基于长期定位试验的土壤健康研究与展望

土壤健康是农业可持续发展的根基,是保障国家粮食安全和落实“藏粮于地”战略的重大需求。长期定位试验时空覆盖面广、数据丰富、施肥管理措施多样,对于土壤健康的研究和健康土壤的培育是难得的宝贵平台。本文在总结土壤健康的内涵及指标体系与我国长期定位试验布局情况的基础上,系统梳理了基于长期定位试验的作物产量演变及高产稳产性、土壤有机质演变及其与产量的关系、土壤pH演变及生物多样性演变等耕地质量和土壤健康方面的研究进展,并提出了基于长期定位试验的土壤健康研究展望,包括建立因地制宜的土壤健康指标及评价体系,深入解析土壤健康演变的规律和驱动机制与发展健康土壤培育技术,以期高质量推进土壤健康研究,从而促进农产品质量安全和农业可持续发展。

“双碳”背景下土壤碳固存研究的演变与最新动态

在全球变暖背景下,维持、提高和稳定土壤碳固存是助力“碳达峰、碳中和”(简称“双碳”)目标实现的重要手段。旨在为土壤碳固存的实践应用和全球气候变化的应对提供重要科学支持,以Web of Science核心合集数据库中收录的2107篇土壤碳固存相关论文为数据源,通过文献计量工具VOSviewer和CiteSpace从合作网络、文献共被引、关键词等角度进行可视化计量分析。结果表明,2002年以来,土壤碳固存研究领域的发文数量不断增长,尤其是2016年以后相关文献快速增加。领域内高产国家主要集中于中国、美国和澳大利亚,中国总发文量第一,美国的国际影响力最大(中心度最高),并且中国与美国之间建立了密切的合作关系;研究机构发文数量以中国科学院最多,排名前10的机构中的5所(中国科学院、西北农林科技大学、中国农业科学院、中国农业大学、南京农业大学)均来自中国;目前形成了以LAL RATTAN、SMITH PETE、ZHAO Xin、TIAN Xiaohong和XU Minggang为核心的紧密学术团体。近年来,研究热点主要集中在“土壤微生物在土壤碳循环中的作用”“秸秆还田等农业实践对碳储存的影响”“有机碳转化效率”等。未来应加强不同管理措施对土壤碳固存的影响、土壤微生物与碳循环关系、改进土壤碳循环模型等方面的研究。

北方地区土壤速效养分及容重对秸秆还田的响应

本研究旨在探明中国北方地区土壤速效养分及容重对秸秆还田的响应,选择秸秆还田为主要研究目标,通过设置“秸秆还田”、“理化性质”、“华北”、“东北”、“西北”等关键词在中国知网、万方等多个数据库中,筛选出60篇关于秸秆还田对作物产量和土壤改良影响效应和影响因素的文献。采用Meta分析法定量研究土壤速效养分和容重对秸秆还田的响应。结果表明:秸秆还田能够显著(P<0.05)提升土壤有机碳、碱解氮和速效钾的含量,一定程度上降低土壤容重。华北地区秸秆还田对土壤速效养分的提升效果显著优于东北和西北地区,而对西北地区容重降低效果低于华北和东北地区;中高量秸秆还田(5000~10000 kg/hm^(2)和10000~15000 kg/hm^(2))能够显著提升土壤有机碳、碱解氮和速效钾的含量,低秸秆还田量(≤5000 kg/hm^(2))对土壤容重并无显著影响,而超高秸秆还田量(>15000 kg/hm^(2))则显著(P<0.05)降低了土壤容重;免耕相比旋耕、深耕、浅耕可以显著(P<0.05)提升土壤有机碳、碱解氮和速效钾的含量,深耕可显著(P<0.05)降低土壤容重;小麦和玉米秸秆均对土壤容重和速效养分的提升有显著效果,但两种作物秸秆间并无显著差异。北方地区推荐中高量秸秆还田配合免耕措施,不仅能够显著增加土壤养分含量,而且可改善土壤理化性质,从而达到培肥地力的效果。

黄土高原北部典型县域耕地土壤碳氮时空变异特征及影响因素

黄土高原生态环境脆弱,耕地质量的变化直接影响土地生产力的高低。选取其北部典型县域——天镇县,研究长时期耕地土壤有机质和全氮的时空演变规律及其影响因素,为黄土高原耕地质量提升和农业生态环境保护提供理论依据。基于1983年、2008年和2019年耕地质量数据,运用地统计学等方法分析天镇县有机质和全氮的时空演变特征。结果发现:(1)36年(1983—2019年)来,天镇县土壤有机质和全氮含量呈现整体上升、后期快速增加的变化特征。有机质和全氮含量的年均增加量前期(1983—2008年)较低,分别为0.20 g·kg^(–1)和0.01 g·kg^(–1),在后期(2008—2019年)较高,分别为0.29 g·kg^(–1)和0.03 g·kg^(–1)。碳氮比呈现前期无显著变化,后期显著降低。(2)36年来土壤有机质和全氮的块基比均提升至高于25%,表明地形等自然因素影响逐渐减弱,施肥等人为因素影响增强。(3)土壤有机质和全氮的空间分布特征相似,呈现西部低、东部高的格局,西北部和中部的变化速度快。综上,36年(1983—2019年)来,施肥及秸秆还田等因素是导致天镇县有机质和全氮含量变化的主要因素,因此,结合当地条件增施有机肥、推广秸秆还田并合理施用氮肥能快速提升耕地土壤肥力。

