农业生产对石灰性土壤无机碳库损失的影响

一般认为,土壤无机碳(SIC)周转缓慢,在全球农田碳循环及应对气候变化等方面的作用有限。近年来越来越多的证据表明,土壤无机碳转化速率也较快,在土壤肥力、碳库转化和调节大气二氧化碳浓度方面的作用不容小觑。总结了国内外关于农田无机碳方面的研究进展,强调无机碳在农田土壤固碳、缓冲土壤pH等方面具有重要作用;农业生产特别是氮肥大量施用导致我国一些地区农田无机碳消耗,加速土壤酸化,增加了作物重金属污染风险,影响了农田土壤健康。认为我国“秦岭-淮河”南北分界区非石灰性土壤与石灰性过渡区、山东半岛棕壤与潮土过渡区、东北黑土与黑钙土过渡区等区域SIC含量相对较低、降水量相对较高,长期大量施用氮肥会导致农田表层SIC发生损失,属SIC损失敏感区。提出应进一步研究的问题,包括:查明农业生产特别是施用氮肥对土壤无机碳去向的影响,研究土壤有机碳-二氧化碳-钙离子-无机碳相互作用机理及对氮肥的响应,在全球碳循环及土壤碳收支平衡研究中,应考虑人类活动特别是农业生产对土壤无机碳库的影响。建议定期监测我国无机碳损失敏感区农田土壤无机碳含量,合理施肥以减少土壤无机碳损失。

我国麦田有机肥替代化学氮肥的产量及经济环境效应

【目的】有机肥替代是在维持作物产量的同时减少化学氮肥用量的关键措施之一。然而,有机肥替代化学氮肥的小麦产量效应、环境代价和经济效益的复杂联系尚不清楚。本研究通过系统分析,量化了有机肥替代的农学、环境和经济效应,旨在为有机肥替代技术在我国小麦生产中的应用提供参考。【方法】本研究利用文献调研方法,对2019年12月前经同行评议发表的涉及有机肥替代化学氮肥在小麦生产上应用的文献通过Meta分析,从农学、环境和经济角度评估有机肥替代的综合效益。【结果】有机肥替代处理在化学氮肥用量平均减少43%的条件下,未降低小麦产量。有机肥替代比例对小麦产量有巨大影响。在替代化肥比例<15%和15%—30%时,有机肥替代处理分别增产8%和5%,而在替代化肥比例>30%时,未显著增产。小麦生产的净经济效益受替代比例和替代有机肥类型影响。当有机肥替代比例<30%时,净经济效益无显著性差异;而当替代比例>45%时,牛粪和商品有机肥作为替代有机肥时,净经济效益减少18%和68%。有机肥替代使小麦生长季的NH3挥发减少24%、小麦收获期的土壤硝酸盐残留量减少16%,但使小麦生长季的N2O排放量增加了32%。进一步分析可知,土壤性质、有机肥类型、气候条件、试验持续年限、产量和施肥水平均可调控有机肥替代的小麦产量效应。与单施化肥相比,有机肥替代处理在SOM>15 g·kg^-1时显著增产4%,而在SOM≤15 g·kg^-1时无增产效应,在土壤pH<7时增产8%、而在土壤pH>7时无增产效应。当鸡粪、猪粪和商品有机肥作为替代有机肥时,有机肥替代处理分别增产6%、6%和4%,而牛粪作为替代有机肥时无增产效应。有机肥替代处理在年降雨量>600 mm区域显著增产4%,而在≤600 mm区域无增产效应。在年平均气温>15℃区域增产5%,而在年平均气温<15℃区域无增产效应。有机肥持续应用>10年增产6%,而在<10年无增产效应;在高施氮量条件下有机肥替代使小麦产量显著增加4%,而在中、低施氮量条件下无增产效应。在低产水平下有机肥替代使小麦产量显著增加9%,而在中、高产下有机肥替代无增产效应。【结论】有机肥替代处理在化学氮肥用量平均减少43%的条件下,未降低小麦产量,在维持小麦产量的同时有大幅减少化学氮肥用量和氮损失的潜力,但未增加净经济效益。应用合理的化学氮肥替代量、有机肥类型在降水充足和高温区域更易发挥有机肥替代的增产效应。

基于养分专家系统的西北旱地冬小麦推荐施肥效应研究

[目的]本研究调查了养分专家系统(Nutrient Expert,NE)推荐施肥在西北旱地冬小麦生产上的应用效果,以明确该方法在西北旱地小麦推荐施肥中的可行性。[方法]在陕西渭北旱塬两年共布置15个田间试验,所有试验均设置两个处理:养分专家系统推荐施肥(NE)和农户习惯施肥(FP)。在小麦成熟期采集小麦样品和0—100 cm土层土壤样品,测定植株氮磷钾养分含量和土壤硝态氮含量,调查分析小麦产量及其构成要素、经济效益和肥料偏生产力。[结果]NE推荐的N施用量平均为158 kg/hm^(2),较FP处理(N 192 kg/hm^(2))减少了18%;P_(2)O_(5)施用量平均为62 kg/hm^(2),较FP处理(134 kg/hm^(2))减少了54%;而K_(2)O用量为40 kg/hm^(2),较FP处理(28 kg/hm^(2))增加了43%。NE处理的冬小麦平均籽粒产量为5171 kg/hm^(2),与FP处理(5111 kg/hm^(2))籽粒产量接近,经济效益提高了7.8%,氮肥偏生产力提高25.1%,磷肥偏生产力提高了139.8%。与FP相比,NE处理的土壤0—100 cm土层硝态氮残留量无显著差异。[结论]相比农户习惯施肥,基于养分专家系统推荐的施肥方案减少了18%的氮肥和54%的磷肥用量,增加了43%的钾肥用量,冬小麦产量保持稳定,氮肥和磷肥的偏生产力和经济效益均显著提升,具有较好的化肥减施和增收效果,可在旱地冬小麦生产中推广应用。

