不同生物质炭的镉吸附特征及对云南土壤镉污染的调控效应

研究不同植物源生物质炭的性质,评价其对云南东川地区镉(Cd)污染应用效果。开展了稻秆炭(RBC)、麦秆炭(WBC)、玉米秆炭(MBC)、麻秆炭(HBC)、田菁炭(TBC)、花生壳炭(PBC)的Cd吸附特征研究和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析、X射线衍射(XRD)分析;通过盆栽试验分析了上述生物质炭对东川Cd污染土壤的Cd赋存形态和油麦菜Cd吸收的影响。结果表明,Langmuir吸附等温线及准二级动力学曲线能较好模拟生物质炭对Cd的吸附,TBC饱和吸附量最大分别为37.1和27.9mg·g^(-1);WBC、RBC、TBC解吸率较低,各浓度梯度下均不超过10%;FTIR分析表明田菁炭含有较多的含氧官能团;XRD分析表明各生物质炭元素种类存在差异。与不添加生物质炭处理(CK)比较,TBC处理土壤有效Cd降幅最大为24.3%,且达显著水平(P<0.05);同时土壤Cd形态由酸溶态向稳定态转化。与CK相比,HBC处理油麦菜地上Cd含量降幅最大为26.4%,且达显著水平;WBC、HBC处理显著降低油麦菜体内Cd的转运系数,转运系数分别为0.6620、0.6928。聚合增强树分析(ABT)分析结果表明,土壤可溶性有机碳(DOC)与土壤pH是土壤有效Cd的主要影响因素,呈极显著负相关,贡献率分别为33.0%和21.9%。综上,供试各植物源生物质炭能降低东川Cd污染土壤中Cd的有效性,减少植物对Cd的吸收及转运,不同生物质炭间存在差异。综合材料性质及试验结果,TBC是东川地区修复Cd污染土壤的较优材料选择。

解磷细菌活化水稻土中低品位磷矿粉的效果与机制

【目的】低品位磷矿粉中磷的生物利用具有重要意义。探讨解磷细菌活化低品位磷矿粉的效果与机制,为提高磷矿粉在红壤性水稻土上的施肥效果提供依据。【方法】将在湖南省采集的红壤性水稻土中添加不同粒径(0.18、0.10和0.05 mm)的磷矿粉,设置接种乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus,P1)、皮特不动杆菌(Acinetobacter pittii,P2),以及不接种解磷细菌(P0)3种处理。将培养瓶在25℃黑暗培养箱中培养60 d,期间动态监测不同形态磷、pH,第60天测定有机酸、酸性和碱性磷酸酶活性(ACP、ALP)、碱性磷酸酶基因(phoD),研究解磷细菌对不同粒径磷矿粉的活化效果及机制。【结果】两株解磷细菌均能够活化难溶性磷,活化效果差异不显著。整个培养期间,3个粒径的磷矿粉接种解磷细菌后有效磷平均含量为13.4—14.7 mg·kg^(-1),高于不接种(P0)处理,提高31.1%—53.1%。粒径0.05 mm磷矿粉接种P1和P2解磷菌后有效磷平均含量增幅最大,为53.1%、47.5%(P<0.05);树脂磷(Resin-Pi)和碳酸氢钠提取无机磷(NaHCO3-Pi)的平均含量分别为13.9—16.6和14.9—16.5 mg·kg^(-1),均高于P0处理,分别提高36.4%—78.5%和13.7%—25.0%。粒径0.18 mm磷矿粉接种P1和P2解磷菌后Resin-Pi平均含量增幅最明显,为78.5%、49.5%(P<0.05);与P0相比,接种解磷细菌后粒径0.18 mm磷矿粉处理的活性磷增幅最明显,为28.4%—46.7%,稳定性磷降低2.1%—8.0%。与P0相比,接种解磷细菌土壤pH降低0.18—0.35个单位(P<0.05);乙酸、丙酸含量提高5.2%—13.7%和45.9%—127.5%(P<0.05)。P1处理碱性磷酸酶含量、phoD丰度分别增加6.5%—13.4%和24.0%—98.6%(P<0.05),P2处理酸性磷酸酶活性增加12.8%—17.2%(P<0.05),表明P1主要分泌碱性磷酸酶,P2主要分泌酸性磷酸酶。相关性分析结果表明,两株解磷细菌主要通过分泌乙酸、丙酸溶解难溶性的浓盐酸提取有机磷(Conc.HCl-Po)、浓盐酸提取无机磷(Conc.HCl-Pi)和氢氧化钠提取无机磷(NaOH-Pi),分泌酸性磷酸酶与碱性磷酸酶溶解难溶性有机磷(Conc.HCl-Po),向活性较高的Resin-Pi和碳酸氢钠提取无机磷(NaHCO_(3)-Pi)转化,促进磷库的周转。结构方程模型表明,添加细小粒径的磷矿粉与接种解磷细菌均可直接提高土壤有效磷含量,但接种解磷细菌对有效磷的影响更大。【结论】接种解磷菌能促进磷矿粉中难溶性磷的活化,粒径0.05 mm磷矿粉接种解磷菌后土壤有效磷增幅最大,但粒径0.18 mm磷矿粉处理的活性磷占比增幅最大,活化效果最好。解磷细菌乙酸钙不动杆菌和皮特不动杆菌主要通过分泌乙酸、丙酸等有机酸及磷酸酶,活化难溶性磷,增加活性磷占比,提高磷矿粉在红壤性水稻土中的施用效果。