添加绿肥对中国农田土壤N2O和CH4排放的影响

本研究旨在探明添加绿肥对中国农田土壤温室气体(N2O和CH4)排放的影响,为绿肥科学施用、温室气体减排和作物增产提供理论依据。采用数据整合分析(Meta-analysis)方法,通过“中国知网”、“谷歌学术”和“Web of Science”等中英文数据库以“绿肥”、“农田”和“温室气体”等关键词进行检索,收集到国内外关于添加绿肥对农田土壤温室气体排放影响研究的有效数据137组,定量分析添加绿肥对中国农田土壤温室气体排放的影响及其主要影响因素。结果表明:与不添加绿肥相比,添加绿肥显著的促进N2O、CH4的排放和GWP、GHGI的提高,提升幅度分别为16.1%、45.8%和25.7%、12.9%。施用豆科和非豆科绿肥均显著增加N2O和CH4排放和GWP,施用非豆科绿肥对GHGI没有显著影响,豆科绿肥相比于非豆科绿肥能显著增加土壤N2O的排放和GWP、GHGI。不同绿肥施用措施均显著增加N2O和CH4的排放和GWP,其中绿肥配施化肥措施下N2O、CH4和GWP的提升幅度显著高于其他两种措施,但绿肥配施化肥显著降低了GHGI(-5.5%)。相比于不添加绿肥,绿肥还田量<5000 kg/hm2时对GHGI没有显著影响,绿肥还田量<5000 kg/hm2显著提升N2O和CH4的排放。在年均降雨量<600 mm时,添加绿肥对GWP没有显著影响;在年均降雨量<1200 mm时添加绿肥对GHGI无显著影响。随着年均温不断增加,对GWP的提升幅度也不断增大;在<16℃时,添加绿肥对GHGI表现为显著降低,其中<12℃降低幅度更大。N2O和CH4排放量与土壤有效氮含量显著正相关。不同土地利用类型下添加绿肥对N2O排放和GWP有显著的提升,其中旱地土壤条件下的提升幅度小于水田土壤,但在旱地土壤条件下添加绿肥显著降低了GHGI。总之,添加非豆科绿肥配施化肥(<5000 kg/hm2)还田尤其在气候温暖湿润的旱地土壤地区(年降雨<1200 mm、年均温<16℃),能有很好的减排的效果。

施肥对我国农田土壤易氧化有机碳影响的整合分析

土壤易氧化有机碳(ROC)作为土壤有机碳的重要组成部分,与土壤养分供应密切相关,在提升土壤肥力方面有着重要意义。施肥是影响土壤易氧化有机碳的重要措施之一,探讨不同土壤性质和气候条件下施肥对ROC变化的影响,为农田合理施肥和培肥地力提供理论依据。收集了2000-2022年公开发表的文献78篇,建立了378组包含不同施肥条件下表层土壤ROC含量的数据库。采用整合分析和随机森林方法分析全国农田土壤ROC的提升幅度在不同施肥措施之间的差异,定量分析不同肥料施用量,土壤性质和气候条件等因素对ROC提升的相对贡献。结果表明:(1)施肥能显著提高ROC的含量,且施用有机肥(单施或配施)对ROC的提升幅度(70.1%)是施用化肥(17.7%)的4.1倍。随着有机肥施用量的增加,ROC的提升幅度也在逐渐提高。(2)在不同土壤养分含量下,施肥均能显著增加ROC含量,但在养分较低的土壤中ROC的提升幅度显著高于养分较高的土壤;中性土壤施用化肥后对ROC的提升幅度(34.8%)显著高于酸性土壤(16.6%)和碱性土壤(10.4%),但施用有机肥对ROC的提升幅度在不同pH下的土壤中无显著差异。(3)不同气候条件下,施肥对ROC的提升幅度存在显著差异,寒冷干旱地区施用有机肥对ROC的提升幅度显著高于温暖湿润地区。(4)不同施肥条件下(施用化肥和有机肥)均是土壤性质对ROC的提升幅度起决定性作用。因此,建议在我国构建以有机肥为核心的肥料施用体系,因地制宜地选择有机肥配施化肥的施用量,从而改善土壤性质,以最大的程度提高ROC含量,提升土壤肥力。

