秸秆还田与氮肥运筹对农田土壤可溶性氮组分的影响

为探究秸秆还田配施氮肥对农田土壤可溶性氮转化特征的影响,研发东北冷凉区土壤氮素供应能力提高的秸秆还田技术,采用田间连续定位试验,对比分析了秸秆还田方式(不还田、粉碎翻压还田、堆腐旋耕还田)与氮肥运筹(N 180、210、240 kg/hm^(2);氮肥基施、氮肥后移)作用下农田土壤无机氮(IN)、可溶性有机氮(DON)及可溶性全氮(DTN)的动态变化。结果表明,秸秆还田配施氮肥影响农田土壤可溶性氮组分含量,其作用行为受秸秆还田方式、施氮模式和生育时期的多重制约。秸秆还田配施低量氮肥(N 180 kg/hm^(2))土壤IN和DTN均低于无秸秆处理,而配施高量氮肥(N 240 kg/hm^(2))时高于无秸秆处理;秸秆还田土壤DON于生育前期(播种-拔节期)较无秸秆处理显著增加,而在生育中后期无规律性变化。随着施氮量增加,秸秆还田土壤IN和DTN显著增加,而DON仅于春玉米旺盛生长期(拔节期-灌浆期)显著增加。随着生育期推进,除秸秆堆腐旋耕还田土壤DON呈三峰曲线变化外,秸秆还田土壤IN、DON和DTN均呈双峰曲线变化,且峰值越来越低。由此可见,在东北农业产区,N 210 kg/hm^(2)用量下秸秆粉碎翻压还田配施15%氮肥的秸秆还田技术具有优化氮素管理、提高土壤肥力的潜力。

秸秆还田与氮肥运筹对农田棕壤微生物生物量碳氮及酶活性的调控效应

如何有效运筹秸秆还田与氮肥施用,研发高效节氮秸秆还田技术,是目前东北地区农业生产中亟待解决的问题。基于田间定位试验,研究了不同秸秆还田方式(秸秆不还田、秸秆粉碎翻压还田、秸秆堆腐旋耕还田)与施氮水平(180、210、240 kg/hm^(2),以纯氮计)运筹对土壤微生物生物量碳、氮(MBC、MBN)和氮代谢关键酶活性的影响,结果表明:与秸秆不还田相比,秸秆还田处理土壤MBC、MBN含量及MBC/MBN比值和脲酶活性均显著增加,硝酸还原酶活性无规律性变化。随着生育期推进,秸秆还田处理土壤MBC和MBN含量分别呈现单峰和双峰曲线变化,脲酶和硝酸还原酶活性均呈波动式变化,高峰期均出现在春玉米旺盛生长期(拔节期至灌浆期)。随着施氮水平增加,秸秆还田处理土壤MBC、MBN含量均增加,MBC/MBN比值降低,而脲酶和硝酸还原酶活性变化行为因秸秆还田方式而异。在保证氮肥总量不变的前提下,秸秆粉碎翻压还田配以15%氮肥后移能够增加土壤MBC和MBN含量,降低MBC/MBN比值。综上,在东北农业产区,秸秆粉碎翻压还田+210kg/hm^(2)氮肥+15%氮肥后移的秸秆还田模式具有优化氮素管理、提高土壤肥力的潜力。

秸秆还田配施化肥对春玉米耕层土壤理化性质及产量的影响

通过连续3 a田间定位试验,研究了不同秸秆还田方式配施化肥对春玉米耕层土壤理化性质及产量的影响。结果表明:秸秆还田能显著提高各土层的田间持水量8.6%~18.0%,降低土壤紧实度6.3%~27.5%,且以秸秆深翻和深旋还田方式效果较好,同时这两种方式还能显著降低20~40 cm土层容重。连续秸秆还田后耕层土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量较无还田处理平均提高21.2%、8.6%、15.0%和17.2%。此外,在秸秆还田时配合适量氮肥施用更利于土壤养分的提高,其中秸秆深翻和秸秆深旋配施210 kg/hm^(2)氮肥和90~120 kg/hm^(2)钾肥可显著提升土壤养分状况,促进春玉米穗长、穗粗和百粒重的增加,进而提高春玉米产量,是辽宁棕壤区春玉米生产中比较理想的一种农艺措施,在农业发展中具有一定的应用和推广价值。

