量均表现为根瘤>根>地上部;含氮量表现为根瘤>地上部>根.可见磷和根瘤菌对大豆生长和结瘤形成有交互作用.