不同供锌水平麦田小麦锌营养对土施锌肥的响应

【目的】明确不同供锌麦田土壤有效锌和小麦籽粒锌含量对土施锌肥的响应,探索基于土壤有效锌实现小麦锌营养强化的调控措施,为优化田间锌肥管理、指导小麦丰产优质生产提供理论依据。【方法】在黄土高原东部的山西太谷(高锌麦田)和万荣(低锌麦田)分别开展两年田间定位试验,设置土施锌肥0、6、12、18、24 kg Zn·hm^(-2),研究不同施锌量的高、低锌麦田小麦籽粒产量和锌含量、地上部锌吸收转移分配和土壤有效锌的变化特征。【结果】高、低锌麦田,土施不同量锌肥的小麦籽粒产量均无显著差异。高锌麦田,随锌肥用量增加,小麦籽粒锌含量增幅较小,第1年各处理间无显著差异。第2年,施锌处理的籽粒锌含量比不施锌增加了2.4%—11.0%;前后两年,无论施锌与否,籽粒锌含量均高于40 mg·kg^(-1);与不施锌相比,锌转运系数秸秆-籽粒、籽粒锌分配指数分别降低了23.9%—37.9%、4.3%—13.1%,地上部20%以上的锌残留在茎叶中。低锌麦田,籽粒锌含量和地上部各器官锌吸收量随锌肥用量增加而增加,锌转运系数秸秆-籽粒则相反;相比不施锌处理,施锌处理的两年平均籽粒锌含量增加了9.4%—23.1%,锌转运系数秸秆-籽粒降低了13.5%—24.5%,但各器官锌分配指数无显著差异。高、低锌麦田,土壤有效锌含量均随锌肥用量的增加而明显提升。回归分析表明,高锌麦田的土壤有效锌含量与籽粒锌含量呈二次曲线关系,低锌麦田为“线性+平台”关系,土壤有效锌含量增至4.12 mg·kg^(-1)时,籽粒锌含量最高,达34.76 mg·kg^(-1)。【结论】黄土高原东部一年一熟的小麦生产中,对于高锌麦田,应充分利用土壤有效锌,即使不施锌肥,也可实现小麦锌营养强化;低锌麦田,仅靠土施锌肥很难提升籽粒锌含量达到推荐值(40 mg·kg^(-1)),改善小麦锌营养可考虑通过土施锌肥使土壤有效锌含量提高至4 mg·kg^(-1)以上,并结合其他农艺措施,如叶面喷锌等。

我国新育成小麦品种(系)籽粒锌含量及影响因素

【目的】明确我国主要麦区新育成高产小麦品种(系)籽粒、面粉和麸皮的锌含量,探究产量、产量构成、锌吸收分配及土壤因素对小麦籽粒中锌含量的影响,为我国小麦新品种(系)的锌营养强化提供依据。【方法】在2021—2022、2022—2023年两个小麦生长季,依托国家小麦产业技术体系在我国4个主要麦区17个省(市)布置的104个新育成小麦品种(系)田间多点试验,测定了成熟期小麦籽粒、面粉和麸皮锌含量、产量及其构成、锌吸收分配特征和土壤理化性质,统计了氮、磷、钾肥施用量,并以此探析我国新育小麦品种(系)籽粒不同组分锌含量、吸收分配特征及其环境影响因素。【结果】我国小麦新品种(系)籽粒锌含量介于14.3~54.7 mg/kg,平均27.6 mg/kg;面粉锌含量介于1.4~30.2 mg/kg,平均9.0 mg/kg;麸皮锌含量介于23.2~107.6 mg/kg,平均55.9 mg/kg。籽粒锌含量每提高1.0 mg/kg,面粉锌含量提高0.2~0.3 mg/kg,麸皮锌含量提高1.9~2.3 mg/kg。长江中下游麦区和西南麦区的小麦品种(系)籽粒及其各组分中锌含量高于黄淮南北片麦区。小麦品种(系)籽粒锌含量与产量、生物量和穗数呈负相关,与籽粒锌吸收量和收获指数呈正相关,与茎叶、颖壳和麸皮锌吸收量呈负相关。籽粒中锌含量与钙和硫含量呈负相关,与铁和铜含量呈正相关。小麦新品种(系)籽粒及其各组分中锌含量因地点而异,土壤pH、土壤有效锌和铁是影响小麦籽粒锌含量的主要因素。籽粒锌含量与土壤pH呈负相关,与土壤有效锌和铁呈正相关;回归分析结果表明,在pH低于6.3、有效锌高于1.7 mg/kg的土壤上,籽粒锌含量可达到强化水平40.0 mg/kg。【结论】我国新育成小麦品种(系)的籽粒、面粉及麸皮中,锌的平均含量分别为27.6、9.0和55.9 mg/kg。影响籽粒各组分锌营养的主要因素在作物方面包括产量、穗数以及茎叶、颖壳和麸皮中的锌积累量;在土壤方面则涉及土壤的pH值、有效铁含量和锌含量。在选育高产且优质的小麦品种时,应着重培育根系锌吸收能力强、穗粒数多且千粒重较大的品种,并通过合理施肥进一步强化面粉的锌营养。

