有机物料还田对冬小麦农田土壤温室气体排放影响的研究

探讨有机物料还田对冬小麦田温室气体排放特性的影响,对提高经济效应和环境效应有积极意义。本研究应用静态箱-气相色谱法对秸秆还田(J)、秸秆还田+牛粪(JF)和秸秆还田+菌渣(JZ)3种有机物料还田下分别施氮肥243kg(N)·hm^-2(减氮10%,N1)、216kg(N)·hm^-2(减氮20%,N2)对冬小麦农田N2O、CO2和CH4的排放通量进行监测,探讨了不同施肥措施对麦田温室气体累积排放量、增温潜势的影响。试验期间同步记录每项农事活动机械燃油量、施肥量和灌溉量,测定产量,地上部生物量,估算农田碳截留。结果表明,冬小麦农田土壤N2O和CO2是排放源,是CH4的吸收汇,氮肥施入、灌溉以及强降水促进了土壤N2O和CO2的生成,却弱化了CH4作为大气吸收汇的特征。牛粪+秸秆(JF)处理N2O和CO2排放总量最高,分别为3.5kg(N2O-N)·hm^-2和19689.67kg(CO2-C)·hm^-2,但CH4的吸收值最大,为5.33kg(CH4-C)·hm^-2,均显著高于菌渣+秸秆(JZ)和秸秆(J)处理(P<0.05);各处理N2O和CO2的总量随施氮量的增加呈升高趋势,CH4的总量随施氮量的增加而呈降低趋势。JFN2、JN2和JZN2处理农田综合增温潜势(GWP)均为负值,表明有机物料还田且减氮20%条件下农田生态系统为大气的碳汇,麦季净截留碳1038~2024kg·hm^-2,其他处理GWP值均为正。JZN2处理小麦产量为8061kg·hm^-2,显著高于JFN2处理(P<0.05)。综上所述,JZN2处理不仅能够保证小麦产量,且对环境效应最有利,为本区域冬小麦较优的施肥管理模式。

有机物料还田和减施氮肥对小麦氮素利用及经济效益的影响

为探讨长期有机物料还田和减施氮肥对小麦氮素利用效率及麦田经济效益的影响,本试验以常规单施氮肥处理为对照(CK),设置了秸秆还田(J)、秸秆还田+牛粪(JF)、秸秆还田+菌渣(JZ)3种有机物料还田措施,耦合减施氮肥10%(N1)、20%(N2)、30%(N3)3个施氮水平共10个处理。试验结果表明:有机物料还田处理可以使小麦增产1.90%~69.64%,各有机物料还田下小麦产量表现为JZ>JF>J>CK。JZ条件下N1水平的小麦产量最高,为10478.04 kg·hm-2;JF条件下N3水平的小麦产量最高,为8113.05 kg·hm-2;J条件下N2水平的小麦产量最高,为8138.14 kg·hm-2,分别较CK增加了69.64%、31.35%、31.76%。各有机物料还田下小麦的经济效益与去除环境成本后的净经济效益均表现为JZ>J>JF>CK,经济效益最高的JZNI、JN2、JFN3处理分别较CK增加了123.49%、59.35%、37.72%,净经济效益分别较CK增加了186.41%、96.35%、71.94%。综上所述,有机物料还田下减施氮肥可以显著增加小麦的氮素利用效率,提升小麦的产量,从而增加麦田的经济效益与净经济效益。

有机物料还田和减施氮肥对麦-玉周年农田碳氮水足迹及经济效益的影响

为研究不同有机物料还田与减施氮肥处理对农田碳氮水足迹及经济效益的影响,本试验以单施化肥处理(CK,纯氮270 kg·hm^-2)为对照,设置了秸秆(J)、秸秆+牛粪(JF)、秸秆+菌渣(JZ)3种有机物料还田方式,耦合减施氮肥10%(N1,243 kg·hm^-2)、20%(N2,216 kg·hm^-2)、30%(N3,189 kg·hm^-2)3个施氮水平,共计10个处理。结果表明:与单施化肥相比,有机物料还田与减施氮肥处理能够显著提高作物产量及农田经济效益,且JZN1、JN2和JFN3处理对农田经济效益的提高效果最显著;JN1、JN2、JFN2、JFN3和JZN3处理均可以有效增加农田的净碳值及碳效率,降低农田的生产氮足迹,增加其输出氮足迹,提高氮投入有效利用水平,同时降低农田水足迹。其中JFN3处理可以在保证农田经济效益的同时,显著提高其碳效率、降低生产氮足迹、提高氮投入有效利用水平、降低农田的水足迹。因此建议豫北地区采用秸秆+牛粪还田、配施纯氮189 kg·hm^-2的施肥方式。