毛叶苕子磷获取特征及根际特性的基因型差异

毛叶苕子是我国重要的肥饲兼用绿肥作物,研究毛叶苕子磷获取特征及根际特性的基因型差异,为毛叶苕子磷高效利用提供理论支撑。在青海西宁开展盆栽试验,设置毛叶苕子品种和磷肥种类双因素,毛叶苕子品种为大田试验筛选的磷高效及磷低效品种(系)各2个,磷肥种类为过磷酸钙和磷矿粉,设置不施磷肥对照,共12个处理。盛花期测定分析毛叶苕子磷素积累量、土壤磷组分、土壤有机酸、根系酸性磷酸酶(RACP)、土壤酸性及碱性磷酸酶活性(ACP、ALP)、土壤酸性及碱性磷酸酶(phoC、phoD)基因丰度。结果显示,不同磷效率毛叶苕子品种(系)总磷吸收量和磷肥利用率分别为7.45~46.07 mg·盆^(-1)和7.12%~22.49%;磷高效品种(系)总磷吸收量和磷肥利用率均显著高于磷低效品种(系),增幅分别为0.91%~61.20%和12.52%~60.25%。相比磷低效品种(系),磷高效品种(系)提高了活性磷(labile P)和中等活性磷(moderately labile P)的比例,降低了稳定性磷(stable P)的比例,后者的活性磷和中等活性磷的比例分别是前者的6.14~26.14倍和1.04~1.54倍,前者的稳定性磷库比例是后者的2.92~7.91倍。磷高效品种(系)土壤总有机酸(TOA)、草酸(OXA)含量、RACP、ACP、ALP活性均显著高于磷低效品种(系),分别提高117.45%~254.60%、19.40%~50.75%、16.37%~146.40%、6.19%~104.19%和6.16%~35.06%。磷高效品种(系)phoC和phoD丰度分别是磷低效品种(系)的1.07~2.58倍和1.46~3.64倍。线性回归分析表明,土壤TOA、OXA、RACP、ACP与活性磷均呈显著或极显著正相关,决定系数分别为0.40、0.46、0.13、0.19;与stable P均呈显著或极显著负相关,决定系数分别为0.75、0.58、0.41和0.49。综上,磷高效毛叶苕子品种(系)活化难溶性磷的能力较强,具有更高的磷素积累量和磷肥利用率。其主要通过增加有机酸(主要是草酸)含量、磷酸酶活性、phoC和phoD基因丰度活化难溶性磷,提高土壤中活性磷和中等活性磷的比例,促进对磷的吸收利用。

利用绿肥提高云南抚仙湖径流区烟田土壤养分和烤烟品质

【目的】研究云南抚仙湖流域烟区种植利用绿肥对土壤养分、烤烟产量及品质的影响,明确适宜当地种植的绿肥品种,为优化烤烟养分管理,减少面源污染风险提供参考。【方法】于2019—2021年开展定位试验,设4个处理,三个冬季绿肥处理分别为油菜、箭筈豌豆和光叶紫花苕,以冬闲无绿肥为对照。测定绿肥还田后和烤烟收获后的土壤性状、烟株农艺性状、烤烟产量、上等烟比例,以及烟叶化学成分、外观和感官质量、产值。【结果】2020年烤烟种植前,各绿肥翻压处理土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量与冬闲处理土壤无显著差异;烤烟收获后,平均有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别提高了3.2 g/kg,6.8 mg/kg、10.1 mg/kg和84.8 mg/kg,以光叶紫花苕处理的速效养分含量提高幅度最大。2021年烤烟种植前和收获后,绿肥处理的有机质和速效养分含量较冬闲均显著提高,以油菜处理的有机质含量最高,光叶紫花苕处理的速效养分含量提升效果最好;冬闲处理的土壤氯含量显著高于绿肥处理。2020和2021年,绿肥处理的烤烟平均产量分别提高了13.8%和22.6%,上等烟比例分别提高了11.2%和24.7%,两年均以光叶紫花苕处理的增产幅度最大。2021年,绿肥处理的烤烟农艺性状明显改善,以光叶紫花苕处理表现最优,其株高、茎围和最大叶宽分别较冬闲处理提高了26.6、2.2和6.9 cm;绿肥处理烤烟中部叶和上部叶的外观质量比冬闲处理分别提高5.0~5.7和4.5~5.8分,感官质量分别提高2.0~3.2和3.6~4.2分,且均以光叶紫花苕处理得分最高;烤烟均价显著提高7.4%~11.9%,产值显著提高30.5%~38.0%,其中光叶紫花苕处理经济效益表现最优。翻压绿肥降低了烟叶总糖与可溶性糖含量差,提高了烟叶钾含量。随机森林回归分析表明,影响烤烟产量的关键指标土壤性状为有机质、氯离子和速效钾含量,烤烟农艺性状指标为株高、最大叶宽和茎围。【结论】利用冬闲田种植并翻压绿肥可改善烤烟土壤养分性状,提升上等烟比例和烤烟品质,大幅提高经济效益,且翻压绿肥第二年效果更为显著。3种供试绿肥效果相比,以光叶紫花苕效果最佳,可以优先用作云南抚仙湖流域烟区绿肥。

种植冬绿肥对红壤幼龄橘园土壤微生物量碳、氮和酶活的影响

种植绿肥是培肥改良果园土壤、提高水果产量品质的有效措施。为筛选适宜江西红壤幼龄橘园种植的冬绿肥品种,在橘园行间播种毛叶苕子(Viciavillosa Roth)、肥田萝卜(Raphanus sativus)、黑麦草(Lolium perenne)、鼠茅草(Vulpia myuros)等4种冬绿肥,研究种植不同冬绿肥对土壤化学性质、微生物量碳、氮和酶活性的影响。结果表明,与自然生草相比,短期种植冬绿肥对土壤pH、有机质和全氮的影响较小,对土壤速效养分有一定的提升效果,但均未发生显著变化。种植冬绿肥明显改善了土壤生化性质,使土壤MBC和MBN分别增加47.9%-114%和75.9%-292%,使MBC/MBN降低14.2%-53.7%,其中鼠茅草和黑麦草处理效果最佳;种植冬绿肥还提高了土壤过氧化氢酶(1.70%-20.0%)、酸性磷酸酶(15.8%-78.9%)、脲酶(13.8%-46.6%)、转化酶(13.7%-55.5%)、过氧化物酶(120%-218%)、多酚氧化酶(4.70%-55.2%)等6种酶的活性,仍以鼠茅草和黑麦草的效果最佳。运用主成分分析对各处理的土壤生化性质进行综合评价,其得分排序为:鼠茅草(1.07)>黑麦草(0.93)>毛叶苕子(0.20)>肥田萝卜(−0.24)>自然生草(−2.31),进一步运用聚类分析可将其分为3类:鼠茅草和黑麦草(第Ⅰ类)、毛叶苕子和肥田萝卜(第Ⅱ类)、自然生草(第Ⅲ类)。综上,种植冬绿肥可明显改善红壤幼龄橘园的土壤肥力状况,对土壤微生物量碳、氮含量和酶活性等生化性质的提升尤为明显,在实际生产中优先推荐鼠茅草、黑麦草作为冬绿肥品种。该研究为红壤区幼龄果园的土壤肥力培育、绿色生态种植提供了技术参考,有助于南方特色水果的量质协同提升和相关产业的健康可持续发展。