影响我国主要麦区小麦籽粒和面粉锌含量的产量构成要素与土壤肥力因素

【目的】明确我国主要麦区小麦籽粒和面粉锌含量差异,研究作物与土壤因素对小麦籽粒和面粉锌含量的影响,为提升我国小麦籽粒锌营养提供依据。【方法】于2020—2021和2021—2022年两个小麦生长季,在我国17个小麦主产省/区采集421份小麦植株和土壤样品,研究小麦籽粒、面粉和麸皮锌含量与小麦产量及产量构成的关系,以及与土壤pH、有机质、硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾、有效态微量元素含量和施肥量的关系。【结果】我国小麦籽粒、面粉和麸皮锌的平均含量分别为28.1、10.8和60.6 mg·kg^(-1),94.8%的籽粒和89.5%的面粉样本的锌含量未达到营养学家推荐含量(40和15 mg·kg^(-1))。麦区间小麦籽粒锌含量存在差异,稻麦区最高,麦玉区和旱作区次之,春麦区最低。稻麦区,较低的土壤pH促进了土壤锌活化,有效锌含量显著高于其他麦区,较低的施磷水平也有利于锌吸收和向地上部转移,小麦籽粒和面粉锌平均含量分别为31.5和12.2 mg·kg^(-1)。麦玉区,土壤肥力较高,产量显著高于其他麦区,导致小麦籽粒与面粉锌含量相对降低,分别为27.1和10.3 mg·kg^(-1)。旱作区,较高的土壤pH影响了土壤锌的有效性和小麦对锌的吸收,籽粒与面粉锌含量较低,分别为26.5和10.1 mg·kg^(-1)。春麦区,土壤有效锌含量显著低于其他麦区,不利于小麦吸收累积锌,籽粒与面粉锌含量最低,分别为24.6和9.4 mg·kg^(-1),且随千粒重增加锌含量显著降低。【结论】提高小麦籽粒与面粉锌含量,不仅需要适宜的土壤pH、较高的有效锌水平及合理的氮磷肥调控,还需优化产量构成要素,协同提升小麦产量和籽粒、面粉锌含量。

我国麦田有机肥施用:研究历史、瓶颈与解决策略

我国有悠久的农业文明史,长期以来,在利用自然资源培肥土壤、提高作物产量方面积累了丰富的经验,这使得我国在农作物生产技术领域曾长期占据世界领先地位。然而,近代化肥工业的出现和发展极大地削弱了自然有机资源在我国粮食生产中的地位。即便在重视绿色发展的今天,受施用成本、施用习惯等因素的影响,有机肥在粮食作物上的应用仍远低于经济作物。小麦是我国主要口粮作物,过度依赖化肥不仅影响麦田土壤生产力,也制约着小麦的提质增产增效与绿色可持续生产,因此,亟需从理论与实践两方面重新认识有机肥的作用。本文梳理了我国有机肥的施用历史和现状,并总结了有机肥在改善麦田土壤性状、提升小麦产量和品质以及养分利用效率方面的效应。目前,我国传统有机肥有10大类433种,近年来又增加了3类商品有机肥。大量研究证实,有机肥的施用能够不同程度地改善土壤结构,增强有机质的稳定性,提升土壤保水和养分稳定供应能力,维持土壤养分与微生物之间的平衡,缓解过量氮肥引发的线虫胁迫,维持土壤食物网功能,并减轻气候变化对土壤微生态环境的影响。有机肥在土壤中的多重功能解释了其提高小麦产量、营养品质和加工品质的机理。在有机肥施用技术研究方面,也取得了具有实际意义的进展。研究表明,在我国多数地区单独或过量施用有机肥均不能满足当前粮食安全需求,只有与化肥合理配施,才能充分发挥二者的作用,实现小麦产量品质和土壤肥力的同步提升。许多地区已经提出了不同有机肥对化肥氮、磷养分的替代当量,并通过大数据分析,提出了适应不同目标的有机肥替代化肥的比例范围。多年来研究数据与人工智能的多源融合,为实现堆肥的精准、专业化利用提供了有力支持。然而,目前有机肥的施用除了在施用量、施用方法、施用机械等方面需创新外,现代农业的有机废弃物(有机肥源)又带来了新的问题,如畜禽粪便中重金属的富集,施用有机肥带入土壤的抗生素、微塑料、抗性基因、持久性有机污染物等。因此,有机肥的科学合理施用需要政府、企业、科研单位、基层推广人员和种植户的共同努力,应以国家战略需求为导向,以种植户需求为牵引,从生产实践问题出发,开展针对性研究,解决关键性问题,创新创制有机肥新产品与新技术,制定指向性的政策文件,保障我国有机肥的科学推广应用,实现农业绿色可持续发展。

我国主要麦区小麦籽粒微量元素含量及营养评价

小麦是重要的粮食作物,其微量元素含量高低直接影响人体健康。明确我国主要麦区小麦籽粒微量元素含量水平,对优化小麦微量元素营养品质,保障居民营养健康有重要意义。于2016—2020年,在我国17个小麦主产省区采集分析了1112份小麦及土壤样品,参考《中国营养学会人体微量元素摄入标准》和美国环境保护署健康风险评估方法,结合我国居民饮食特点,推荐了小麦籽粒微量元素适宜含量范围,并以此评价了我国小麦的微量元素营养状况。研究发现,我国小麦籽粒铁含量平均为43.8 mg kg^(-1), 72.9%样本低于铁的推荐量下限50 mg kg^(-1),所有样本铁含量均低于推荐量上限140 mg kg^(-1);籽粒锰含量平均为43.0 mg kg^(-1),仅4.1%样本低于推荐锰含量下限22 mg kg^(-1),但23.7%样本高于推荐上限值50 mg kg^(-1);籽粒铜含量平均为4.6 mg kg^(-1), 7.6%样本低于推荐量下限3 mg kg^(-1),所有样本铜含量均低于推荐量上限10 mg kg^(-1);籽粒锌含量平均为31.4 mg kg^(-1), 85.8%的样本低于推荐量下限40 mg kg^(-1),仅4.1%样本高于50mgkg^(-1)的推荐量上限;籽粒硼含量平均为1.2mgkg^(-1),低于推荐量下限0.8mgkg^(-1)的样本占29.2%,所有样本均低于推荐值上限10 mg kg^(-1);籽粒钼含量平均为0.5 mg kg^(-1), 18.8%的样本钼含量低于推荐量下限0.2 mg kg^(-1),仅有0.4%样本钼含量高于推荐值上限2 mg kg^(-1)。我国小麦籽粒微量元素含量也存在区域间变异,其中,铁、锌含量普遍偏低,部分地区硼、钼含量不足,而锰含量偏高,铜含量基本在推荐范围内。