冻融对农田黑土可溶性氮库、氮转化过程及酶活性的影响

探讨非生长季土壤可溶性氮库、氮素转化过程及氮代谢关键酶活性如何响应冻融交替,对于支撑土壤肥力保持和农田养分管理具有重要意义。以农田黑土为研究对象,采用室内模拟培养试验分析冻融循环作用下土壤可溶性氮库组分[可溶性无机氮(NH_(4)^(+)-N+NO_(3)^(-)-N,DIN)、可溶性有机氮(DON)、可溶性全氮(DTN)]、净氮矿化速率(NNMR)、微生物量氮(MBN)和氮代谢关键酶活性的变化行为,阐明冻融循环对土壤可溶性氮转化过程的影响机制。冻融循环对农田黑土可溶性氮库、氮素转化过程、MBN及氮代谢关键酶活性影响显著(P<0.05)。随着循环次数增加,冻融土壤NH_(4)^(+)-N、NO_(3)^(-)-N、DIN和NNMR均显著降低,而DON、DTN和MBN均先升高后降低,在循环次数6时达到最大值,较对照土壤分别增加了4.65%、5.43%和18.38%。随着循环次数增加,冻融土壤蛋白酶活性显著增加,硝酸还原酶活性先增加后降低,以循环次数6的最大[1.19 NO_(2)^(-)-Nµg/(g·24 h)]。可见,适宜的冻融循环(1~6)能够显著促进非生长季农田黑土氮素转化,有利于土壤有效氮累积。

东北4种典型土壤粘粒矿物的初步表征

以黑土、白浆土、棕壤和褐土为研究对象,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)等方法对东北4种典型土壤的粘粒矿物进行了表征,结果显示,它们属于蒙脱石型图谱。4种土壤的主要矿物成分均为石英,但黑土和白浆土还有蒙脱石和高山石等成分,棕壤和褐土还有高山石和云母等成分。黑土、棕壤和褐土的粘土矿物颗粒均呈层状结构,表面具有十分明显的非均匀特性,其中黑土粘土矿物表面粗糙不平,而棕壤和褐土的粘土矿物表面比黑土要光滑;与此相反,白浆土的粘土矿物表面轮廓清晰、表面光滑,且有较多的空洞。分析结果表明土壤粘粒矿物的组成和特性可以利用土样的光谱特征进行分析和检验,得到的信息是准确有效的。

春玉米产量、氮素利用及矿质氮平衡对施氮的响应

通过在辽宁省昌图县的田间试验,研究了不同施氮水平(0、60、120、180、240和300 kg hm-2)对春玉米产量、氮素利用及农田矿质氮平衡的影响。结果表明:春玉米产量随施氮量增加而显著提高,当施氮量高于N 240 kg hm-2时,产量有减少趋势;氮素当季利用率随施氮量增加先增加后降低,在施氮量180 kg hm-2时达到最大,为27.95%。随着施氮量增加,氮肥农学利用率、氮素吸收效率和氮素偏生产力均显著降低,而氮肥生理利用率和氮肥表观残留率均先增加后降低,这与氮肥表观损失率的变化正好相反。作物吸氮量随施氮量增加而显著增加,氮盈余主要以土壤残留为主,表观损失在氮盈余中的比例虽小,但随着施氮量增加而明显增加。低量施氮(<180 kg hm-2)主要引起土壤矿质氮残留量的显著增加,而高量施氮(240 kg hm-2和300 kg hm-2)主要引起土壤氮素表观损失量的显著增加。在本试验条件下,合理施氮量应控制在180～209 kg hm-2左右。

