Effects of part and whole straw returning on soil carbon sequestration in C3–C4 rotation cropland

Long‐term no‐tillage management and crop residue amendments to soil were identified as an effective measure to increase soil organic carbon (SOC). The SOC content, SOC stock (SOCs), soil carbon sequestration rate (CSR), and carbon pool management index (CPMI) were measured. A stable isotopic approach was used to evaluate the contributions of wheat and maize residues to SOC at a long‐term experimental site. We hypothesized that under no‐tillage conditions, straw retention quantity would affect soil carbon sequestration differently in surface and deep soil, and the contribution of C3 and C4 crops to soil carbon sequestration would be different. This study involved four maize straw returning treatments, which included no maize straw returning (NT‐0), 0.5 m (from the soil surface) maize straw returning (NT‐0.5), 1 m maize straw returning (NT‐1), and whole maize straw returning (NT‐W). The results showed that in the 0–20 cm soil layer, the SOC content, SOCs, CSR and CPMI of the NT‐W were highest after 14 years of no‐tillage management, and there were obvious differences among the four treatments. However, the SOC, SOCs, and CSR of the NT‐0.5 and NT‐W were the highest and lowest in 20–100 cm, respectively. The value of δ¹³C showed an obviously vertical variability that ranged from –22.01‰ (NT‐1) in the 0–20 cm layer to –18.27‰ (NT‐0.5) in the 60–80 cm layer, with enriched δ¹³C in the 60–80 cm (NT‐0.5 and NT‐1) and 80–100 cm (NT‐0 and NT‐W) layers. The contributions of the wheat and maize‐derived SOC of the NT‐0.5, NT‐1 and NT‐W increased by 11.4, 29.5 and 56.3% and by 10.7, 15.1 and 40.1%, relative to those in the NT‐0 treatment in the 0–20 cm soil layer, respectively. In conclusion, there was no apparent difference in total SOC sequestration between the NT‐0.5, NT‐1, and NT‐W treatments in the 0–100 cm soil layer. The contribution of wheat‐derived SOC was higher than that of maize‐derived SOC.     

秸秆和地膜覆盖对黄土高原旱作小麦田土壤团聚体氮组分的影响

利用田间定位试验研究旱作农田不同覆盖措施对土壤团聚体氮组分的影响。基于黄土高原8年冬小麦覆盖定位试验,试验设置生育期秸秆覆盖(SM)、生育期地膜覆盖(PM)和无覆盖对照(CK)3个处理。采用干筛法测定团聚体分布特征及不同粒径团聚体中全氮(STN)、微生物量氮(MBN)和潜在可矿化氮(PNM)含量。结果表明:(1)与CK处理相比,2种覆盖处理均未在各粒径团聚体全氮含量有显著变化,但SM处理相较于PM处理提高了0—10 cm土层的1.00～0.25 mm粒径团聚体STN含量(12.88%,P0.05)。(2)与CK处理相比,SM处理在0—10 cm土层中2.00,2.00～1.00,0.25 mm粒径团聚体MBN含量分别提高18.67%,24.05%,20.08%(P0.05),且各粒径团聚体PNM含量分别提高35.13%,30.03%,42.88%(P0.05);SM处理在10—20 cm土层中2.00 mm粒径团聚体MBN含量提高23.02%(P0.05),分别提高2.00,2.00～1.00,0.25 mm粒径团聚体PNM含量28.59%,31.31%,32.48%(P0.05)。(3)PM处理较CK处理提高0—10 cm土层中0.25 mm粒径团聚体PNM含量(32.34%,P0.05)。(4)微团聚体(0.25 mm)氮组分含量均高于大团聚(0.25 mm)氮组分含量,但大团聚体氮组分贡献率为81.88%～87.66%。可见,SM处理可提高土壤表层大团聚体氮组分的贡献率,使更多的氮素储存在大团聚体中,而PM处理对团聚体氮素贡献率的影响作用较小。总体而言,与CK和PM处理相比,SM处理可提高总土壤氮组分含量,提高微团聚体和大团聚体氮组分含量,使更多的氮储存在大团聚体中,促进土壤氮素周转。     