离子交换纤维对麦田土壤铅污染的修复效果

为探讨土壤Pb污染的治理方法,通过盆栽试验,比较了离子交换纤维的两种不同放置方式(分层放置与混匀放置)对麦田土壤Pb污染的修复效果。结果表明,在土壤1000 mg·kg-1 Pb污染水平下,Pb污染处理(T1:Pb胁迫;T2:Pb+在土壤中分三层放置纤维;T3:Pb+在土壤中混匀剪碎的纤维)的土壤pH值、总有机碳含量较对照(CK:未添加Pb和离子交换纤维)有所降低。在小麦成熟期,T2、T3处理下土壤和植株各部位的Pb含量均低于T1处理,其中T3处理变化显著;T2、T3处理中纤维吸附的Pb含量则分别达到115.01和128.26 mg·kg-1。T2、T3处理的Pb富集系数低于T1处理及CK。由此说明,离子交换纤维能够有效吸附土壤中的Pb,降低Pb从土壤向植株的转运能力,且离子交换纤维混匀放置方式的修复效果较好。

基于等价产量的不同轮作模式作物资源利用效率研究

为了更好地利用华北平原南部的自然资源,充分发挥该区域光、温、水、土资源的优势,于2016年6月—2019年6月以玉米-小麦→玉米-小麦→玉米-小麦(T1)、大豆-小麦→大豆-小麦→玉米-小麦(T2)、花生-小麦→花生-小麦→玉米-小麦(T3)、甘薯-小麦→甘薯-小麦→玉米-小麦(T4)4种轮作模式为研究对象,以经济价值为考核依据,用等价代换法对不同作物产量进行等价转换,并运用相关分析和灰色关联分析法对这几种模式光、温、水、土资源利用效率及作物等价产量(EGY)进行分析。结果表明,T3模式的光能利用率(RUE)、积温生产效率(PEGDD)、水分利用效率(WUE)皆为最高,分别为0.78%、5.37 kg/(hm^2·℃)、28.05 kg/mm;T1模式仅次于T3模式,RUE、PEGDD、WUE分别为0.61%、4.82 kg/(hm^2·℃)、25.28 kg/mm。对作物EGY及自然资源的相关分析可知,EGY与PEGDD、WUE呈极显著正相关,与土地利用率(LUE)呈显著正相关;进而以EGY为母系列,自然资源利用率为子系列进行灰色关联度分析可知,各种资源利用效率关系为PEGDD>WUE>LUE>RUE。综上所述,积温生产效率与水分利用效率对产量的影响较大,而T3模式与T1模式的整体自然资源利用率较高。

华北平原两熟区不同夏播作物对土壤养分和小麦籽粒产量及品质的影响

两熟种植模式一直是华北平原的主要种植模式,冬季作物以小麦为主,夏季则以玉米、大豆、棉花和薯类等作物为主。为研究不同夏播前茬作物对后茬小麦产量和品质的影响,选用玉米(T1)、大豆(T2)、花生(T3)和甘薯(T4)四种夏播作物,在播种前和收获后检测田间土壤养分变化,以及后茬小麦的籽粒产量和品质。结果表明,大豆收获后,15~30cm土层土壤碱解氮和速效磷含量分别提高129.75%和43.93%,远高于其他前茬处理;花生收获后,15~30cm土层土壤碱解氮和速效磷含量与播前相比基本保持平衡;四种前茬处理下土壤速效钾和有机质含量均显著增加。玉米前茬和花生前茬处理下,小麦产量和籽粒中氮、磷、钾的积累量显著高于大豆前茬和甘薯前茬处理,小麦产量比甘薯前茬处理分别提高38.15%和31.13%。花生前茬能够有效提高后茬小麦籽粒干基蛋白、湿面筋含量和籽粒容重,大豆前茬能够提高后茬小麦籽粒的干基淀粉含量,甘薯前茬能够提高后茬小麦的出粉率。总的来看,选择花生做前茬,在保持后茬小麦产量较高的同时,能够提高小麦籽粒的品质性状。

不同茬口对小麦养分利用和产量的影响

为了探究不同茬口对小麦生产的影响,在测定玉米、大豆、花生、甘薯4种不同作物收获后土壤养分状况的基础上,对不同茬口下小麦植株养分吸收、利用和产量进行了研究。结果表明,与玉米茬相比,大豆茬的土壤速效磷含量降低,土壤速效氮和速效钾含量提高,花生茬的土壤速效氮和速效磷含量提高,甘薯茬的土壤速效氮和速效钾含量下降;大豆、花生和甘薯茬有利于小麦植株养分的积累,并能显著提高千粒重,但甘薯茬的小麦产量显著低于玉米茬。因此,大豆和花生可作为冬小麦种植区两熟复种模式的适宜前茬作物。