我国主要麦区土壤有效铁锰铜锌丰缺状况评价及影响因素

明确我国主要麦区土壤有效铁锰铜锌含量分布和影响因素,对了解麦田土壤微量元素供应能力、指导小麦丰产与优质生产至关重要。于2016-2021年连续6年,在我国17个小麦主产省/市采集1314份耕层土壤样品,参考中国土壤有效微量元素分级标准,评价了我国麦田土壤有效铁锰铜锌丰缺状况,并采用随机森林方法定量分析了主要土壤化学性质对铁锰铜锌有效性的贡献。结果表明,我国主要麦区土壤有效铁含量介于1.8~612 mg·kg^(-1),平均为49.1 mg·kg^(-1),8.9%的样本未达到缺铁临界值4.5 mg·kg^(-1),且主要集中在北方、西北麦区的山西、陕西、甘肃等地,西南和长江中下游麦区有效铁较高。土壤有效锰介于0.1~176 mg·kg^(-1),平均为22.1 mg·kg^(-1),低于缺锰临界值5 mg·kg^(-1)的样本占6.9%,缺锰土壤分布在西北、北方麦区的山西、陕西、甘肃、内蒙古等地,西南、长江中下游麦区土壤有效锰含量较高。土壤有效铜介于0.1~10.8 mg·kg^(-1),平均为1.9 mg·kg^(-1),仅1.8%样本未达到缺铜临界值0.5 mg·kg^(-1)。土壤有效锌介于0.1~26.0 mg·kg^(-1),平均为1.4 mg·kg^(-1),14.3%的样本低于缺锌临界值0.5 mg·kg^(-1),主要分布在西北和北方麦区的山西、陕西、甘肃、内蒙古等省份,云南、贵州等西南麦区的有效锌较高。土壤基本化学性质中,pH对有效铁、有效锰含量影响最大,有效铁是铜有效性的重要因素,影响有效锌的主要因素是有效磷和有效铜。我国麦田土壤有效铁锰铜锌含量存在较大的区域变异,铁、锰、锌不足主要发生在北方石灰性土壤,南方麦田供应充足,几乎所有麦田土壤有效铜可满足作物铜需求。

旱地石灰性土壤长期施氮提高小麦籽粒中铁铜锌含量

【目的】明确氮肥用量引起的小麦籽粒铁、锰、铜、锌含量变化及土壤作物营养机制,为优化氮肥管理,实现小麦优质丰产提供理论依据。【方法】利用2004年在黄土高原南部陕西杨凌开始的氮肥用量长期定位试验,在施磷(P_(2)O_5) 100 kg/hm^(2)的基础上,设0、80、160、240和320 kg/hm^(2) 5个氮水平,在2013—2016年3个小麦收获期采集小麦植株和土壤样品,测定各器官生物量、铁锰铜锌含量及土壤有效铁锰铜锌含量,采用回归分析方法分析施氮量、小麦籽粒产量和微量元素含量之间的关系,计算获得最高籽粒产量和铁锰铜锌含量及其收获指数的氮肥用量。【结果】与不施氮相比,施氮提高了小麦产量和籽粒铁、铜、锌含量,降低了锰含量。籽粒铁含量与施氮量呈二元一次方程关系,小麦产量达最高(6116 kg/hm^(2))时的施氮量为212 kg/hm^(2),籽粒铁含量达最高(43.9 mg/kg)时施氮量为218 kg/hm^(2),铁收获指数最高时的施氮量为92 kg/hm^(2)。锌铜含量及其收获指数均与施氮量呈线性关系,施氮量每增加100 kg/hm^(2),籽粒铜和锌含量分别提高0.4和3.5 mg/kg。籽粒锰含量与施氮量呈负线性加平台关系,施氮量为57 kg/hm^(2)时,籽粒锰含量达最低37.5 mg/kg。与不施氮相比,施氮处理耕层土壤有效锰含量提高7.8%,有效铁、铜、锌含量无显著变化,平均为5.9,1.3和0.54 mg/kg。【结论】在黄土高原旱地石灰性土壤上,长期施用氮肥提高了冬小麦籽粒铁、铜、锌含量和吸收量,降低了锰含量和吸收量,主要归因于作物吸收量提高及铁向籽粒的分配增强,籽粒锰含量降低主要与产量提高引起的养分稀释效应有关。综合考虑产量和籽粒铁锰铜锌养分含量,该地区实现小麦高产目标5810 kg/hm^(2)时,氮肥用量应为122 kg/hm^(2),在最高产量施氮量212 kg/hm^(2)基础上可减施氮肥42%,此时籽粒铁、锰、铜、锌含量较高,分别为42.1、37.5、4.0和25.1 mg/kg。