赣北地区稻−稻−紫云英轮作体系减施化肥对水稻产量、氮素吸收及土壤供氮能力的影响

【目的】紫云英与水稻轮作是合理利用冬闲稻田,维持和提高稻田生产力的高效手段。研究稻–稻–紫云英模式下,减施化肥对水稻产量、氮肥利用效率、氮素吸收量和土壤供氮能力的影响,为赣北双季稻区减施化肥提供理论依据。【方法】定位试验位于江西省高安市,始于2016年,试验设置不施肥对照(CK)、常规施肥(F100),以及种植翻压紫云英条件下,晚稻季正常施肥,早稻化肥为常规施肥的100%、80%、60%、40%(GF100、GF80、GF60、GF40),共6个处理。在早稻分蘖期、拔节期、抽穗期和成熟期及晚稻成熟期,采集植株(含籽粒)和土壤样品,测定水稻地上部生物量、产量及氮素含量,计算水稻地上部氮素吸收量及氮肥利用率,测定土壤供氮能力和有效磷钾含量。【结果】与F100处理相比,GF80处理显著增加早稻产量,6年平均增产707.80 kg/hm2,平均增产率为10.12%,对晚稻产量无显著影响;GF60和GF40处理早稻和晚稻均不减产;GF40、GF60和GF80处理早稻成熟期稻谷生物量无显著变化,晚稻稻谷生物量分别增加7.76%、8.62%和9.48%。GF40、GF60和GF80处理的早稻和晚稻氮肥利用率增加了21.37%~57.16%;GF40处理早稻氮肥农学效率(NAE)增加了99.77%,GF40、GF60和GF80处理晚稻氮肥农学效率分别增加了20.61%、22.88%和17.17%;GF40、GF60和GF80处理早稻氮肥偏生产力分别显著增加了140.28%、55.33%和23.09%。与F100处理相比,GF40、GF60处理早稻成熟期稻谷氮吸收量分别降低了21.16%、11.43%,GF80处理稻谷氮吸收量无显著变化;晚稻成熟期GF40、GF60和GF80处理稻谷氮吸收量分别增加18.21%、29.23%和26.19%;GF40、GF60、GF80处理增加早稻季分蘖期、拔节期、抽穗期及晚稻成熟期土壤潜在供氮能力和总供氮能力,增幅分别为21.38%~316.31%和18.50%~250.61%,早稻不同生育期土壤供氮能力与水稻地上部氮素吸收呈极显著正相关。【结论】种植利用紫云英条件下,赣北双季稻区早稻减施化肥20%~60%可增加水稻土壤供氮能力,提高氮肥利用率、农学效率及偏生产力,实现水稻稳产。早稻减施60%化肥提高了晚稻稻谷氮积累量,但降低了早稻稻谷氮积累量。早稻减施化肥20%可增加早稻产量,对早稻稻谷氮素吸收量无明显影响,但增加了晚稻稻谷氮素吸收。

麦秸与毛叶苕子共同调控青海高原土壤温室气体排放的作用机制

【目的】研究青海高原麦秸和豆科绿肥混合添加下土壤温室气体排放规律及其碳氮转化机制,为该地区农田系统秸秆和绿肥科学利用提供依据。【方法】采用室内模拟试验,设无添加对照(CK)、单独添加毛叶苕子(VS)、单独添加麦秸(WS)、麦秸与毛叶苕子混合添加(VWS),共4个处理。测定了温室气体排放速率、土壤活性碳氮组分、土壤酶活性、细菌、古菌、真菌、amoA、nirK和narG基因丰度。【结果】VWS处理与VS处理相比,CO_(2)和N_(2)O的累积排放量分别减少24.8%和74.6%,CH_(4)累积吸收量增加9.1%,综合增温潜势(global warming potential,GWP)显著降低76.1%(P<0.05);与WS处理相比,CO_(2)累积排放量增加33.7%,CH_(4)累积吸收量与N_(2)O累积排放量分别降低12.0%和43.1%,GWP降低49.4%。有机物料添加可调节土壤pH,增加土壤碳氮含量。VWS处理的土壤pH显著高于CK和VS处理;土壤水溶性有机碳(DOC)和微生物量碳(SMBC)含量较VS处理分别增加了21.6%和4.9%,无机氮(Nmin)、土壤水溶性有机氮(DON)和微生物量氮(SMBN)含量分别降低了77.3%、59.5%和6.3%;土壤Nmin、DOC、DON、SMBC和SMBN含量较WS处理分别增加64.0%、22.5%、56.5%、23.2%和27.8%。VWS处理较其他处理,α-葡萄糖苷酶(AG)和β-葡萄糖苷酶(BG)活性显著提高,亚硝酸还原酶(NIR)活性显著降低。VWS处理的真菌和古菌群落丰度较WS处理分别提高83.8%和69.8%,较VS处理分别降低62.6%和20.3%;VWS处理细菌群落丰度较VS处理降低33.4%。VWS处理下,AOB amoA、nirK和narG基因丰度较VS处理分别降低56.6%、41.4%和16.3%,较WS处理分别降低30.3%、25.9%和12.0%。相关分析结果表明,CO_(2)和CH_(4)排放与土壤有机碳、全氮、DOC、SMBC和SMBN含量,AG、NAG和NR活性,真菌、细菌、nirK和narG基因丰度呈显著正相关;N_(2)O排放与土壤全氮、DON、SMBC和SMBN含量、真菌、AOB amoA和nirK基因丰度呈显著正相关,与土壤pH和BG活性呈显著负相关。偏最小二乘路径模型分析(PLS-PM)表明,AOB amoA是调控土壤N_(2)O排放的主要功能菌群。【结论】麦秸、毛叶苕子单独添加以及二者混合添加均可促进土壤CO_(2)排放,减少CH_(4)吸收。相较于二者单独添加,混合添加可通过降低土壤AOB群落丰度等途径,实现N_(2)O减排和综合增温潜势下降,可作为青海高原旱地土壤温室气体减排的一项有效措施。