食物系统碳足迹研究进展

食物系统碳足迹是应对气候变化的重要研究领域之一,也是衡量农业生产中碳排放的关键手段。食物系统碳足迹研究有助于准确理解农业生产的碳排放特征与规律,为制定农业碳减排的策略与实现路径提供科学依据,对实现农业绿色发展具有重要意义。近年来,国内外对种植业、畜牧业与食物消费环节的碳足迹研究持续深入,为减少温室气体排放和构建更加可持续的食物系统提供了重要的科学支撑,然而这一领域的研究仍在不断发展,未来仍有许多科学问题需要解决。本文综述了碳足迹的概念、研究意义、主要方法、国内外研究进展以及未来研究的难点与热点。并指出未来碳足迹研究在研究边界上要从可持续食物系统的视角出发,从“作物-畜牧-食品加工-食物消费”整个链条来定量农业碳足迹,兼顾农村居民生活产生的碳排放;在研究方法上,应考虑土壤、农田生态系统的碳汇作用,同时建立完备的碳足迹指标与参数监测体系;在碳减排途径上既要关注技术本身的革新,也要重视生活方式的转变以及政策的调控。这一研究有助于更好地理解食物系统对于环境与气候的影响,为推进农业绿色发展与助力乡村振兴战略政策制定提供科学依据,促进食物系统的可持续发展。

施用粪肥对我国北方农田土壤呼吸温度敏感性的影响

[目的]本研究旨在探明粪肥施用对我国北方农田土壤呼吸温度敏感性Q_(10)的影响及主要驱动因素,为制定合理的农业管理措施、减少农田土壤CO_(2)排放提供科学依据。[方法]本研究在中国知网、万方数据和Web of Science数据库收集国内外关于施用粪肥对土壤呼吸温度敏感性影响的相关文献,用关键词“粪肥”、“土壤呼吸”、“温度敏感性”和“中国北方”进行检索,共提取已公开发表的16篇文献中试验数据104组。采用整合分析(Meta-analysis)探讨不同粪肥施用条件下各因素对土壤呼吸温度敏感性的影响。[结果]粪肥施用可显著提高土壤呼吸温度敏感性,平均提升幅度为8.11%。施肥类型中,猪粪对土壤呼吸温度敏感性的增幅(12.72%)显著高于鸡粪的增幅(5.56%);粪肥施用量≤15000 kg·hm^(-2)对土壤呼吸温度敏感性的增幅最大(11.48%);单施粪肥的增幅(11.96%)显著高于粪肥配施化肥的增幅(5.22%)。土壤有机碳含量≥12 g·kg^(-1)时土壤呼吸温度敏感性的增幅(7.17%)显著高于6~12 g·kg^(-1)水平(2.23%)时的增幅;土壤初始pH≥7的增幅(8.11%)显著高于pH<7的增幅(3.48%)。不同气候条件下,年均温≤5℃时土壤呼吸温度敏感性的增幅为8.49%,年降雨量为400~600 mm时的增幅(8.98%)显著高于≤400 mm(2.71%)和≥600 mm时的增幅(-3.13%)。此外,随机森林结果表明土壤有机碳含量是影响土壤呼吸温度敏感性变化的关键因素,其解释率达42.6%。[结论]综上,在我国北方农田鸡粪配施化肥且粪肥施用量>15000 kg·hm^(-2)对土壤呼吸温度敏感性的增幅最小,可以有效减缓农田土壤的碳排放,以达到应对全球变暖现状的目的。此外,土壤有机碳含量是影响粪肥施用下中国北方农田土壤呼吸温度敏感性变化的主要驱动因素。