旱地小麦锌吸收转移与籽粒锌含量的关系

【目的】黄土高原旱地小麦籽粒锌含量较低,明确土施锌肥引起的小麦花前花后锌吸收转移和籽粒锌含量的变化,及其与土壤锌形态及有效性关系,为优化旱地小麦锌营养强化技术提供科学依据。【方法】基于2017年在黄土高原旱地石灰性土壤上开始的定位试验,于2021—2022和2022—2023年两个小麦生长季取样,研究锌肥用量对土壤有效锌及锌形态、小麦花前花后锌吸收转移及籽粒锌含量的影响。【结果】施用锌肥对小麦产量无显著影响,但两季小麦籽粒锌含量分别提高44.7%和38.2%,施锌25.6 kg/hm^(2)时,籽粒锌含量最高达33.6 mg/kg,花前锌吸收量分别提高38.8%~83.7%和13.4%~49.0%,花后锌转移量分别提高36.0%~73.9%和13.0%~39.6%;施锌对小麦花后锌吸收量的影响因年份而异。表层0—20和20—40 cm土壤有效锌含量分别提高11.6和11.3倍,最高分别达9.20和3.57 mg/kg,深层40—60、60—80和80—100 cm土壤有效锌含量分别提高4.4、1.8和1.9倍,最高分别达0.54、0.28和0.29 mg/kg。施用锌肥显著提高了土壤各形态锌含量,0—20和20—40 cm土层水溶态锌分别提高54.5%和75.0%,达0.17和0.14 mg/kg;松结有机态锌分别提高214.9%和90.8%,达5.70和3.11 mg/kg;碳酸盐结合态锌分别提高1178.0%和551.7%,达5.24和1.89 mg/kg;氧化锰结合态锌分别提高345.9%和183.9%,达15.52和9.37 mg/kg;紧结有机态锌分别提高91.5%和34.4%,达1.13和0.86 mg/kg;残渣态锌分别提高23.7%和24.3%,达56.57和56.80 mg/kg。【结论】施锌显著提高了土壤松结有机态、碳酸盐结合态和氧化锰结合态锌含量,并通过其向水溶态锌转化,维持了施锌后表层土壤有效锌提升和施入土壤的肥料锌的有效性,促进了小麦花前锌吸收,实现了花后地上部锌向籽粒的转移及籽粒锌含量提升,但干旱缺水影响了旱地小麦花后锌吸收,抑制了施锌后籽粒锌含量进一步提升。

不同栽培方式番茄氮素吸收量及理论施氮量

研究不同栽培方式及茬口下番茄产量、地上部氮素吸收量和生产1 000 kg果实需氮量的差异,根据目标产量给出田块尺度理论氮素推荐量,为不同栽培条件下番茄氮肥的合理施肥提供理论依据与技术指导。收集国内外有关番茄氮素利用的文献43篇,统计分析露地、设施冬春茬和设施秋冬茬栽培条件下番茄的产量、地上部氮素携出量和形成1 000 kg果实需氮量;根据不同产量水平,计算1 000 kg番茄果实需氮量的变化;用理论施氮量的方法计算不同目标产量下番茄的理论施氮量。分析表明,露地、设施冬春茬和设施秋冬茬番茄的产量、地上部氮素携出量和形成1 000 kg果实需氮量存在明显差异。设施冬春茬番茄的产量最高为98.5t/hm^(2)(n=159),是露地和设施秋冬茬番茄产量的1.3倍。设施冬春茬地上部氮素携出量为239.3kg/hm^(2)(n=126),高于露地和设施秋冬茬。与产量和地上部氮素携出量不同,设施秋冬茬形成1 000 kg番茄果实的需氮量最高,为2.75 kg(n=99),设施冬春茬和露地相接近,分别为2.43 kg(n=126)和2.44 kg(n=123)。番茄产量和地上部氮素携出量之间有显著的线性相关性,番茄产量随地上部氮素携出量的增加而显著增加。番茄产量和地上部氮素携出量受水肥投入影响,灌溉量对番茄产量的影响极显著,随灌溉量增加产量先缓慢上升后下降,但灌溉量对番茄地上部无显著影响。番茄产量水平在<55、55~85、85~115、115~145、>145t/hm^(2)时,生产1 000 kg果实的需氮量分别为3.17、2.38、2.27、2.25和2.25 kg。番茄形成1 000 kg果实的需氮量随着产量水平的增加反而呈现降低的趋势。理论施氮量的计算简单易推广。番茄目标产量在50~150 t/hm^(2)时,露地、设施冬春茬和设施秋冬茬番茄的理论施氮量范围分别在182~547、183~549和206~619 kg/hm^(2),露地番茄和设施冬春茬番茄的理论推荐施氮量相近。不同栽培形式和岔口对番茄产量和氮素吸收特性均会产生影响。

我国主要麦区小麦籽粒和面粉铁含量的影响因素

[目的]明确主要麦区小麦籽粒铁含量,查明影响籽粒铁向面粉分配的主要因素,为提升我国小麦铁营养提供科学依据。[方法]于2020-2021和2021-2022年两个小麦生长季,在我国17个小麦主产省/区采集424份小麦植株和土壤样品,研究小麦籽粒、面粉和麸皮铁含量与小麦产量和产量构成、土壤pH以及土壤有机质、有效磷、速效钾和有效态微量元素含量的关系。[结果]我国小麦籽粒、面粉和麸皮铁含量平均分别为38.8、13.9和86.7 mg/kg,其中90.3%的籽粒和93.9%的面粉样本铁含量未达到分别为50和21 mg/kg的推荐含量。春麦区,较高的土壤有机质(37.4 g/kg)和全氮(1.90 g/kg)含量提高了土壤铁的有效性,促进了小麦对铁的吸收和铁向籽粒的转移,使得小麦籽粒和面粉铁含量相对较高,分别为41.5和15.4 mg/kg;铁含量适中组小麦收获指数、穗粒数和千粒重分别比低铁组减少13.1个百分点、32.2%和31.3%。旱作区的土壤有机质(19.7g/kg)和有效铁含量(8.9 mg/kg)在4个麦区中最低,不利于小麦对铁元素的吸收和累积,使得籽粒与面粉铁含量较低,分别为39.2和14.3 mg/kg。麦玉区(小麦–玉米区)的小麦产量显著高于其他麦区,受产量“稀释效应”的影响,籽粒和面粉铁含量最低,分别为36.7和12.7 mg/kg。稻麦区(水稻–小麦区),较高的土壤有效铁含量(133.4 mg/kg)和较低的pH值(6.6)使得小麦籽粒铁含量在4个麦区中最高,籽粒中的铁更易于向面粉转移和累积,籽粒与面粉铁含量分别为41.3和15.6 mg/kg;铁含量适中组的小麦穗粒数比低铁组增加了15.7%,千粒重降低了14.7%。[结论]适宜的土壤pH和较高的有机质、全氮及有效铁含量是小麦籽粒和面粉铁含量的关键影响因素。此外,还需通过管理措施优化穗数、穗粒数和千粒重,避免可能的稀释效应。

