设施菜地土壤氮素运移及淋溶损失模拟评价

设施菜地因大水大肥管理方式导致的氮素淋失已成为当前关注焦点。探寻氮素淋失阻控技术需要首先探明土壤中NO_3~--N的运移和淋失过程,找到淋失阻控的关键点,从而实现蔬菜栽培高产量低环境成本。本研究以京郊设施菜地黄瓜-番茄轮作系统为研究对象,通过田间试验获取土壤温度、湿度、NO_3~--N含量等数据,对反硝化-分解(DNDC)模型进行参数校验,并以农民常规种植模式为基线情景,设置改变土壤基础性质、灌溉量、施氮量等不同情景,运用DNDC模型对设施菜地系统土壤氮素运移及淋溶损失进行定量评价。结果表明:经验证后的DNDC模型能够较好地模拟蔬菜产量、5 cm土壤温度和0～20 cm土壤孔隙含水率变化以及NO_3~--N的迁移过程,是模拟和评价氮素运移和损失的有效工具。模拟不同情景表明,设施菜地0～60 cm土壤NO_3~--N累积主要受灌溉水量和氮肥施入量的影响,此外土壤pH和土壤有机碳的变化也是影响NO_3~--N运移的重要因子。节水节肥是设施菜地氮素淋失减量的最有效方法,相比常规措施,同时减少20%灌溉量和20%施氮量可明显降低59.04%的NO_3~--N淋失量。同时,在节水节肥的基础上改变灌溉方式并提高20%土壤有机碳含量,在保证蔬菜产量的前提下,能够进一步降低69.04%的NO_3~--N淋失量。可见, DNDC模型为设施菜地NO_3~--N淋失评价和阻控提供了一个较好的解决方案。在当前重点关注减氮节水等管理措施的同时,提高土壤本身的质量,不失为一种更有效的减少设施菜地氮素淋失的途径。     

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。     

褐土区氮磷在土壤发生层中淋溶的差异性

农业氮磷淋溶已经成为地下水污染最普遍和突出的问题。为揭示氮磷在包气带不同土层的淋溶特征,以典型褐土的5个土壤发生层（耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层）为研究对象,采用室内土柱模拟淋溶试验,在施肥量相同的条件下分析不同形态氮磷淋溶量,研究氮磷在不同土壤发生层中的迁移特征及其影响因素。结果表明：1）进行5次淋溶,耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层淋溶液中可溶性总氮总量分别为2412.63 mg·L^-1、3028.94 mg·L^-1、244.16 mg·L^-1、3648.99 mg·L^-1和3356.51 mg·L^-1,淋溶层、黏化层和母质层可溶性总氮淋溶量显著高于耕层,而钙积层可溶性总氮淋溶量较耕层显著减少;耕层淋溶液中可溶性总磷总量为0.52 mg·L^-1,且显著高于其他4层。2）在试验初期,耕层、淋溶层的硝态氮、可溶性总氮和正磷酸盐淋溶量显著高于黏化层和母质层,进行到第4、5次淋溶,黏化层、母质层的硝态氮和可溶性总氮淋溶量显著高于其他3层,而各发生层间正磷酸盐淋溶量无显著差异;单次淋溶黏化层和母质层铵态氮淋溶量均显著高于其他3层,而耕层可溶性总磷淋溶量始终显著高于其他各层。3）耕层和钙积层的淋溶液中硝态氮是氮素淋溶的主要形态,占可溶性总氮比例分别为69.0%和85.4%,而在淋溶层、黏化层和母质层中分别为41.3%、5.1%和4.6%;在可溶性磷中,以无机态正磷酸盐为主,最高占可溶性总磷的75.9%。4）土壤有机质含量、阳离子交换量、黏粒含量对土壤氮磷的迁移转化有明显主导作用。有机质与氮磷淋溶量呈显著正相关关系,有机质含量高,会增加淋溶初期氮磷的淋溶风险;而阳离子交换量和黏粒含量则与氮磷淋溶呈显著负相关关系,阳离子交换量大和黏粒多能减少氮磷素的淋溶风险。该试验结果说明,由于5种发生层土壤理化性质不同,各发生层氮磷淋溶特征及其淋溶形态也有差异,并且氮磷的淋溶受土壤本身阳离子交换量、黏粒和有机质含量的影响。     