煤矿区复垦土壤中秸秆和生物炭的分解特征

【目的】研究煤矿区不同复垦年限土壤中秸秆和生物炭的分解特征及其影响因素,为资源合理利用和矿区土壤培肥提供理论依据。【方法】依托山西煤矿复垦区试验基地,在复垦年限为1年(复垦初期阶段,R1)、10年(复垦中期阶段,R10)和30年(复垦长期阶段,R30)的土壤中进行了有机物料填埋试验。供试有机物料包括:玉米秸秆(MS)、小麦秸秆(WS)和生物炭(BC),以不添加有机物料为对照(CK)。3种有机物料按土重(200 g)和有机碳比例为100∶4混匀,装于尼龙网袋(孔径0.38μm)内,埋入试验基地15 cm深的土壤中。监测试验期内土壤积温,在埋入土壤后的第12、23、55、218、281、365天采集尼龙袋内土壤样品,分析有机物料残留量、土壤有机碳(SOC)、微生物量碳(SMBC)、微生物量氮(SMBN)、可溶性有机碳(DOC)和可溶性有机氮(DON)含量,分析各调查指标与有机物料分解残留率的关系。【结果】1)秸秆和生物炭的腐殖化系数分别为46.2%和86.6%,秸秆分解速率显著高于生物炭(P<0.05),有机物料的腐殖化系数在3种复垦年限土壤间无显著差异。秸秆分解速率在3种复垦土壤间表现出阶段性差异:分解0~12天,秸秆在R30中的分解速率显著高于R1;分解12天后,秸秆分解速率在3种复垦土壤之间无显著差异。2)由积温方程可知,秸秆和生物炭的易分解有机碳库占比分别为55%和12%,稳定有机碳库占比分别为43%和87%。3)添加秸秆显著提高了3种复垦土壤SMBC、SMBN、DOC和DON含量,其在R1的增长幅度显著高于R10和R30,后两者的增幅无显著差异;添加生物炭不影响复垦土壤的活性碳氮库。4)分解0~23天,秸秆分解速率与土壤活性碳氮含量、秸秆木质素含量显著相关;分解23天后,秸秆分解速率与土壤SMBN含量、秸秆木质素含量显著相关。土壤性质不影响生物炭的分解速率。整个分解时期复垦土壤中DOC增加量与秸秆分解速率呈极显著正相关(P<0.01)。【结论】秸秆和生物炭的腐殖化系数与土壤复垦年限不相关,秸秆分解速率显著高于生物炭,主要是由于秸秆易分解有机碳库占比高于生物质炭。秸秆埋入复垦土壤后,在第12天分解速率达到最大值,土壤活性养分含量显著增加;生物炭性质稳定,分解缓慢,土壤活性养分含量无明显变化。综上,复垦土壤应加强秸秆还田以提高土壤活性碳氮含量,长期复垦土壤宜施用生物炭以稳定复垦土壤碳氮库。

不同碳氮比下秸秆腐解与养分释放的动力学特征

【目的】研究不同碳氮比下秸秆腐解和养分释放的动力学特征及其影响因素,为秸秆资源充分利用和煤矿区复垦耕地质量提升提供理论依据。【方法】依托山西煤矿复垦试验基地,开展大田填埋试验。供试玉米和小麦秸秆烘干过2 mm筛,通过添加尿素将玉米和小麦秸秆C/N比分别调节为25和10,以不添加尿素的秸秆(其C/N比分别为52和74)为对照,秸秆均按有机碳8 g称取后混匀,装于尼龙网袋(0.38μm孔径)内,水平埋入试验基地15 cm深的土壤中。在埋入土壤后的第12、23、55、218、281、365天采集尼龙袋内样品,分析玉米和小麦秸秆的干物质残留量、养分(碳、氮、磷和钾)释放的动态变化。【结果】前55 d,添加氮肥加快了玉米秸秆的腐解,以C/N比为25时腐解效果最佳。添加氮肥加快了小麦秸秆的腐解,以C/N比为10时腐解效果最佳。氮的添加可以显著促进前55 d玉米秸秆碳、磷的释放;氮的添加可以显著加快小麦秸秆碳、氮和磷的释放,对小麦秸秆中钾释放的促进作用不显著。小麦和玉米秸秆腐解及氮钾释放的一级动力学方程用积温拟合优于用时间拟合,秸秆磷的释放不适用衰减指数方程拟合。当积温为年积温(4 600℃)时,小麦和玉米秸秆碳、氮、磷和钾释放率的平均值分别为49.2%、39.5%、40.8%和90.3%;当累积积温达到1 125℃时,秸秆钾素释放85%以上。秸秆的腐解主要受温度、有机碳、木质素和半纤维素影响。【结论】施氮能加快玉米秸秆前期的腐解和碳、磷的释放,可以显著加快小麦秸秆的腐解和碳、氮、磷的释放。用温度拟合的方程比时间方程更能反映秸秆的腐解和氮钾释放过程。秸秆腐解主要受土壤温度,秸秆中有机碳、木质素和半纤维素含量的影响。因此,应结合煤矿区的水热条件,进行实时实地秸秆还田并配施适量的尿素,以提高复垦土壤的氮磷钾含量。