黄土高原旱地小麦籽粒锌含量及分布对锌肥的响应

【目的】明确施锌肥引起的土壤有效锌、小麦产量和籽粒锌含量的变化,为优化小麦锌营养强化技术提供重要依据。【方法】基于2017年在黄土高原旱地石灰性土壤上开始的定位试验,于2020—2021年和2021—2022年两个小麦生长期取样,研究锌肥用量对土壤有效锌、小麦产量、产量构成、籽粒及其不同部位锌吸收分配的影响。【结果】施用锌肥对小麦产量及产量构成要素无显著影响,但籽粒锌含量提高28.8%—46.0%,在施锌24.9 kg·hm^(-2)时,籽粒锌含量最高达31.1 mg·kg^(-1);麸皮和面粉锌含量分别提高31.8%—58.8%、26.3%—41.3%,施锌27.3 kg·hm^(-2)时,麸皮锌含量最高,达87.6 mg·kg^(-1);施锌24.0 kg·hm^(-2)时,面粉锌含量最高,达11.3 mg·kg^(-1)。在籽粒中,锌主要分配在麸皮,占77.7%—80.0%,平均锌含量78.9 mg·kg^(-1);面粉占20.0%—22.3%,平均锌含量10.8 mg·kg^(-1)。施锌提高了麸皮和面粉的锌含量,麸皮锌含量增幅高于面粉。0—20和20—40 cm土层土壤有效锌含量分别提高235.2%—1233.8%和207.4%—825.9%,在最高施锌量27.3 kg·hm^(-2)时,土壤有效锌含量分别达9.47和2.50 mg·kg^(-1)。0—100 cm不同土层有效锌对小麦锌吸收的贡献存在差异,表层土壤对籽粒锌含量提高的作用显著高于深层土壤。【结论】在黄土高原旱地石灰性土壤上,施锌肥显著提高土壤有效锌含量和小麦籽粒锌含量;进一步改善小麦籽粒锌营养,应将锌肥用量、施锌方式和多种农艺措施,如水分和氮磷肥供应、绿肥种植等综合优化,充分挖掘旱地小麦籽粒锌含量提升的潜力。

黄土高原不同地点小麦籽粒矿质元素的含量差异

【目的】研究同一区域不同地点小麦籽粒养分含量差异与土壤养分供应和作物养分吸收利用之间的关系,为科学施肥和培肥土壤提供依据。【方法】于2017-2018年分别在陕西永寿和杨凌布置田间试验,在施N 180 kg·hm^-2、P2O5100 kg·hm^-2、K2O 75 kg·hm^-2的条件下种植来自我国不同麦区的20个小麦品种,收获期取样测定籽粒产量、各器官养分及土壤养分含量,分析两地间土壤养分供应与籽粒大、中、微量元素含量差异的关系。【结果】永寿小麦籽粒氮和钾含量比杨凌低10.6%和6.7%,两地小麦磷含量无显著差异。永寿土壤氮磷供应能力、小麦氮磷钾吸收和向籽粒的转移均高于杨凌;但试验年份永寿的降水总量及其分布均比杨凌的更有利于小麦生长和产量形成,由此引起的产量增幅高于籽粒氮钾吸收量增幅、与磷吸收量增幅接近,产量稀释效应是导致两地间氮磷钾含量变化的主要原因。永寿小麦籽粒钙和镁含量比杨凌高19.0%和10.3%,两地硫含量无显著差异。永寿土壤交换性镁供应能力低于杨凌,交换性钙与杨凌无差异,但永寿土壤较低的pH、速效钾和较高的有效硫更有利于小麦钙镁硫的吸收和向籽粒的转移;与杨凌相比,永寿小麦籽粒钙镁吸收量增幅大于产量增幅、硫吸收量增幅与产量接近,这是两地籽粒钙镁硫含量变化的主要原因。永寿小麦籽粒铁、锰和铜含量比杨凌高9.3%、22.2%和12.7%,锌含量比杨凌低63.1%。永寿0-20 cm土层有效铁锰含量与杨凌无差异,铜锌含量低于杨凌;但永寿小麦灌浆期比杨凌长,有利于小麦从土壤中吸收微量元素,而锌吸收被较高的有效磷抑制,导致永寿小麦铁锰铜吸收和向籽粒的转移高于杨凌而锌吸收和转移低于杨凌,这是两地籽粒铁锰铜含量变化的原因。【结论】在同一区域的不同地点,土壤养分供应和降水差异引起的产量与养分吸收增减幅度不同是籽粒养分含量变化的主要原因。与杨凌相比,永寿小麦籽粒氮含量低的主要原因是产量稀释效应;小麦磷和硫含量不降低的原因是土壤较高的有效磷和有效硫供应使得小麦磷、硫吸收量与产量以相近幅度增加;小麦籽粒钾、锌含量低的原因分别是土壤钾锌供应不足和磷锌拮抗;小麦钙镁含量的增加主要是因为较低的土壤pH和速效钾促进了钙镁吸收和转移;小麦籽粒铁锰铜含量的增加主要归因于较长的灌浆期增加了这些元素的吸收和向籽粒的转移。农业生产中应根据当地土壤养分供应和气候特点有针对性地调控施肥,使小麦养分吸收与产量变化相协调,在实现增产的同时提高籽粒矿质营养品质。