磷肥在旱地红壤上的后期效应及其作用机制

红壤地区施入的磷肥很容易被吸附固定而留存于土壤中,降低磷肥利用效率,留存于土壤中的磷对土壤生态功能和作物养分供应的后续效应值得关注。基于旱地红壤长期施肥定位试验,探讨常规施肥处理（CK）以及短期施入不同磷肥量（P2O5,0、50、100、150和1 000 kg·hm-2）多年后土壤养分、土壤氮循环过程和作物产量的变化特征。通过多元统计分析方法探讨不同磷肥处理下,土壤全碳、全氮和微生物生物量碳和氮转化过程的潜在速率以及产量等因子间的相互关系及其与磷的后期效应的关系。结果表明,在短期投入高剂量磷肥（1 000 kg·hm-2, P1000）27年后,土壤全碳、全氮和微生物生物量碳与常规施肥处理相比无明显差异,但显著提高了土壤pH和氮循环相关过程速率,包括氮矿化速率（Nitrogen mineralization rate, Nmin）、固氮酶活性（Soil nitrogenase activity, SNA）、潜在硝化速率（Potential nitrification rate, PNR）（P < 0.05）,同时降低了净N2O排放潜能（Net N2O production rate, NN2O）（P < 0.05）。与不施磷（P0）和短期投入低剂量磷肥处理（50,100,150 kg·hm-2）相比,P1000处理中,土壤有效磷（AP）、氮矿化速率、固氮酶活性、潜在硝化速率和潜在N2O产生速率（PN2O）分别增加了33.3%～76.4%、88.2%～388.1%、111.4%～4 826.3%、22.6%～152.4%和13.8%～78.9%（P < 0.05）,同时净N2O排放潜能也降低了64.6%～78.9%（P < 0.05）,表现出明显的磷后效,且在作物生长季更为明显。相关分析和冗余分析表明AP和pH是影响以上土壤生物化学活性最主要的因子。近三年作物平均产量在所有处理中无显著差异,但与土壤TP、AP和pH呈显著正相关;但在长期尺度上（1992—2019年）,P1000处理相对于其他低磷处理累积增产效应达3%～23%。以上结果表明,酸性红壤中短期大量施用磷肥多年后,由于大量磷肥投入导致的土壤pH提升和磷的缓释效应,使得磷肥在促进土壤肥力、微生物活性和土壤氮循环转化活性方面表现出较明显的后期效应。     

Phenotypic variations of wheat cultivars from the North China Plain in response to cadmium stress and associated single nucleotide polymorphisms identified by a genome-wide association study

Understanding the genetic mechanisms for cadmium(Cd) uptake and translocation in common wheat(Triticum aestivum) is of significance in food Cd contamination control. In this study, a diverse panel of 132 wheat cultivars was collected from the North China Plain. The cultivars were evaluated in terms of their phenotypic variations in response to Cd stress and subjected to a genome-wide association study(GWAS) to identify single nucleotide polymorphisms(SNPs) associated with the phenotypic variatio...     

森林土壤氧化亚氮排放对氮输入的响应研究进展

大气中氧化亚氮（N2O）浓度的上升加剧了全球变暖。森林土壤在调节大气N2O浓度中发挥着至关重要的作用。近年来,氮（N）输入对森林土壤N2O通量的影响备受关注。然而,森林土壤N2O排放对N输入响应的机制,尤其是植物和微生物对N2O通量的调控作用尚缺乏系统研究。因此,本文综述了N输入如何通过森林植被（根系N吸收、凋落物分解和形成丛枝菌根）和土壤微生物（微生物量和群落组成）调控N2O产生途径从而影响森林土壤N2O排放。结果表明,植物的竞争性氮吸收能降低氮输入对N2O排放的促进作用,其作用大小可能主要取决于土壤“氮饱和”状态。植物凋落物主要通过分解过程中的养分归还和次生代谢产物释放来影响氮输入背景下的森林土壤N2O排放,前者具有促进作用,而后者具有抑制作用。丛枝菌根主要通过吸收有效氮和水分、促进团聚体形成以及改变N2O相关功能基因群落调控森林土壤N2O通量。N输入导致的土壤酸化或养分限制,通常会降低微生物量和/或改变微生物群落组成,从而控制N2O排放。N输入对N2O不同产生途径也会造成影响,受土壤湿度、N2O底物浓度以及N2O相关功能基因丰度（AOB、 AOA、nirK、 nirS和nosZ）的调控。未来在模型预测中,需要将植物氮吸收、凋落物分解、菌根以及N2O产生途径充分纳入模型,以提高模型预测准确性,为全球变化背景下制订森林管理政策和温室气体减排措施提供支持。     