作物根系分泌物对小麦种子萌发及幼苗生长的影响

为了探讨不同前茬作物与小麦轮作的生化关系,以大豆、花生、玉米、甘薯为供试材料,以小麦为受体材料,研究了4种作物根系分泌物对小麦种子萌发、幼苗形态及生理指标的影响。结果表明,大豆、花生、玉米和甘薯根系分泌物对小麦种子萌发率、胚根长、株高、根长、叶绿素含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性均产生不同程度的影响,这4种作物根系分泌物对供试小麦的萌发率均表现出抑制作用,对小麦的胚根长、幼苗株高及根长则表现为低浓度促进、高浓度抑制的作用,且小麦幼苗的叶绿素含量整体上随着根系分泌物浓度的增加而降低。此外,小麦幼苗的POD、CAT活性总体上均随着根系分泌物浓度的增加而增加,大豆和甘薯根系分泌物处理下的MDA含量随着根系分泌物浓度的增加而降低。

不同两熟轮作模式下土壤-作物系统的Fe、Mn周年变化

为探讨微量元素在农业生产中的作用,研究不同轮作模式下土壤-作物系统内Fe、Mn含量变化,为基于轮作模式的土壤-作物系统中Fe、Mn养分管理提供理论依据和生产指导。采用根箱试验方法,设置了小麦-玉米(W-M)、小麦-大豆(W-B)、小麦-花生(W-P)和小麦-甘薯(W-S)4种轮作模式,使用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定不同处理土壤与作物体内Fe、Mn含量,计算作物地上部Fe、Mn累积量和成熟期Fe、Mn富集系数。结果表明,W-M、W-B模式下小麦和夏季作物地上部Fe、Mn含量均随生育时期的推进而逐渐增加,而W-P模式小麦地上部分Fe含量则逐渐递减;W-P模式夏季作物地上部分Fe、Mn累积量随生育时期的推进呈先增加后减少的趋势,W-S模式小麦地上部分Fe、Mn累积量均随生育时期的推进而逐渐增加,但是夏季作物地上部分Fe、Mn累积量均随生育时期的推进先增加后减少。在不同轮作模式下,土壤中Fe、Mn含量均逐渐减少;在0~20、20~50 cm土层深度,W-M模式在2018年10月Fe、Mn含量均最高,在50~80 cm土层深度,W-B、W-S模式在2018年10月Fe、Mn含量较高;不同作物在表层土壤中的Fe富集系数均小于Mn;小麦Fe、Mn富集系数均为W-S模式最高;夏季作物W-M模式Fe富集系数最高,W-B模式Mn富集系数最高。

减氮条件下有机物料还田对麦田酶活性及其土壤碳氮含量的影响

为了研究不同有机物料还田对麦田土壤酶活性与土壤养分的影响,通过田间试验比较单施氮肥(CK,施纯氮270kg/hm^2)、秸秆还田(J,较CK减氮20%)、秸秆还田+牛粪(JF,较CK减氮20%)、秸秆还田+菌渣(JZ,较CK减氮20%)4种不同培肥处理,对麦田0~60cm土层脲酶、蔗糖酶活性与土壤有机碳、全氮含量变化进行研究。结果表明,在小麦季0~20cm土层各处理在拔节期脲酶活性最大,20~40cm土层JF处理在拔节期和开花期脲酶活性最大;在0~20和20~40cm土层JF处理在拔节期蔗糖酶活性显著高于CK处理。除J处理外,其他处理在0~20cm土层拔节期有机碳含量最大,且有机碳含量均表现为JF处理最大,其次是JZ处理;在0~20cm土层各生育时期JF处理的全氮含量均最大,且显著高于CK处理。减氮条件下有机物料还田能有效提高土壤脲酶、蔗糖酶活性,有机碳和全氮含量,并且土壤脲酶活性、蔗糖酶活性与有机碳和全氮含量均呈极显著正相关关系。综上,在减施氮肥条件下有机物料还田可以提高土壤质量。

水分胁迫对不同耐旱性玉米土壤水分消耗、水分利用和产量的影响

以郑单958(耐旱性强)和驻玉309(耐旱性弱)为供试材料,通过池栽试验研究水分胁迫对两个玉米品种的吐丝前后土壤水消耗、水分利用和子粒产量的影响。正常供水下,两个品种吐丝前和吐丝后土壤水消耗量、生育期耗水量、水分利用效率和子粒产量均无显著差异。水分胁迫下,全生育期各土层(0.2~1.6 m)水分消耗量均为郑单958少于驻玉309,吐丝前和吐丝后郑单958土壤水消耗量分别比驻玉309少12 mm和21mm,且分别以0.2~0.4 m(吐丝前)和0.8~1.0 m(吐丝后)土层品种间差异最大。水分胁迫下,郑单958和驻玉309的生育期耗水量分别为454 mm和487 mm,子粒产量分别为8320 kg/hm^2和7290 kg/hm^2,表明水分胁迫条件下,耐旱品种郑单958以较少的水分消耗生产更多子粒,表现出较高的水分利用效率。