我国小麦施肥问题与化肥减施

小麦是我国主要粮食作物,保证小麦持续稳产和增产对保障国家粮食安全具有重要意义。目前,我国小麦播种面积2373万hm^2,占全国粮食作物播种总面积的20%[1]。据联合国粮农组织统计,我国小麦的单产5.2 t·hm^-2,接近欧盟的平均(5.8 t·hm^-2)产量水平,但我国氮肥用量比欧盟平均高12.0%,磷肥用量高2.7倍,钾肥用量高1.0倍[2-3]。化学肥料施用是保障作物高产稳产的重要措施,但过量施用化肥并不能带来持续增产,相反会造成资源浪费、降低养分利用效率、污染地表和地下水等问题[4-6]。因此,2015年我国农业农村部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》,2019年发布的中央一号文件中更是强调“加大农业面源污染治理力度,开展农业节肥节药行动,实现化肥农药使用量负增长”。

437个小麦品种钾收获指数的变异特征

【目的】调查437个小麦品种钾收获指数(potassium harvest index,KHI)的变化范围,分析KHI与产量、籽粒钾含量、籽粒、秸秆、颖壳钾吸收量和钾利用效率之间的关系,同时研究不同株高、育成年代、麦芒对KHI的影响,为钾高效小麦品种的选育提供科学依据。【方法】以不同特性的437个小麦品种为试验材料,在河南洛阳和陕西杨凌进行2年(2018-2020)的田间试验,采用增广随机区组试验设计,设置14个区组,每个区组设置31个试验品种,5个对照品种,每个小麦品种种植6行、行长3 m。成熟期取样,每个小区中部选取一行不缺苗的小麦进行收割,脱粒烘干后计算小麦籽粒产量。每个小区中随机选择5个采样点,每个采样点盲抽6个分蘖,贴地剪断,茎穗分别装入网袋,用于测定不同器官钾含量。采用H2SO4-H2O2消煮,火焰光度计法测定籽粒、秸秆和颖壳钾含量,并计算KHI、籽粒、秸秆、颖壳、地上部吸钾量、籽粒钾利用效率(grain K utilization efficiency,GKUE)和地上部钾利用效率(shoot K utilization efficiency,SKUE)等指标。【结果】4个环境中(19洛阳、20洛阳、19杨凌和20杨凌),不同小麦品种间KHI均存在显著差异(P<0.01),437个小麦品种的KHI变化范围为0.04-0.40,杨凌平均KHI高于洛阳。扬麦18、烟农5158、川麦104、华麦5号、郑麦1860、Dromedaris和太空6号等7个小麦品种具有较高的KHI和产量。KHI与小麦产量在3个环境中呈显著正相关关系(P<0.05)。KHI与小麦籽粒钾含量和小麦籽粒吸钾量在3个环境呈显著正相关关系(P<0.05)。KHI与秸秆、颖壳及地上部吸钾量存在显著负相关关系(P<0.05)。小麦产量、籽粒钾含量、籽粒钾吸收量随着KHI的提高而升高,秸秆、颖壳和地上部吸钾量随着KHI的提高而降低。KHI与GKUE和SKUE呈显著正相关关系(P<0.001)。20世纪70年代以前和70-90年代育成的小麦品种的KHI显著低于90年代以后培育的品种(P<0.05),1990-2010年与2010年以后育成的小麦品种的KHI无显著差异(P>0.05)。随着株高下降,KHI升高。有无麦芒对KHI没有显著影响。【结论】不同小麦品种的KHI存在明显的基因型差异;KHI可以作为小麦钾利用效率的评价指标。创新育种方式,提高钾从营养器官到籽粒的转移效率才能进一步提高小麦KHI。育种过程中将小麦株高保持在合适的范围内有利于提高小麦的KHI。

秸秆还田和氮肥用量对冬小麦产量和氮素利用的影响

【目的】在陕西关中小麦-玉米轮作区通过连续7年田间定位试验,探索秸秆还田配施化学氮肥对冬小麦产量、籽粒蛋白质含量、地上部吸氮量、收获期土壤硝态氮残留量及土壤氮素平衡的影响,为小麦增产及氮素高效利用提供科学依据。【方法】试验采用裂区设计,主处理为玉米秸秆还田和不还田,副处理设置5个施氮水平,分别为0(N0,不施用氮肥)、84 kg·hm^(-2)(N84,当地推荐氮肥用量的一半)、168 kg·hm^(-2)(N168,当地推荐氮肥用量)、252 kg·hm^(-2)(N252,高氮肥用量)、336 kg·hm^(-2)(N336,超高氮肥用量)。【结果】与秸秆不还田处理相比秸秆还田未提高冬小麦籽粒产量,施用氮肥较不施氮肥小麦增产18%—29%,而超高氮肥用量较推荐氮肥用量有减产风险。秸秆还田和氮肥用量对小麦产量有交互效应。与秸秆不还田处理相比,秸秆还田在氮肥用量为252和336 kg·hm^(-2)时,公顷小麦穗数增加5%—7%,产量平均增加5%—6%。秸秆还田对小麦籽粒蛋白质含量无显著影响,施用氮肥的籽粒蛋白质含量较不施用氮肥增加16%—33%。秸秆还田对小麦地上部吸氮量无显著影响,施用氮肥的地上部吸氮量较不施用氮肥增加36%—72%。秸秆还田和氮肥用量对小麦地上部吸氮量有交互效应。与秸秆不还田处理相比,秸秆还田在氮肥用量为252和336 kg·hm^(-2)时地上部吸氮量平均增加5%—8%。与秸秆不还田相比,秸秆还田使土壤硝态氮残留量平均增加18%,增加的硝态氮含量主要分布在70—170 cm土层。N168处理在秸秆不还田条件下土壤氮处于亏损状态,秸秆还田后有效地弥补了氮亏缺,进一步增加氮肥用量,将大幅增加土壤氮盈余量。相对于秸秆还田,氮肥用量对土壤氮盈余量的影响更大。【结论】秸秆还田配施高氮肥用量能增加小麦产量和地上部吸氮量,但同时增加了土壤硝态氮残留量和氮盈余量。综合考虑小麦籽粒产量、土壤硝态氮残留和土壤表观氮平衡等,秸秆还田配施168 kg·hm^(-2)氮肥更利于维持小麦产量和保护生态环境。