春玉米土壤矿质氮累积及酶活性对施氮的响应

【目的】东北地区春玉米生产中过量施用氮肥的现象普遍存在,导致氮肥利用效率下降,氮素污染严重。有关施氮对东北春玉米土壤矿质氮累积特性影响的研究鲜有报道。本文利用春玉米土壤矿质氮累积量及氮代谢关键酶活性对施氮的响应行为,探寻春玉米的合理施氮量。【方法】采用田间试验和室内分析相结合的方法研究春玉米土壤矿质氮累积量及氮代谢关键酶活性对施氮的响应行为。设计6个施氮水平(N 0、60、120、180、240和300kg/hm2)。自播种开始,每隔15 d分层采集0—120 cm土样一次,共取样10次,进行相关指标的测定与计算。收获时,选择代表性的春玉米进行考种测产。【结果】春玉米产量随施氮量增加显著增加,当施氮量高于N 240 kg/hm2时,产量有减少的趋势。土壤中累积的矿质氮以硝态氮为主,其变化行为受施氮量和生育时期的双重制约。土壤硝态氮累积量随施氮量的增加和生育时期的推进均显著增加。受氮肥追施的影响,拔节大喇叭口期和抽雄期0—60 cm土层铵态氮累积量与苗期和成熟期相比显著增加;从苗期到抽雄期,0—60 cm土层的硝态氮累积量显著增加,而60 cm以下土层无规律性变化。除成熟期外,其他3个生育时期土壤硝态氮累积量均随施氮量的增加显著增加,而随着土层的加深呈降低趋势。与施氮量低的处理(无硝态氮累积峰)相比,N240和N300处理的硝态氮累积峰从拔节期的20—60 cm迁移到抽雄期的80—100 cm,说明过量施氮增加了硝态氮淋溶损失的风险,对环境形成一定的威胁。土壤脲酶和硝酸还原酶活性均随着施氮量的增加先增加后降低,均随着生育时期的推进呈波浪式变化,峰值出现在拔节期抽雄期,这与土壤中铵态氮和硝态氮累积量的变化趋势相一致。【结论】综合考虑春玉米产量性状、矿质氮累积量、氮代谢关键酶活性和经济效益,初步认为,在本试验条件下,春玉米的适宜施氮量在179 209 kg/hm2之间,且在生产上应用该施氮量可以实现氮肥用量降低、产量增加、氮肥效率提高及生态环境保护的协调一致。

施氮模式对春玉米养分累积特性的影响

通过田间试验,研究了施氮模式对春玉米养分累积特性的影响。结果表明,施氮明显提高了春玉米干物质和NPK的累积量及累积速度,这种影响均在拔节期以后更明显。随着生育期推进,春玉米干物质及NPK的累积量均增加,但增加幅度不同。干物质及NP累积量的增加幅度在大喇叭口期以前较小,大喇叭口期以后较大;K累积量的增加幅度则正好相反,大喇叭口期以前较大,大喇叭口期以后较小。表明生育前期是春玉米吸K的关键时期,生育中后期则是吸收NP和干物质累积的关键时期。不同施氮模式对春玉米干物质累积无明显影响,而对NPK的累积影响较复杂。相比其他施氮模式,N240二次追肥和N240一次深施施肥模式在春玉米NPK累积量、产投比、N肥农学效率和N肥利用率等方面均显示出一定的优势。结合玉米的生理需肥特性和肥料性质,初步认为磷钾肥作基肥,氮肥作基肥+拔节肥+大喇叭口肥和氮肥作基肥一次深施的施肥技术为东北地区春玉米生产的高效施肥技术。

冻融交替对农田棕壤氮素转化过程的调控效应

通过室内培养模拟试验,研究了农田棕壤可溶性氮(可溶性无机氮,DIN;可溶性有机氮,DON;可溶性全氮,DTN)含量、微生物生物量氮(MBN)含量和净氮矿化速率(NNMR)对不同冻融温度和冻融频数的响应。结果表明:冻结温度和冻融频数是影响农田棕壤氮素转化过程的主要因子。随着冻结温度降低,土壤NO3–-N、NH4+-N、DIN、DON、DTN和NNMR均显著增加,而MBN先降低后增加。随着冻融频数增加,土壤NO3–-N、NH4+-N、DIN和DTN均显著增加,这与NNMR的变化趋势正好相反;MBN则呈现降低–增加–降低的变化趋势,这与DON的变化正好相反。可见,冻融交替显著促进非生长季农田棕壤的氮素转化,增加土壤无机氮含量,提高土壤供氮能力。