大理烟田土壤有效锌、钼和硼含量的时空变异及其影响因素

【目的】研究大理州烟田土壤有效锌、钼和硼含量时空分布及影响因素,旨在为科学的施肥策略及优质烟叶生产提供理论指导。【方法】2012和2022年,在云南大理州平原地区选取连片烟田,分别采集了1131和4512个烟田耕层(0—20 cm)土壤样品。调查采样点经纬度和海拔、地形、土壤质地和前茬作物等信息,分析土壤理化性质。结合1982第二次土壤普查数据,运用地统计学方法分析1982、2012和2022年土壤有效锌、钼和硼含量的时空分布,利用回归分析和随机森林模型量化土壤有效锌、钼和硼含量变化的主要影响因素。【结果】1982、2012和2022年土壤有效锌含量平均分别为2.35、3.50、4.35 mg/kg,呈上升趋势;有效钼含量分别为0.18、0.14、0.11 mg/kg,呈下降趋势;有效硼含量分别为0.26、0.63、0.58 mg/kg,呈先升后降趋势。空间上,1982、2012、2022年有效锌和硼块金效应分别为50.8%、45.5%、31.8%和41.3%、39.4%、33.8%,均呈中等空间自相关性,总体呈现四周高、中部低的地理分布格局,而有效钼的块金效应均小于25%,呈东南高、西北低的分布趋势。平原地貌土壤有效锌和硼含量显著高于山地;黏土中有效钼含量显著高于砂土和壤土,壤土中有效硼含量最高。土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾和海拔对3种元素的时空变异影响较强。土壤有效磷含量和海拔(解释率20.5%和16.8%)是有效锌含量变化的主要影响因子,海拔和碱解氮(解释率13.7%和12.8%)是有效钼含量变化的主要影响因子,碱解氮和速效钾(解释率分别为17.6%和15.6%)是有效硼含量变化的主要影响因子。【结论】大理州植烟土壤有效锌、钼和硼含量与40年前相比,均有不同程度的提高,目前分别处于丰富(Ⅴ级)、缺乏(Ⅱ级)和中等(Ⅲ级)水平。锌、钼和硼3种微量元素含量均同时受到地理环境、土壤质地和肥力的共同影响,也受到前茬作物的影响。为保证优质烟叶生产,总的原则是减锌保硼增钼,前茬作物为粮食和油菜时应注意施锌、施硼,前茬作物为豆科作物时应注意施钼。

云南大理烟区土壤有效磷时空变化及分区施磷策略

【目的】研究云南大理烟区土壤有效磷的时空变异特征及分区,为优质烟草生产中磷素管理和面源污染控制提供科学依据。【方法】试验在云南大理开展,该区年均烤烟种植面积3.23万hm^(2)左右,分别于1999、2012、2018和2022年选取5个典型植烟片区的代表性烟田256、633、1244和2332块,测定土壤有效磷含量,利用地统计学及GIS技术分析近40年5个时间段(1982、1999、2012、2018和2022年)大理5个植烟县域土壤有效磷时空变异特征,依据土壤有效磷含量现状进行合理施磷分区。【结果】烟区土壤有效磷含量呈逐渐升高趋势,1982—2022年有效磷含量由8.09 mg/kg升高到43.92 mg/kg,升高了4.42倍。1982年有效磷含量均处“低”等级(<20 mg/kg),1999—2022年以“中等”为主(20~40 mg/kg),面积占比50%以上。近40年土壤有效磷块金效应由<25%上升至41.45%,表明地形等自然因素影响减弱,施肥等人为因素影响增强。根据当前有效磷含量,高磷区和极高磷区面积占比34.21%,主要分布于弥渡北部、祥云西部及宾川西南和东北。【结论】近40年大理烟区土壤有效磷提升明显,人为因素作用增强,总体有效磷含量较高,大部分烟田可减施或不施磷肥,应分区施磷。

云南省典型县域烟田土壤肥力演变及综合评价

通过数据收集和野外采样,分析了宾川县1982年、2012年、2018年、2022年4个时期烟田耕层土壤pH和养分含量变化,并运用土壤综合评价法和克里格插值定量评价了土壤综合肥力指数(IFI)及其时空变异特征。结果表明:近40年(1982—2022年)来,宾川县烟田土壤pH(7.13~6.23)和有机质含量(35.30~27.71 g/kg)呈下降趋势,有效磷(12.11~50.71 mg/kg)和速效钾含量(158.66~321.03 mg/kg)呈上升趋势,碱解氮含量(119.03~117.00 mg/kg)无显著变化。IFI(0.49~0.62)呈上升趋势,均值由1982年的0.49()Ⅲ增加至2022年的0.62()Ⅱ,其中平川镇、拉乌乡、州城镇及宾居镇IFI增加幅度最大,当前高肥力区域主要分布于县东北部和南部,低肥力区域分布于西北部。此外,主成分分析表明影响烟田土壤肥力的主要内在因素由有机质变为速效钾。经过40年耕种管理,宾川县烟田肥力自西向东、自北向南逐渐增加,但养分指标非均衡性和肥力空间不均匀性增加,应稳定氮肥钾肥,减少磷肥施用。