天津农田三种典型冬绿肥的施磷效应

绿肥是促进土壤培肥、增加作物产量和保障粮食安全的重要途径,对绿肥生长季施磷效应的研究有助于为华北旱地绿肥应用模式中磷肥的管理与调控提供理论依据。采用盆栽试验,对天津农田3种典型冬绿肥生育期施用不同用量磷肥(100%P、80%P、60%P、0P),研究其对绿肥作物生长、土壤性状、土壤健康和施磷效应的影响。结果表明,毛叶苕子和黑麦草在生育季施用60%P(P_(2)O_(5)54 kg/hm~2)、二月兰施用80%P(P_(2)O_(5)72 kg/hm~2)有利于绿肥生物量的形成和养分积累。二月兰在80%P处理的磷肥偏生产力较60%P和100%P处理分别显著提高了25.2%和43.1%,表观损失率显著降低了19.3%和17.4%。相较于80%P和100%P处理,毛叶苕子和黑麦草在60%P的磷肥偏生产力均有大幅提高,同时表观损失率显著降低。在60%施磷量下,毛叶苕子和黑麦草的土壤有机碳含量显著提高了12.9%和22.2%,全氮含量提高了20.2%和27.4%。毛叶苕子和黑麦草在60%P处理下的绿肥生长功能指数和土壤功能综合指数均高于其他处理,提高了土壤健康水平。综上,在天津农田常见的冬绿肥种植模式下,毛叶苕子和黑麦草在生长季施用60%磷肥,二月兰施用80%磷肥有利于提高绿肥产量和养分积累量,提高磷肥利用率和土壤健康水平。

稻草高茬-紫云英联合还田改善土壤肥力提高作物产量

研究旨在探讨稻草留高茬套种绿肥、稻草-绿肥联合还田下的生产及土壤肥力特征,为南方稻区综合利用稻草和绿肥提供理论及技术支撑。2012—2016年设置定位试验,研究高茬稻草-绿肥联合还田下的绿肥和水稻产量、土壤碳氮库活性及其他养分特征。试验包括5个处理:冬闲+稻草不还田(CK),冬闲+稻草全量还田(RS),冬种紫云英+稻草不还田(MV),冬种紫云英+稻草低茬全量还田(MV+LRS),冬种紫云英+稻草高茬全量还田(MV+HRS),各处理施用等量化肥。结果表明:稻草-绿肥联合还田提高绿肥产草量及其含氮量,与MV相比,分别增加了13.1%和6.8%(MV+LRS)、32.2%和5.2%(MV+HRS);增加水稻产量,以MV+HRS处理最高,4 a平均产量较RS、MV增加556.8和412.8 kg/hm2。2013和2015年,MV+HRS处理水稻产量高于MV+LRS。稻草-绿肥联合还田培肥地力效果明显,土壤有机质、全氮含量均比CK、RS和MV增加;且联合还田下有效养分提升更为全面。与稻草和绿肥单独应用相比,稻草-绿肥联合还田还能提升土壤微生物量氮及可溶性有机碳氮含量。可见,稻草-绿肥联合还田能够改善绿肥生长、提高水稻产量、提升土壤肥力;其中,高茬稻草与绿肥联合还田下的紫云英和水稻产量最高,土壤肥力也优于低茬处理,是综合利用稻草和绿肥资源的较好方式。

多年紫云英-双季稻下不同施肥水平对两类水稻土有机质及可溶性有机质的影响

【目的】综合评价中国南方不同水稻土多年冬种紫云英配施化肥的培肥效应。【方法】在湖南紫潮泥、江西黄泥田双季稻区设置了连续7年的田间定位试验,比较冬闲(CK)、紫云英(MV)、紫云英+40%化肥(MV+40F)、紫云英+60%化肥(MV+60F)、紫云英+80%化肥(MV+80F)、紫云英+全量100%化肥(MV+100F)、单施全量100%化肥(100F)共7个处理的稻田土壤有机质(OM)、可溶性有机质(DOM)含量及其光谱学特性。【结果】湖南紫潮泥土壤OM和可溶性有机碳(DOC)含量、DOM的荧光吸光强度明显高于江西黄泥田,可溶性有机氮(DON)含量、DOM的紫外-可见吸收峰值则相反。土壤OM在两地均表现为MV处理显著高于其他多数处理(黄泥田MV+100F处理除外);同100F相比,MV+100F处理降低了湖南紫潮泥、但增加了江西黄泥田的土壤有机质;而绿肥种植体系下随着配施化肥量的增加,绿肥对两类土壤OM的贡献降低。种植绿肥配施80%—100%化肥,土壤DOC含量较100F高(黄泥田MV+100F除外),但单种绿肥(MV)以及绿肥配施40%—60%化肥对两地土壤DOC影响不尽一致。单种植绿肥能够降低两类土壤DOC/SOC,其中,在江西黄泥田上显著低于100F处理;两类土壤上种植翻压绿肥,随着配施化肥量的增加,土壤DOC/SOC随之增加(黄泥田MV+100F除外),表明配施化肥量越高其活化土壤碳库的作用越强。种植绿肥较100F能够有效降低土壤DON含量(黄泥田MV+100F处理除外),且在湖南紫潮泥上更为显著。紫外-可见光谱分析发现,绿肥及绿肥配施40%—60%化肥下,两类土壤DOM的紫外-可见吸收峰值较100F低,且E250/E365值随配施化肥量的增加而降低,表明随着配施化肥量的增加,土壤DOM分子量增大,分子结构越稳定。荧光光谱分析发现,两类土壤可溶性有机质均以类富里酸为主;与100F相比,单种绿肥(MV)以及绿肥配施化肥(黄泥田配施40%—60%化肥)能够增加土壤DOM的荧光强度,降低DOM的腐殖化指数(HIX)。【结论】种植紫云英能有效促进稻田土壤有机质积累,配施化肥降低紫云英对土壤有机质积累的贡献。绿肥配施化肥能够提高土壤碳库活性,并且增加可溶性有机质的分子量及腐殖化程度,进一步解释了配施化肥降低紫云英对土壤碳库贡献。