土壤不同形态碳氮含量和酶活性对培养时间及外源碳投入的响应

在绿色农业科技的推动下,有机物料资源化利用备受青睐,但有机物料种类不同对土壤肥力的提升效果不同,为探究有机物料施用对潮土不同形态碳氮含量及酶活性的动态影响,通过为期1年的培养试验,设置添加10 g/kg的秸秆菌渣(S)、树枝菌渣(B)、小麦秸秆(W)、黑麦草秸秆(R)和蚕豆秸秆(BB),并以空白处理作为对照(CK)。结果表明:与CK相比,有机物料施用显著增加土壤不同形态碳氮含量及酶活性,随培养时间的延长,有机碳及全氮含量呈增加的趋势,增幅分别为25.4%～42.9%和35%～60%,易氧化有机碳和碱解氮含量呈先上升后下降的趋势,最大值分别为2.80,43.26 mg/kg,水溶性有机碳、微生物量碳氮和酶活性则呈下降的趋势,最大值分别为346 mg/kg,293μg/g和23.08μg/g。有机物料施用会增加土壤酶活性提高土壤呼吸速率,通过对3个取样期7种水解酶的分析发现,酶活性表现为:LAPPHOSNAGBGCBAGXYL,即参与氮循环酶活性参与磷循环酶活性参与碳循环酶活性,绿肥秸秆主要增加氮循环酶活性,且以BB处理酶活性最高,菌菇渣主要增加碳循环酶活性,B处理酶活性高于S处理。有机物料施用会影响土壤酶活性,增加不同形态碳氮含量,但增幅因有机物料种类不同而有所差异,且碳氮组分对培养时间的响应不一。总体而言,小麦秸秆和蚕豆秸秆腐殖化系数最高,对不同组分碳氮含量增加效果最优。     

Modern wheat cultivars have greater root nitrogen uptake efficiency than old cultivars

The availability of nitrogen (N) contained in crop residues for a following crop may vary with cultivar, depending on root traits and the interaction between roots and soil. We used a pot experiment to investigate the effects of six spring wheat (Triticum aestivum L.) cultivars (three old varieties introduced before mid last century and three modern varieties) and N fertilization on the ability of wheat to acquire N from maize (Zea mays L.) straw added to soil. Wheat was grown in a soil where ¹⁵N‐labeled maize straw had been incorporated with or without N fertilization. Higher grain yield in three modern and one old cultivar was ascribed to preferred allocation of photosynthate to aboveground plant parts and from vegetative organs to grains. Root biomass, root length density and root surface area were all smaller in modern than in old cultivars at both anthesis and maturity. Root mean diameter was generally similar between modern and old cultivars at anthesis but was greater in modern than in old cultivars at maturity. There were cultivar differences in N uptake from incorporated maize straw and the other N sources (soil and fertilizer). However, these differences were not related to variation in the measured root parameters among the six cultivars. At anthesis, total N uptake efficiencies by roots (total N uptake per root weight or root length) were greater in modern than in old cultivars within each fertilization level. At maturity, averaged over fertilization levels, the total N uptake efficiencies by roots were 292?336 mg N g^?1 roots or 3.2?4.0 mg N m^?1 roots for three modern cultivars, in contrast to 132?213 mg N g^?1 roots or 0.93?1.6 mg N m^?1 roots for three old cultivars. Fertilization enhanced the utilization of N from maize straw by all cultivars, but root N uptake efficiencies were less affected. We concluded that modern spring wheat cultivars had higher root N uptake efficiency than old cultivars.     

添加秸秆对不同有机含量土壤酸度及缓冲性能的影响

通过向低（LSOM）、中（MSOM）、高（HSOM）及去除（RSOM）有机质土壤中添加玉米秸秆进行室内培养试验,研究秸秆添加量对不同有机质含量土壤酸度及缓冲性能的影响。结果表明,在15℃恒温培养150天后,土壤pH、交换性盐基离子、CEC和盐基饱和度的含量均随着秸秆添加量的增加而上升,交换性H⁺、交换性Al³⁺含量均随着秸秆添加量的增加而降低;其中,秸秆添加量为10~15 g/kg时,LSOM处理中土壤pH增幅、交换性Al³⁺及交换性H⁺含量减幅最大;秸秆添加量为15~20 g/kg时,在MSOM和HSOM处理中土壤pH增幅及土壤交换性Al³⁺、交换性H⁺含量减幅最大;且HSOM处理添加秸秆后对降低土壤酸度效果最好。土壤中添加秸秆后可明显提高土壤酸碱缓冲能力,且土壤对加碱侧表现出的缓冲区间比酸侧明显;土壤的缓冲容量随秸秆添加量增加而升高,且HSOM处理对酸碱缓冲能力 > MSOM处理 > LSOM处理 > RSOM处理。     