开垦年限对黑土氮初级转化速率和净转化速率的影响

以东北黑土区开垦2 a和开垦30 a的典型旱作土壤为研究对象,采用15N同位素成对标记技术开展室内培养试验,利用数值计算模型(FLUAZ)计算不同开垦年限土壤的氮初级转化速率,以比较不同开垦年限黑土氮初级转化速率和净转化速率的差异,明确开垦年限对黑土氮转化过程的影响。结果表明,与开垦2a土壤相比,开垦30a土壤的有机碳和水溶性有机碳含量显著降低,导致土壤氮初级矿化速率和初级固定速率也显著降低。但开垦30a土壤的初级硝化速率、净硝化速率和净氮矿化速率却显著高于开垦2a土壤。两个开垦年限土壤的初级硝化速率分别为净硝化速率的1.15倍和1.02倍,说明土壤微生物对硝态氮的固定很少。开垦30a土壤的m/i值(氮初级矿化速率与初级固定速率之比)和n/ia值(初级硝化速率与初级铵态氮固定速率之比)均显著大于1,而开垦2 a土壤的m/i值和n/ia值均接近1。表明开垦2 a土壤的氮矿化与固定过程紧密偶联,氮素损失的风险较小,而开垦30 a土壤中氮矿化量超过了固定量,这为硝化作用的进行提供了底物,增加了硝酸盐反硝化和淋溶风险。     

石灰性水稻土中硝酸盐依赖型与光合型亚铁氧化过程

厌氧条件下土壤中铁氧化还原过程与土壤氮循环关系密切,且硝酸盐依赖型亚铁氧化(nitrate-dependent ferrous oxidation,NDFO)和光合型亚铁氧化(photosynthetic ferrous oxidation,PFO)是亚铁氧化的两个重要的生物途径,然而目前关于石灰性水稻土中NDFO与PFO之间的关系仍不明晰。以采自黄河中下游地区河南省孟津县的水稻土为样品,设置培养前添加和培养过程中添加10 mmol·L^-1的硝酸根离子/铵离子(NO₃^-/NH₄⁺)的恒温厌氧泥浆培养试验,通过监测泥浆中Fe(Ⅱ)、O₂、NO₃^-和亚硝酸根离子(NO₂^-)的动态变化与培养后的NH₄⁺含量探究了NO₃^-在石灰性水稻土Fe(Ⅱ)氧化过程的作用及其与光合型亚铁氧化的关系。结果...     

日本包膜缓释肥料养分释放及微结构研究

采用恒温水培试验,研究了日本生产的五种包膜肥料(LP40、LPS40、SC60、LPSS和LPSS100)氮素释放特性,用一级反应动力学方程进行拟合,并用扫描电镜观察了包膜肥料水培前后膜的微观结构。结果表明,包膜肥料的膜材料不同,氮素释放量也不同;包膜肥料的氮素释放率随着时间的延长而增加;这五种包膜肥料的氮素释放特征均可用一级反应动力学方程来描述,氮素释放速率常数与氮素释放率成正比,与氮素溶出的半时值成反比;扫描电镜的图像分析结果显示,水培后LPSS、SC60的膜外表面完整性要好于LP40,LPSS的膜剖面结构很紧实,阻水性能好。     

不同氮磷水平对南四湖区稻谷产量及肥料吸收利用的影响

为了确定南四湖区农田合理的氮磷肥投入量,减轻氮磷流失风险,对不同氮磷水平下稻田的稻谷产量及肥料吸收利用情况进行研究。结果表明,不施氮磷肥使耕层土壤氮磷含量明显下降,稻谷产量显著降低;减施30%氮磷肥显著提高了氮磷肥利用率,降低了稻谷产量。过量施用氮磷肥处理对稻谷产量无显著效果,且显著提高了耕层土壤硝态氮含量,明显降低了氮磷肥利用率,促进了水稻对氮素的积累,对水稻磷素积累无显著效果。稻谷氮磷累积量明显高于稻草,稻谷和稻草含氮量均随氮磷肥施用量的增加而增大。氮磷肥利用率随氮磷肥施用量的增加而降低。减施15%氮磷肥对土壤氮磷含量和稻谷产量均影响不大,显著提高了氮磷肥利用效率,降低了经济成本,减轻了氮磷素流失风险,是南四湖区稻田较好的氮磷肥施用模式。