云南省南涧县植烟土壤pH和有效磷的时空变化特征

运用地统计学方法系统分析了1982、2012、2018和2022年4个时期云南省大理州典型县域南涧县植烟土壤pH和有效磷时空变异特征及空间分布格局,为该区烟田养分管理及平衡施肥提供科学依据。结果表明,1982—2022年40年间,南涧县植烟土壤p H呈下降趋势,年均下降速率为0.014个单位,4个时期土壤pH均属强空间自相关性;pH处于Ⅲ级烟田面积占比减少,其中东北部和西南部下降明显,Ⅰ和Ⅱ级面积占比增加,但仍以Ⅲ级面积占比最高。40年间土壤有效磷含量先上升再下降,其中1982—2012年为上升期,年均增加速率为0.34 mg/kg;2012—2022年为下降期,年均下降速率为0.76 mg/kg。1982、2018和2022年有效磷属强空间自相关性,结构因素占主导作用,2012年有效磷为中等空间自相关性(44.1%),受结构因素和人为因素的共同影响。1982—2022年有效磷等级面积占比最高由Ⅲ级降至Ⅱ级,含量偏低区域集中在乐秋乡、宝华镇东北部及小湾东镇部分区域。总体而言,40年间南涧县植烟土壤p H呈下降趋势,西部烟田土壤pH整体偏低。有效磷呈先上升后下降的趋势,西部含量偏低,东北部含量偏高。整体上,南涧县应防控植烟土壤酸化,适当提高磷肥施用量,推广有机无机配施的管理措施,提升烟田土壤肥力。

褐土区典型县域耕地土壤肥力时空演变特征及主控因素

【目的】探明褐土区典型县域耕地土壤肥力时空演变特征及主控因素,为合理施肥及土壤培肥提供科学依据。【方法】基于山西省寿阳县1983、2007和2017年的土壤肥力(包括土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量和pH值)数据,采用内梅罗指数法计算土壤肥力综合指数;通过随机森林(RF)方法定量土壤肥力演变的主控因素;利用GIS和地统计学相结合的方法,确定土壤肥力综合指数及其主控因素的时空演变特征和分布格局。【结果】(1)1983—2017年间寿阳县耕地土壤肥力水平总体呈上升趋势,肥力综合指数由1.16增至1.42,增加了0.26。土壤肥力指标变化具有明显的阶段性,1983—2007年,有机质、全氮和速效钾增幅明显,年均增加量分别为0.09 g·kg^(-1)、0.0021 g·kg^(-1)和1.61 mg·kg^(-1),而有效磷增幅不显著;2007—2017年,有机质、全氮和有效磷增幅明显,年均增加量分别为0.20 g·kg^(-1)、0.01 g·kg^(-1)、0.24 mg·kg^(-1),而速效钾增幅不显著。(2)RF分析结果显示,1983年寿阳县耕地土壤肥力的主控因素为全氮和有机质,贡献率分别为75.3%和17.8%;2007年土壤肥力的主控因素则为速效钾、有效磷和全氮,贡献率分别为31.8%、27.1%和26.8%;2017年变为全氮、速效钾和有效磷,贡献率分别为31.8%、27.1%和26.8%。(3)寿阳县耕地土壤肥力主控因素的变化存在显著的空间差异特征。1983—2007年,全域土壤有机质整体呈现增加趋势;全氮除在西北部和中部降低外,在其他区域均呈增加趋势;有效磷则呈现北部降低、南部增加的变化特征;速效钾在全域呈增加趋势。2007—2017年,有机质在东南部增加较快,其他区域增加较慢;全氮则呈现在县域中部减少、其他区域增加的变化趋势;有效磷在县域东部下降,其他区域上升;速效钾则呈现在东部和西部下降、中部上升的空间变化特征。【结论】34年以来,寿阳县耕地土壤肥力总体呈上升趋势,有机质、全氮、有效磷和速效钾是影响土壤肥力演变的主控因素,有机质、全氮和有效磷在南部增长较快,速效钾则在东部增长较快。未来建议寿阳县采取全区尤其是中部增氮,全区稳磷控钾的养分调控策略。