紫云英季土壤固氮微生物对外源碳氮投入的响应

【目的】分析不同外源有机物料(稻草、葡萄糖)及氮素投入对紫云英季土壤固氮微生物的调控作用,为我国南方紫云英-水稻轮作体系中秸秆还田及化肥减施增效提供支持。【方法】采用盆栽试验,共设7个处理,即CK(对照,不添加有机物料和氮)、稻草等量添加并配施不同量氮素(分别表示为Rs、RsN1和RsN2,对应C/N比分别为66、25和13);等秸秆碳量添加葡萄糖并配施不同量氮素(即Glc、GlcN1、GlcN2)、调整C/N比与秸秆添加相应处理保持一致。采集紫云英快速生长期土壤样品,利用Illumina Miseq PE300高通量测序和绝对定量PCR技术分析固氮功能基因nifH及固氮微生物群落特征。【结果】单独添加外源秸秆或葡萄糖处理的土壤C/N与对照无明显差异,但增施氮肥后C/N比呈下降趋势,GlcN2处理土壤C/N显著低于对照;对于土壤速效养分,Rs和RsN1处理土壤NO3--N含量与CK类似,但RsN2处理明显增加了60%;而添加葡萄糖处理土壤NO3--N含量整体较高(增幅为35%-79%);稻草单独添加或与氮素配施对土壤速效磷含量无明显影响,添加葡萄糖处理则显著降低其含量,降幅为16%-24%,但不同氮水平之间无明显差异。不同处理土壤nifH基因拷贝数为80.4×106-140.5×106 g-1土,稻草和葡萄糖添加处理nifH基因拷贝数较CK呈增加趋势,而增施氮素后有所下降。外源碳、氮添加导致固氮微生物α-多样性较CK整体降低,但α-多样性对氮素的响应因碳源种类而异,即稻草添加后增加氮素供应(RsN1和RsN2)处理土壤固氮微生物物种数目和Chao 1指数较Rs显著降低,降低幅度分别为6%-11%和13%-15%,而添加葡萄糖后增施氮肥则对α-多样性有一定促进作用。PCoA结果显示土壤固氮微生物群落结构主要因碳源种类差异而聚集为不同组别,受氮水平供应的影响相对较小。属水平上不同物种对外源碳、氮添加的响应存在明显差异:慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)相对丰度最高,而外源碳、氮添加后较CK明显降低,且稻草添加处理的降低幅度(12.3%-19.7%)小于葡萄糖添加处理(31.6%-40.5%);第二优势菌属(地杆菌,Geobacter)对碳源添加的响应趋势与Bradyrhizobium相反,与CK相比,葡萄糖添加处理Geobacter相对丰度的增加幅度(170%-270%)明显大于秸秆添加处理(25.0%-54.6%)。同时,多元回归树、RDA及相关性分析表明土壤固氮微生物丰度、多样性和群落结构组成主要受土壤NO3--N和速效磷的影响较大。【结论】氮素供应对固氮微生物多样性和群落结构的调控作用受碳源种类(或秸秆和葡萄糖中碳源有效性差异)影响;同时,不同碳源添加后造成土壤速效磷含量的差异也可能是影响紫云英季土壤固氮微生物群落组成的重要环境因子。

多年冬种紫云英对两种典型双季稻田土壤肥力及硝化特征的影响

以湖南紫潮泥和江西黄泥田两种典型稻田下的绿肥定位试验为依托,分析了晚稻收获后两种土壤的养分性状、硝化强度、硝化势及氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的amoA基因丰度,探讨多年冬种紫云英对两类稻田土壤肥力、硝化作用及氨氧化微生物的影响。两地试验处理一致,包括:1)不施肥不种紫云英(CK);2)冬种紫云英不施化肥(GM);3)不种紫云英单施化肥(CF);4)冬种紫云英配施化肥(GM+CF)。结果表明,冬种紫云英可以改善两种典型稻田土壤pH,即提高江西酸性土壤pH、降低湖南碱性土壤pH;提高土壤全氮、有机质、无机氮和有效磷含量。两种典型水稻土的硝化能力不同,江西黄泥田的硝化强度及硝化势均明显低于湖南紫潮泥。在湖南紫潮泥中,各处理硝化强度在0.269~0.325μg/(g·h)之间,处理间差异不显著;硝化势在培养第5周达到10.25%,紫云英配施化肥在一定程度上抑制了紫潮泥的硝化作用。江西黄泥田中,各处理硝化强度在0.010~0.021μg/(g·h)之间,硝化势从培养第3周开始上升,在培养第5周达到5.41%;单独种植翻压紫云英相对于不施肥对照提高了土壤硝化强度及硝化势,与施用化肥处理效果相当,绿肥配施化肥对硝化作用的促进最强。AOA在紫潮泥和黄泥田中均占优势地位,紫潮泥中AOA-amoA基因丰度显著高于黄泥田,冬种紫云英对紫潮泥中AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度均无明显影响,而显著提高了黄泥田中AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度,与冬种紫云英对硝化强度和硝化势的影响一致。