北方麦区土壤有效磷阈值及小麦产量、籽粒氮磷钾含量对监控施肥的响应

【目的】分析我国北方麦区不同土壤有效磷水平下,监控施肥后小麦籽粒产量与养分吸收利用变化,为保证减施磷肥后小麦的丰产、优质、绿色生产提供理论依据。【方法】于2018—2020年在我国北方麦区49个地点进行了田间试验。所有试验均设农户施肥(FF)、监控施肥(RF)和监控无磷(RF-P)3个处理,监控施肥的磷(P_(2)O_(5))肥用量较农户施肥平均减少60 kg/hm^(2),相当于减少了46%。在小麦成熟期调查了土壤不同磷素水平下,小麦产量、产量构成、籽粒氮磷钾含量,并计算了磷素养分吸收利用率;在小麦收获期,采样测定土壤有效氮磷钾含量。【结果】当土壤有效磷<15 mg/kg时,小麦产量最低,为5155 kg/hm^(2);当土壤有效磷在25~30 mg/kg时,产量达到最高,为7217 kg/hm^(2);有效磷过高并不能持续提高小麦产量,反而因穗数、千粒重低导致产量降低。土壤有效磷<15、15~20、20~25、25~30和>30 mg/kg时,监控施肥处理小麦产量与农户施肥处理相比差异虽然未达显著水平,但小麦的磷肥吸收效率与磷肥偏生产力平均分别为1.03和104.7 kg/kg,分别较农户处理显著提高了119.6%和112.2%,籽粒氮磷钾含量与农户施肥处理相比无显著差异。当土壤有效磷<15 mg/kg,或速效钾达171和200 mg/kg、有效磷为15~20和>30 mg/kg时,不施磷肥小麦显著减产;但土壤速效钾为147和158 mg/kg、有效磷在20~25和25~30 mg/kg时,不施磷肥不减产。土壤有效磷含量越高,小麦籽粒平均氮含量越低、磷含量越高,籽粒平均钾含量在有效磷为20~25 mg/kg时达到最高。【结论】在北方麦区,过高的土壤有效磷含量有降低小麦氮素营养的风险,适当降低磷肥用量在保证产量的同时,还可大幅提高磷肥的利用率。土壤有效磷维持在20~30 mg/kg时,减施或不施磷肥依然可以实现小麦高产,但若速效钾>170 mg/kg时不施磷肥小麦有减产风险。因此,应基于对小麦目标产量、籽粒养分含量和土壤有效磷钾的监控,确定合理的磷肥用量,实现北方麦区化肥减施,小麦稳产提质增效和绿色生产。

北方麦区小麦产量与蛋白质含量变化对土壤硝态氮的响应

【目的】分析我国北方麦区不同土壤硝态氮残留梯度下减施氮肥后小麦籽粒产量、蛋白质含量变化,为保证合理减施氮肥,有效降低麦田土壤硝态氮残留提供理论依据。【方法】于2018—2019年在我国北方麦区43个地点进行田间试验,研究不同硝态氮残留情况下氮肥减施对小麦产量、蛋白质含量、产量构成及氮素吸收利用的影响。【结果】与农户施肥相比,监控施肥的氮肥用量减少55 kg·hm^(-2)(26%),产量为5885 kg·hm^(-2),比农户施肥增产3.1%,籽粒蛋白质含量为132.4 g·kg^(-1),与农户施肥相比无显著差异。当1 m土层硝态氮残留量<55 kg·hm^(-2)时,小麦产量最低,为4252 kg·hm^(-2),硝态氮残留在55—100 kg·hm^(-2)时,产量达到最高,为7186 kg·hm^(-2),硝态氮残留量过高并不能持续提高小麦产量;当土壤硝态氮残留量<100 kg·hm^(-2)时,不施氮肥小麦产量会显著降低,但采用监控施肥技术合理减施氮肥,无论土壤硝态氮残留多少,均不会减产。土壤硝态氮残留>300 kg·hm^(-2)时,小麦籽粒的蛋白质含量达到最高,平均为146.93 g·kg^(-1);当土壤硝态氮残留量<200 kg·hm^(-2)时,不施氮肥会显著降低籽粒蛋白质含量,但通过监控土壤硝态氮合理减施氮肥,无论硝态氮残留高低,均不会降低籽粒蛋白质含量;硝态氮残留介于55—100 kg·hm^(-2)时,农户与监控施肥处理的小麦籽粒蛋白质含量分别为124.5和123.1 g·kg^(-1)。采用监控施肥技术,小麦氮肥吸收效率(地上部吸氮量/施氮量)与氮肥偏生产力分别为1.36和45.7 kg·kg^(-1),较农户施肥显著提高61.5%和57.1%。【结论】综合考虑维持北方麦区小麦较高的产量和蛋白质含量,收获期1 m土层硝态氮残留量应介于55—100 kg·hm^(-2)。基于小麦目标产量、籽粒蛋白质含量和土壤硝态氮监控,确定合理的氮肥用量,对实现小麦氮肥减施、绿色生产有重要意义。