不同氮效率春玉米品种临界氮浓度稀释曲线建立与验证

采用田间定位试验,以山西省晋中地区春玉米各生育时期地上部干物质量与植株氮浓度的变化规律,建立春玉米临界氮浓度稀释曲线模型,为实现春玉米绿色增产与氮素管理提供理论依据。本研究以玉米品种‘郑单958’和‘大丰26’为试验材料,设4个施氮量处理:0 kg(N)∙hm^(−2)(N0)、120 kg(N)∙hm^(−2)(N120)、240 kg(N)∙hm^(−2)(N240)和360 kg(N)∙hm^(−2)(N360),于2014—2016年在山西农业大学东阳试验基地开展3年定位施氮试验,在春玉米拔节期(V6)、抽雄期(VT)、灌浆期(R2)和成熟期(R6)采集植株样品,分析两个春玉米品种在不同施氮量处理下地上部干物质量、籽粒产量(以下简称“产量”)和各生育时期植株氮浓度,以不同生育时期干物质累积量和植株氮浓度,建立并验证两个春玉米品种的临界氮浓度稀释曲线模型。结果表明,‘郑单958’氮素利用率高于‘大丰26’。两个春玉米品种在适宜施氮量条件下,各生育时期地上部干物质量和产量均随施氮量增加呈增加趋势,地上部干物质量在N240和N360处理间差异不显著,产量在N240处理达最大值;植物氮浓度随施氮量增加而增加,随春玉米生育进程推进与地上部干物质量呈幂指数关系。依据春玉米地上部干物质量(Md)与其对应的植株氮浓度(CN)变化关系,建立两个春玉米品种的临界氮浓度稀释曲线模型:‘郑单958’CN=30.457Md−0.292,‘大丰26’CN=33.249Md−0.333。相比‘大丰26’的模型参数,‘郑单958’的模型参数a降低8.40%,参数b降低12.31%;‘郑单958’和‘大丰26’模型均方根误差(RMSE)分别为1.71 g∙kg^(−1)和1.54 g∙kg^(−1),标准化均方根误差(n-RMSE)分别为9.25%和8.27%,表明模型稳定性较好。氮营养指数在同一生育时期随施氮量增加呈上升趋势,随生育时期推进呈先增加后降低趋势,与各生育时期的相对干物质量呈显著线性相关,与相对产量呈显著的一元二次曲线关系。本研究建立的晋中地区两个春玉米品种临界氮浓度稀释曲线模型及各生育时期氮营养指数,可用于春玉米生育时期营养状况的诊断和评估,结合施氮量与产量的关系,推荐该试验区域‘郑单958’施氮量为189.16~224.08 kg∙hm^(−2),‘大丰26’施氮量为199.72~214.67 kg∙hm^(−2)。

渐进性干旱胁迫下黄芩生理特性及活性成分响应

【目的】研究渐进性干旱胁迫对黄芩生长、生理特性及活性成分的影响。【方法】在移动式旱棚下开展盆栽试验,设田间持水率(FC)的80%、60%、40%共3个初始土壤含水率,研究不同初始土壤含水率下渐进性干旱胁迫后对黄芩生物量、光合特性、渗透物质量、抗氧化酶活性及活性成分的影响。【结果】(1)不同初始土壤含水率下渐进性干旱胁迫对黄芩生物量无显著影响。(2)胁迫期间,80%FC处理黄芩苷量显著增高,40%FC处理黄芩素量显著增高,胁迫后收获时黄芩苷量表现为40%FC处理>60%FC处理>80%FC处理,与80%FC处理相比,40%FC、60%FC处理黄芩苷量显著升高17.3%、11.3%,各处理黄芩素量差异不显著。(3)胁迫期间各处理净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳摩尔分数均持续降低。胁迫8~10 d时,60%FC处理净光合速率与80%FC处理无显著差异。(4)胁迫期间各处理丙二醛量、脯氨酸量均呈不断上升趋势,80%FC处理脯氨酸量较高,最高达121.66μg/g。(5)胁迫期间各处理黄芩过氧化物酶、超氧化物歧化酶活性变化趋势相似,在胁迫前期活性较低,后期活性逐渐上升;超氧化物歧化酶活性表现为40%FC处理>60%FC处理>80%FC处理。(6)40%FC与60%FC处理中黄芩活性成分收获总量较高。【结论】本试验条件下,重度渐进性干旱胁迫(40%FC)下黄芩光合作用受抑制明显,渗透物质迅速积累,抗氧化酶活性提高,黄芩素量较高。轻度与重度(60%FC与40%FC)渐进性干旱胁迫均有助于提高黄芩活性成分收获量。

水分胁迫及复水对黄芩生理特性的影响

以正品黄芩为研究对象,设置盆栽土壤含水量为田间持水量的100%、80%、60%、40%,分别代表过量水分供给、适度水分供给、轻度水分亏缺、重度水分亏缺,并以适度水分供给(80%FC,FC为田间持水量)为对照,研究不同梯度水分胁迫及复水处理后黄芩的生理响应。结果表明:水分胁迫30 d时,受胁迫处理(100%FC、60%FC、40%FC)的黄芩总叶绿素含量较对照处理分别降低7.1%、5.6%、5.9%,类胡萝卜素含量较对照处理分别降低6.5%、10.1%、9.3%,电解质相对外渗率较对照处理分别提升46.5%、19.7%、54.9%,丙二醛含量较对照处理分别提升39.7%、109.7%、360.0%,超氧化物歧化酶活性较对照处理分别提升2.3%、3.8%、7.5%,谷胱甘肽还原酶活性较对照处理分别提升97.4%、105.5%、172.5%。此外,在水分胁迫期间,水分亏缺处理(60%FC、40%FC)导致黄芩可溶性糖含量上升,在胁迫30 d时分别达49.7 mg·g^(-1)、57.8 mg·g^(-1),过量水分供给处理(100%FC)导致黄芩过氧化物酶活性提升,在胁迫30 d时达3.99 mg·g^(-1)·min-1。复水能有效降低水分胁迫带来的生理损伤,复水及收获期间,受胁迫处理(100%FC、60%FC、40%FC)黄芩叶绿素超量恢复,总叶绿素含量在复水5 d时较对照处理分别提升5.5%、9.1%、18.2%,受胁迫处理脯氨酸含量与对照处理均降至52.2 mg·g^(-1)附近。重度水分亏缺造成的生理损伤通过复水无法恢复,在收获时40%FC处理中可溶性糖含量达28.6 mg·g^(-1)、丙二醛含量达9.2 mg·g^(-1)、超氧化物歧化酶活性达919.9 U·g^(-1)·h-1、过氧化物酶活性达2.0 mg·g^(-1)·min^(-1),均为处理间较高水平。水分胁迫及复水有利于黄芩产量和质量提升,收获时60%FC处理黄芩苷收获量最高,达629.14 mg·株^(-1)。