青海箭筈豌豆根瘤菌的筛选及其共生体耐盐性研究

箭筈豌豆是我国传统肥饲兼用的豆科绿肥作物,有关箭筈豌豆根瘤菌的研究尚属空白。为获得抗逆性强的根瘤菌菌株,在青海主产区采集样本,经分离、鉴定得到61株箭筈豌豆根瘤菌。采用水培回接法,通过主成分分析筛选出5株对宿主结瘤生长促进作用较强的根瘤菌(J1-3-2、J2-6-2、J3-12-1、J4-3-3和J5-5-3)。对该5株根瘤菌进行了离体耐盐性评价,发现菌株J5-5-3最大耐盐极限值在0.9%左右,其他4菌株最大耐盐极限值均在1.2%左右,并且5菌株的耐盐特征呈3个明显不同类型:J3-12-1和J2-6-2耐盐性最强,菌株J1-3-2和J4-3-3居中,菌株J5-5-3最差。进一步采用盆栽方法评价了其中3株(每类型1株)根瘤菌-箭筈豌豆共生体的耐盐性,结果表明,在0.15%NaCl胁迫下接种根瘤菌J5-5-3植株结瘤数最多,在0.30%NaCl胁迫下3种接种处理无显著差异;在0.15%和0.30%NaCl胁迫下,接种J3-12-1共生体株高显著大于对照(P<0.05);在0.15%和0.30%NaCl胁迫下根瘤菌J3-12-1和J5-5-3可显著提高植株干重(P<0.05);J5-5-3在0.15%和0.30%NaCl胁迫下可显著提高植株含氮量并显著提高0.15%NaCl胁迫下的植株吸氮量(P<0.05);J3-12-1显著提高了0.15%NaCl胁迫下的植株吸氮量(P<0.05)。综合来看,J3-12-1和J5-5-3可以作为在盐胁迫下提高箭筈豌豆生物量和含氮量的预选菌株。

7份红萍种质资源生态化学计量特征比较及饲用价值评价

【目的】比较不同红萍种质资源在广西桂林的生态化学计量特征,评价其饲用价值,为红萍的养分管理和生产利用提供科学依据。【方法】在露天土壤水培养条件下,检测细绿萍(Azolla filiculoides Lam)、卡州萍(A.caroliniana Willd)、覆瓦状萍[A.imbricate(Roxb.) Nakais]、羽叶萍(A.pinnata R. Brown)、杂交萍(Hybrid Azolla)、回交萍2(Backcrossed Azolla. MH2)和回交萍3(Backcrossed Azolla. MH3)等7份红萍种质资源的养分含量和营养指标,分析其碳(C)、氮(N)、磷(P)和钾(K)的生态化学计量特征,并通过隶属函数法综合评价其饲用价值。【结果】覆瓦状萍的鲜生物量和繁殖系数最高,分别为1.69 kg/m^2和0.77 kg/d/小区;细绿萍、卡州萍、覆瓦状萍、杂交萍、回交萍2和回交萍3的N、P和K三要素总分达一级有机肥标准,羽叶萍的N、P和K三要素总分达二级有机肥标准;7份红萍种质的N/P(3.80~5.46)均较低,说明N是红萍生长的限制因子;各种质的饲用价值排序为杂交萍>卡州萍>细绿萍>回交萍3>回交萍2>覆瓦状萍>羽叶萍。【结论】在广西桂林地区露天土壤水培养条件下,N是红萍生长的限制因子;7份红萍种质资源作为绿肥均具有较高的潜在应用价值,其中覆瓦状萍的鲜生物量和繁殖系数最高,生长适应性最强,杂交萍的饲用价值最高,该2份种质资源更适宜在桂北地区的稻—萍—鱼/鸭农业生态模式中推广应用。

湘北双季稻区种植翻压紫云英的氮肥减施效应

【目的】评价双季稻区冬闲田种植翻压紫云英模式下减施不同量氮肥对水稻产量和土壤理化性状的影响,为湘北稻区双季稻减肥增效提供理论依据。【方法】定位试验始于2009年,设置不施肥(CK),常规施肥(N100),种植翻压紫云英配合早稻及晚稻均减施常规量氮肥的0%、20%、40%、60%(MvN100、MvN80、MvN60、MvN40),以及单独种植利用紫云英(Mv)处理,共7个处理。测定各处理水稻产量、氮磷钾吸收量、土壤理化性质及6种碳氮磷循环相关水解酶(α-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和碱性磷酸酶)活性。【结果】与N100处理相比,种植利用紫云英有明显的增产和节肥效果,其中,MvN100处理全年稻谷增产10.2%,MvN40处理全年稻谷不减产。在早稻季,种植利用紫云英条件下减施氮肥,在保证土壤全氮稳定的前提下显著提高了水稻地上部氮吸收量和利用效率。与N100比较,紫云英配合氮肥减施常规量的0~60%,水稻地上部氮吸收量显著增加16.6%~43.4%,同时氮肥利用率提高8.4%~37.8%。单独紫云英处理的早晚稻土壤碳、氮、磷循环相关水解酶活性最高,与N100处理相比,MvN80和MvN60处理下α-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶活性显著提高。相关性分析结果表明,土壤有效磷、速效钾含量与水稻产量显著相关,聚合增强树分析(ABT)进一步证实土壤有效磷对早晚稻产量贡献率最大,分别是30.4%和50.2%。【结论】连续10年的试验充分证明,在种植翻压紫云英条件下,早稻季减施常规量氮肥60%、晚稻季减施常规量氮肥40%,可提高水稻氮、磷、钾养分吸收量和土壤酶活性,可满足水稻正常生产。供试土壤丰富的有效磷和速效钾含量是减施氮肥确保水稻产量的重要因素。