不同质地土壤玉米秸秆还田配施腐熟剂效应的研究

为研究鉴选不同质地土壤秸秆还田适宜的秸秆腐熟剂,于2017—2018年在西辽河平原灌区中壤土和砂壤土秸秆还田配施人元腐熟剂和中农绿康腐熟剂,以秸秆还田不施腐熟剂为对照,共设置6个处理,测定玉米秸秆腐解率、玉米产量、玉米根系特性和土壤化学性状,研究不同秸秆腐熟剂对玉米产量及土壤特性的影响。结果表明:不同质地土壤2种腐熟剂秸秆腐解率间无显著差异;中壤土2年各处理玉米产量及根系特性、土壤化学性状均表现为人元腐熟剂中农绿康腐熟剂秸秆还田不施腐熟剂,且中农绿康腐熟剂和人元腐熟剂显著高于秸秆还田不施腐熟剂,而2种腐熟剂处理之间无显著差异;砂壤土2年各处理玉米产量及根系特性、土壤化学性状均表现为中农绿康腐熟剂人元腐熟剂秸秆还田不施腐熟剂,且中农绿康腐熟剂显著高于人元腐熟剂和秸秆还田不施腐熟剂。2年不同质地土壤中配施腐熟剂在根系特性、土壤化学性状方面表现为砂壤土配施中农绿康腐熟剂效果优于人元腐熟剂,而中壤土配施2种腐熟剂效果无显著性差异。     

秸秆坯块成型工艺参数及保水性试验研究

为探究玉米秸秆、豆粕和聚丙烯酸钠混合制备农用保水剂的生产工艺,以最大压缩力、混料水分、压缩速度、豆粕质量分数和聚丙烯酸钠质量分数为试验因素,以成型坯块的松弛密度为评价指标进行二次回归旋转组合试验,优化工艺参数组合并试验验证,在松弛密度的最优范围内分析其对坯块保水性能的影响。试验结果表明:坯块的松弛密度为460～540 kg/m3的条件下,得出最大压缩力为16～20.59 kN,混料水分为8.84%～12.96%,压缩速度为95.56～155.51 mm/min,豆粕质量分数为16.08%～24.02%,聚丙烯酸钠质量分数为4.91%～7.15%的最佳成型工艺参数;坯块的保水效果随松弛密度的增大而逐渐增强,有砂土时释水量随时间变化符合对数模型,无砂土时则符合线性模型,拟合方程的回归系数均大于0.9,成型坯块保水性的分析可靠,可为复合型农用保水剂的应用提供参考。     

盐碱地玉米产量及土壤硝态氮对深松耕作和秸秆还田的响应

【目的】盐碱地是我国重要的土地资源,研究合理可行的耕作技术和培肥措施,为提高产量和实现盐碱地农业可持续发展提供理论依据。【方法】2014-2017年,在山东省滨州市无棣县的盐碱土上,以玉米为供试作物,连续进行了4年田间试验。试验采用裂区设计,以耕作方式为主区,分别设夏季旋耕15 cm (R)和旋耕后再深松35 cm处理(S);副区为冬季秸秆还田量,设秸秆半量还田(3350 kg/hm^2,B)和秸秆全量还田(6700kg/hm^2,Q)两个用量,以无秸秆还田为对照。所有处理的养分总量保持一致。开花后每隔10天取样1次,直到收获期,测定植株干物质和穗位叶硝酸还原酶活性。在玉米小口期、开花期及收获期,取0-100 cm土层样品,每10 cm为一层,测定了土壤硝态氮含量及累积量。【结果】各生育期玉米干物质积累量和产量在两个耕作方式间的差异不显著,与秸秆半量还田相比,秸秆全量还田处理开花期前干物质量较少,但在开花期时,已经开始赶超秸秆半量还田的处理。在收获期,秸秆全量还田处理的干物质量显著高于秸秆半量还田处理的干物质量,4年中的提高幅度为8.6%~9.7%,秸秆全量还田处理的籽粒产量显著优于秸秆半量还田处理(P <0.05)。4年干物质积累量,SQ处理平均比SB、RQ和RB分别提高2.5%~7.3%、1.6%~4.2%和7.6%~20.3%。深松与秸秆全量还田有明显的正耦合作用,秸秆全量还田与深松耕作相结合有利于籽粒产量的提高,与其他处理差异显著(P <0.05)。相同耕作方式下,4年中秸秆全量还田处理的平均硝态氮含量在小口期低于秸秆半量还田,在开花期显著高于秸秆半量还田,但在收获期又显著低于秸秆半量还田的处理,硝态氮累积量平均降低17.9%(P <0.05)。在4年中深松耕作处理的0-100 cm平均硝态氮累积量比旋耕处理的显著降低8.9%。【结论】在供试盐碱地土壤条件下,秸秆全量还田结合浅旋耕后再深松的效果最好,可提高玉米产量,减少土壤中硝态氮的累积。     