风化煤固定化微生物材料对铅的吸附特性及机理

风化煤固定化微生物材料较游离微生物能更好地钝化重金属。研究旨在探究风化煤固定化微生物材料的铅吸附性能及机理,为其污染场地应用提供理论指导和依据。以风化煤固定化微生物材料为对象,通过批量吸附试验系统研究材料的用量、pH、吸附时间和铅溶液质量浓度对其吸附性能的影响,并采用动力学、热力学模型拟合的方式描述铅吸附过程,结合扫描电镜和红外光谱技术对吸附机理进行探究。结果表明,风化煤固定化微生物材料用量为0.4 g/L、pH值为4、吸附时间大于12 h时,在200 mg/L铅溶液中吸附性能最优,最大吸附量达到338 mg/g;拟二级动力学模型和Langmuir模型显示,该吸附过程以化学吸附为主,且铅离子以单分子层的形式排列;热力学分析表明,该反应是自发的吸热反应,温度升高会促进反应的发生。材料表面钙、钠等元素的离子交换作用及羟基、羧基、羰基、酰胺基等活性基团的络合沉淀作用,促进了风化煤固定化微生物材料的铅吸附作用。在铅质量浓度为200 mg/L,材料用量为0.4 g/L、pH值为4、吸附时间大于12 h时,可实现材料吸附性能的最大化。材料表面的Ca、Na等元素与铅的离子交换作用以及羟基、羧基、羰基、酰胺基与铅的络合沉淀作用是其主要作用机制。

施用有机肥煤矿复垦耕地有机碳的固持效率及组分变化

【目的】研究长期施用不同量有机肥下复垦耕地总有机碳(SOC)及其各组分的固碳效率变化,为煤矿区复垦土壤肥力快速提升提供理论依据。【方法】山西煤矿塌陷区复垦长期定位试验始于2008年,设置不施肥(CK)、施用化肥(F)、化肥配施低量有机肥(LMF)和化肥配施高量有机肥(HMF)4个处理。2019年玉米收获前,采集0—20 cm土层土壤样品,采用物理-化学联合分组方法,测定土壤总有机碳(SOC)及各组分有机碳含量,分析碳投入与土壤总有机碳及各组分有机碳含量之间的关系。【结果】复垦11年后,与CK相比,F、LMF和HMF处理SOC含量分别显著增加了23.8%、39.6%和82.1%(P<0.05),固碳速率分别达到0.57、0.83和1.28 t/(hm^(2)·a)。复垦土壤的固碳效率为20.9%,游离态颗粒有机碳组分的固碳效率最大(9.0%),是土壤固碳的主要形式。与CK相比,F处理的土壤游离态颗粒有机碳、化学保护粘粒组有机碳和生物化学保护粘粒组有机碳储量分别提高37.1%、52.3%和93.5%,而LMF和HMF处理提高了土壤游离态粗颗粒有机碳组分、物理保护有机碳、化学保护粉粒组和粘粒组有机碳及生物化学保护粘粒组有机碳储量。与CK相比,HMF处理对上述各组分的提升幅度分别为66.1%、179.6%、59.7%、48.6%及63.0%;与LMF处理相比,HMF处理对各组分的提升幅度分别为19.6%、32.1%、28.5%、5.3%和7.3%。与CK和F处理相比,LMF和HMF处理显著提高了土壤物理保护有机碳在总有机碳中的分配比例。复垦土壤有机碳年均固定量均与年均碳投入量之间极显著正相关,复垦土壤各组分有机碳年均固定量与年均碳投入量之间极显著正相关(P<0.01)。【结论】复垦土壤有机碳年均固定量与碳投入量之间极显著正相关,在复垦11年后,复垦土壤仍有很大的固碳潜力,固存的有机碳主要以游离态颗粒有机碳为主。施用高量有机肥是快速恢复煤矿区复垦土壤有机碳含量的有效措施。