河西绿洲灌区玉米间作绿肥根茬还田的氮肥减施效应

【目的】明确玉米与间作豆科绿肥根茬还田生产方式在河西绿洲灌区的氮肥减施效应。【方法】玉米间作豆科绿肥,绿肥(针叶豌豆和毛叶苕子)地上部乂割做饲草根部还田,定位试验位于甘肃河西绿洲,始于2011年,至本试验取样时已进行了10年。试验共设8个处理,包括无绿肥根茬还田条件下后茬玉米不施肥对照,施常规量氮肥(N 375 kg/hm^(2)),只有针叶豌豆、毛叶苕子根部还田,以及根部还田配合常规氮肥量的80%、90%。于2020年玉米收获后测产,并测定了玉米秸秆和籽粒氮、磷、钾养分含量,同时分析了0—20 cm土壤有机质、速效氮磷钾含量及土壤氮库(全氮、有机氮、无机氮、颗粒态有机氮、可溶性有机氮、土壤微生物量氮)。【结果】与常规施氮肥相比,根茬单独还田降低了玉米产量;绿肥根茬配施80%、90%常规量氮肥处理之间的玉米籽粒产量没有显著变化,其中针叶豌豆配合80%常规量氮肥还显著增加了玉米产量7.6%;玉米地上部氮磷钾累积量略有增加,而籽粒氮、磷、钾养分累积量分别增加了31.7%~56.4%、37.8%~60.0%、61.7%~96.8%;玉米氮肥农学效率、偏生产力、氮素吸收效率和氮肥表观利用率均显著增加,以针叶豌豆根茬配施80%常规量氮肥处理的增加幅度最高,增加值分别为43.6%、34.5%、107.9%、35.8个百分点(P<0.05)。采用改进的内梅罗指数法对土壤综合肥力进行评价,以针叶豌豆根茬还田配施80%常规量氮肥处理提升土壤肥力的效果最为显著,土壤综合肥力指数较常规施氮肥处理提升23.0%。偏最小二乘法路径模型和聚合增强树分析表明,施肥处理主要通过调节土壤氮贮量影响玉米产量,土壤全氮、无机氮对产量的贡献率较高,分别为36.5%、26.8%。【结论】绿肥根茬连续还田条件下,减少后茬玉米氮肥常规用量的20%可维持甚至提高玉米产量,大幅提升玉米的氮磷钾吸收量和氮肥表观利用率。根茬还田配合适量氮肥可以通过提升土壤氮库贮量提高土壤综合肥力。在河西走廊,玉米产量和环境效益俱佳的栽培管理方式是针叶豌豆根茬还田配合80%的常规氮肥用量,毛叶苕子根茬还田配合80%~90%的常规氮肥用量。

河西绿洲灌区间作绿肥及其不同利用方式对玉米产量及土壤肥力的提升效应

【目的】研究玉米间作不同绿肥及绿肥不同利用方式在河西绿洲灌区的生产效益。【方法】田间定位试验始于2009年,该试验为河西绿洲灌区的典型种植模式,至取样时试验已进行12年。与玉米间作的绿肥作物包括针叶豌豆、甜豌豆、草木樨,每种绿肥均采用压青与根茬还田两种方式,以玉米单作为对照(CK)。测定了玉米和绿肥生物量、产量构成因素及养分吸收累积量,同时取0—20 cm土样测定基础理化性质及土壤脲酶、碱性磷酸酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性。【结果】在2020年草木樨(压青,根茬还田)、针叶豌豆(压青)及甜豌豆(压青)处理均显著增加了玉米产量,与CK相比玉米产量分别提高了28.06%、16.74%、13.99%、9.86%,且以玉米间作草木樨处理间的玉米产量年际变异系数差值最小。草木樨压青处理具有明显的产量优势,与之间作的玉米株高、穗粗、穗长、穗粒数、地上部鲜重均显著高于CK。针叶豌豆压青和甜豌豆压青模式的土壤无机氮、速效钾含量分别较CK显著增加了15.39%~22.48%、9.61%~15.92%。针叶豌豆压青模式的土壤全氮和玉米籽粒氮累积量最高,较CK分别显著增加了12.70%和76.89%。针叶豌豆和甜豌豆压青模式有效提高了土壤酶活性,其中碱性磷酸酶活性较CK显著提升了13.46%~45.03%,甜豌豆压青处理的脲酶活性最高,较CK显著增加了19.75%。聚合增强树分析表明,土壤全氮、速效钾含量和脲酶活性对玉米产量的贡献值位列前3名,分别为41.08%、10.15%和12.24%。【结论】在河西绿洲灌区玉米绿肥间作体系下,草木樨压青或者根茬还田均可显著提高玉米产量,且压青还田的效果优于根茬还田。针叶豌豆和甜豌豆压青还田提升玉米产量的效果虽不如草木樨,但能不同程度地提高土壤酶活性及全氮和速效钾含量,培肥土壤。

西北小麦与豆科绿肥间作体系箭筈豌豆和毛叶苕子生物固氮效率及氮素转移特性

【目的】箭筈豌豆、毛叶苕子与春小麦间作是西北地区推广的新型种植制度。利用15N自然丰度法,研究小麦间作对该系统中豆科绿肥的生物固氮量及其向小麦的氮素转移量,以期为该系统养分管理提供科学依据。【方法】在青海西宁和甘肃武威两地分别进行盆栽试验,供试绿肥包括箭筈豌豆和毛叶苕子,设置小麦单作、绿肥单作、小麦||绿肥间作等共5个处理,所有处理不施用氮肥,利用15N自然丰度技术,分析箭筈豌豆、毛叶苕子的生物固氮量及其向小麦的氮素转移量,调查了不同种植模式下小麦和绿肥作物的生物量,分析了影响绿肥生物固氮的因素。【结果】与单作相比,间作处理明显降低两地小麦和豆科绿肥的地上部干物质量,但间作系统中地上部干物质量土地当量比均大于1。间作后,小麦和箭筈豌豆、毛叶苕子的氮素积累量显著下降(西宁小麦除外),但绿肥单作、小麦||绿肥间作模式下总氮素积累量均明显高于小麦单作。与单作相比,间作豆科绿肥的生物固氮效率无明显改变,但固氮量显著降低(武威毛叶苕子除外),其中,西宁、武威两地间作箭筈豌豆的生物固氮量(0.24、0.48 g/pot)较单作(0.88、0.78 g/pot)分别显著降低了82.1%和38.5%,西宁间作毛叶苕子的生物固氮量(0.38 g/pot)较单作(0.81 g/pot)显著降低了51.2%。西宁毛叶苕子的生物固氮效率和生物固氮量均显著高于武威;两地箭筈豌豆的生物固氮效率差异不大,间作下的生物固氮量在武威较高。间作条件下,两种豆科绿肥生物固定的氮素均可向小麦转移,西宁、武威两地箭筈豌豆氮素转移量分别为0.13、0.19 g/pot,分别占间作小麦吸氮量的31.6%和24.7%;毛叶苕子的氮素转移量分别为0.09、0.06 g/pot,分别占间作小麦吸氮量的23.8%和11.4%。路径分析结果表明,地上部干物质量是影响生物固氮量和氮素转移量的最主要因素。【结论】在不施氮肥条件下,间作小麦对豆科绿肥生物固氮效率无明显影响,但显著降低豆科绿肥的地上部生物量,进而降低总的生物固氮量。间作春小麦吸氮量的11.4%~31.6%来自于豆科绿肥,箭筈豌豆向小麦的氮素转移能力强于毛叶苕子。品种和生长环境都会影响豆科绿肥的总生物固氮量,因此,还需进一步研究与小麦间作的豆科绿肥的种类和品种,以提高间作绿肥对小麦的氮素转移效率。