CT扫描分析秸秆隔层孔隙特征及其对土壤水入渗的影响

为阐明不同物理形态玉米秸秆建立的隔层对盐碱土壤灌溉水入渗特征的影响机制,该文采用室内模拟试验方法,在距地表40～45 cm处均匀铺设同一隔层厚度(5 cm)段状秸秆(SL)、颗粒状秸秆(SK)与粉末状秸秆(SF),以不埋设秸秆隔层为对照(CK),并利用CT扫描和图像处理技术,定量分析不同形态秸秆隔层内部孔隙度、孔隙大小分布、连通度等孔隙参数及其与灌溉水入渗特征之间的关系。结果表明:与CK处理相比,不同物理形态的玉米秸秆隔层均显著提高了40～45 cm隔层处总孔隙度,其中以SF处理最高,分别较CK、SL与SK处理显著提高了29.25、12.09与12.61个百分点(P 0.05),但SL与SK处理间差异不显著。SF处理在灌溉水入渗各阶段均显著增加了孔隙直径≤1 mm的孔隙度(P 0.05),入渗开始前、结束后分别较SL与SK处理提高了19.18、17.25和9.45、9.41个百分点,从而增大了封闭气体体积,导致灌溉水入渗速率较慢,而SL处理在灌溉水入渗开始前孔隙直径1 mm孔隙度较SK处理提高了1.04个百分点,但在入渗结束后SK处理孔隙直径1 mm孔隙度较SL处理显著提高,这种 1 mm大孔隙的变化导致SK处理出现湿润锋通过秸秆隔层耗时长于SL处理,而湿润锋通过隔层后至土柱底部耗时短于SL处理的现象。相关性分析结果表明:湿润锋通过秸秆隔层用时与入渗开始前、结束后隔层处总孔隙度、≤1 mm直径孔隙度均呈极显著正相关,与入渗前 1 mm直径孔隙度呈极显著负相关(P 0.01),而在入渗结束后这种大孔隙的作用减弱,但≤1 mm孔隙度的阻渗作用依旧显著,孔隙连通度对灌溉水入渗速率的影响较总孔隙度小。可见,不同形态玉米秸秆隔层均影响灌溉水入渗过程,CT扫描技术可作为定量研究秸秆隔层内部孔隙结构及其对灌溉水入渗影响机制的手段,该结果可为筛选和建立盐碱土壤最佳灌溉淋盐效果的物理形态秸秆隔层提供参考。     

大豆秸秆生物炭对铅锌尾矿污染土壤的修复作用

采用盆栽空心菜的方法,研究了大豆桔杆生物炭对铅锌尾矿污染土壤的修复作用。污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd含量分别为50,400,1 119,3.4mg/kg。结果表明:土壤无论是否受到铅锌尾矿污染,添加3%生物炭(w/w)均能显著提高土壤pH;3%生物炭能够抑制铅锌尾矿污染导致的土壤pH降低。大豆桔杆生物炭对尾矿污染土壤和未污染土壤中重金属有效态的影响不同,与未污染土壤相比,3%生物炭的钝化作用不能抵消铅锌尾矿污染导致的重金属有效态含量的增加。铅锌尾矿污染抑制空心菜生长;施加3%生物炭可以消除铅锌尾矿污染对空心菜生长的抑制作用。生物炭显著降低污染土壤空心菜根部重金属含量,而对地上部分的影响,不同元素表现出不同的特点;3%生物炭能够阻控铅锌尾矿污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd向空心菜地上部迁移富集。大豆桔杆生物炭对空心菜吸收重金属的影响,在铅锌尾矿污染土壤和未污染土壤上表现不同,存在元素之间的拮抗作用以及由于生物炭提高空心菜生物量所产生的稀释作用。在研究设置条件下,与未污染土壤相比,从空心菜生物量和可食部分吸收重金属含量来评价,施加3%大豆桔杆生物炭可以修复铅锌尾矿导致的土壤污染。