豫南紫云英水稻轮作区减施不同比例氮肥对水稻养分吸收和转运的影响

【目的】研究水稻–紫云英轮作体系中,翻压紫云英并减施氮肥对不同生育期水稻养分吸收、转运特征,以及对土壤养分状况的影响,为豫南稻区紫云英–水稻轮作模式氮肥的科学管理提供理论依据。【方法】长期定位试验位于河南信阳,始于2008年。试验设置不施肥对照(CK)、常规施肥(N100),以及种植并翻压紫云英条件下,氮肥为常规处理用量的100%(GN100)、80%(GN80)、60%(GN60)、40%(GN40),共6个处理。测定了水稻产量、关键生育期生物量、氮磷钾养分吸收量、土壤基础养分含量,分析了水稻养分吸收及土壤养分供应对水稻产量的影响。【结果】与N100处理相比,GN40、GN60、GN80和GN100处理水稻产量无显著差异,GN40和GN60处理氮肥农学效率分别增加213.41%和113.70%,GN40、GN60和GN80处理氮肥偏生产力分别增加162.17%、75.69%、34.39%。与N100处理相比,GN100和GN80处理抽穗期秸秆生物量分别增加17.22%和41.06%,成熟期秸秆生物量分别增加28.22%和20.92%。与N100处理相比,GN60、GN80和GN100处理成熟期稻谷氮吸收量分别增加31.34%、31.79%和20.13%,GN60、GN80成熟期稻谷磷吸收量分别增加14.23%和14.61%,GN80处理成熟期稻谷钾吸收量增加10.64%。与N100处理相比,GN60处理氮转运量增加12.54 kg/hm^(2);GN40、GN60和GN80处理磷转运量分别显著增加11.32、23.02和18.09 kg/hm^(2),磷转运率分别增加35.92、41.22和39.91个百分点,磷对稻谷转运贡献率分别增加39.36、74.60和57.93个百分点。与N100处理相比,GN40、GN60、GN80和GN100能充分满足水稻生长过程中对土壤无机氮需求;GN60、GN80处理分蘖期、拔节期和抽穗期土壤有效磷含量显著降低;GN40、GN60、GN80和GN100处理分蘖期、抽穗期和成熟期土壤速效钾含量显著降低。随机森林分析结果表明各生育期土壤有效磷含量和水稻分蘖期氮、磷、钾吸收量对水稻产量形成有较大的贡献。线性回归分析表明,分蘖期和抽穗期土壤养分含量以及各生育期地上部氮、磷、钾吸收量与稻谷产量呈显著正相关。【结论】在我国豫南紫云英–水稻轮作区,翻压紫云英配合氮肥减施40%,能够培育土壤碳、氮库,满足土壤氮素供应,促进水稻对磷、钾养分的吸收和积累,增加籽粒氮、磷、钾养分转运量,提高氮肥农学效率和偏生产力,实现水稻增产稳产。

南方稻田紫云英作冬绿肥的增产节肥效应与机制

本文对我国南方稻田紫云英作冬绿肥以及紫云英与稻草共同利用的增产和节肥效应及其植物营养学、土壤微生物学等相关作用机制进行综述。2008—2019年间开展的11个联合定位试验结果(n=930)表明,冬种紫云英在不减肥或者减肥20%条件下增产效果显著,水稻产量增加幅度分别为6.53%和4.15%;在减施40%化肥时可保障水稻与常规施肥相比不减产。紫云英的增产和节肥效应随种植年限的增加而增强,5个联合定位试验连续7年的监测结果表明,冬种紫云英减施40%化肥条件下,紫云英种植第一年相对常规施肥增产0.87%,至种植第7年增幅为3.98%。紫云英与稻草联合利用是近些年稻区推行的重要技术模式,2016—2019年间开展的7个联合定位试验结果(n=342)表明,紫云英-稻草联合还田相对于单独稻草还田,水稻产量增加了11.71%。本文分别从优化水稻产量构成、促进水稻养分吸收、提升土壤肥力3方面阐释了紫云英作冬绿肥的增产、节肥机制。稻田冬种紫云英可增加水稻有效穗数和每穗实粒数,优化了产量构成。与常规施肥相比,紫云英配施减量化肥的水稻吸氮量增加了6.4%~6.9%,氮肥利用率提高了6.6%~31.1%。稻田种植紫云英使土壤碳、氮库得到培育,土壤活性有机碳含量和碳转化酶活性提高,土壤速效养分、土壤物理性状明显改善。以有机质和全氮为例,相比常规施肥处理,种植翻压紫云英后减施20%和40%化肥处理的土壤有机质含量分别增加3.95%和4.15%,土壤全氮含量分别增加1.22%和1.74%。在紫云英调控土壤微生物及氮转化机制方面,冬种绿肥有利于土壤微生物的生长繁殖,增强与微生物活性密切相关的土壤酶活性,并通过改变土壤微生物的群落结构及功能微生物影响土壤养分循环。紫云英配施减量化肥可提高土壤固氮菌丰度,通过合理的调控措施可优化紫云英的生物固氮作用。硝化作用对冬绿肥的响应在不同类型土壤中有较大差异,碱性水稻土中冬种绿肥可通过抑制硝化作用降低氮素淋失风险,氨氧化微生物群落结构的变化是冬绿肥影响硝化作用的重要机制。通过近十多年来的研究,逐渐明晰了我国南方稻田冬种紫云英的增产、节肥效应及其机制,为今后稻田绿肥的效应与机制研究提供了重要借鉴和参考。