春玉米产量、氮肥效率及土壤矿质氮对施氮的响应

为了提高氮肥增产效益,减少对环境的污染,通过田间试验研究了施氮量对春玉米产量、氮肥效率及土壤矿质氮的影响。结果表明,施氮量较低时,春玉米籽粒产量随施氮量增加显著增加,当施氮量高于180 kg·hm-2时,产量保持不变或有减少趋势。氮肥农学利用率、氮素吸收效率、氮素偏生产力和氮收获指数均随着施氮量增加显著降低,氮肥表观利用率和氮肥生理利用率均先增加后降低。从苗期到收获期,施氮处理0~60 cm土层硝态氮含量呈现"上升—下降—上升—下降—稳定"的变化趋势,而60~120 cm土层硝态氮在春玉米生长后期有增加的趋势。随着土层加深,土壤硝态氮含量呈波浪式下降,施氮量240 kg·hm-2和300 kg·hm-2处理在60~100 cm土层硝态氮含量均显著高于其他处理。随着施氮量增加,0~120 cm土层硝态氮累积量显著增加,当施氮量超过240kg·hm-2时,土层中累积的硝态氮存在着较大的淋溶风险。综合考虑产量、氮肥效率和环境效应,179~209 kg N·hm-2是本试验条件下春玉米的合理施氮量。

春玉米功能叶片生理特征及产量对施氮的响应

为了提高氮肥增产效益,减少环境污染,通过2年田间试验研究了不同施氮水平（0、60、120、180、240和300 kg·hm-2）对春玉米功能叶片生理特性及产量的影响。结果表明：春玉米功能叶片SPAD值、硝态氮（NO3--N）含量、硝酸还原酶活性（NRA）、谷氨酰胺合成酶活性（GSA）和籽粒产量均随着施氮量增加显著增加,当施氮量高于180 kg·hm-2时,各指标均有降低趋势。氮肥表观利用率和氮肥生理利用率均随着施氮量增加先增加后降低,在施氮量为180 kg·hm-2时达到最大,分别为30.0%和9.3 kg·kg-1N,这与氮肥农学利用率的变化趋势正好相反。春玉米功能叶片SPAD值、NO3--N含量、NRA和GSA随着生育期推进分别呈现＂快速上升-缓慢上升-下降＂、＂双峰＂、＂波浪型＂和＂波浪型＂的变化趋势,其峰值均出现在拔节期至孕穗期。综合考虑籽粒产量和功能叶片生理特征,179~209 kg·hm-2是本试验条件下春玉米的合理施氮量。

辽西石灰性褐土不同施氮模式下的土壤养分动态研究

从高效施肥的角度出发,研究了不同施氮模式下的辽西石灰性褐土土壤养分时空动态变化特征。结果表明,与对照相比,施氮明显提高0～20 cm土层碱解氮含量。随着土层加深,碱解氮和有效磷含量降低,速效钾含量变化较小。随着生育期推进,0～20 cm土层碱解氮、有效磷和速效钾含量总体呈先升高后降低的趋势,高峰出现在拔节期或大喇叭口期;20～40 cm土层碱解氮和有效磷含量保持稳定,速效钾含量呈降低-升高-降低趋势,高峰出现在大喇叭口-灌浆期内;40～60 cm土层碱解氮、有效磷和速效钾呈降低-升高-降低趋势,高峰分别出现在大喇叭口期和灌浆期。随着土层加深,土壤pH值升高。施氮降低了0～20 cm土层的pH值,而对20～40cm和40～60 cm土层的pH值无影响。随着生育期推进,0～20 cm土层的pH值呈现升高-降低-升高的趋势,20～40 cm和40～60 cm土层的pH值保持稳定。土壤养分动态变化特征因施氮模式而异。与其它施氮模式相比,二次追肥和一次深施的施氮模式能够在拔节期和大喇叭口期提供玉米较充足的有效养分,满足植株的生理需求。综合考虑土壤养分动态特性、产量性状、产投比、氮肥农学效率等因素,初步筛选出二次追肥和一次深施为辽西春玉米生产中的高效施氮模式。

脲酶抑制剂氢醌对土壤脲酶动力学行为的调控效应

研究了不同温度条件下脲酶抑制剂氢醌(HQ)对东北3种典型土壤(白浆土、棕壤、褐土)脲酶动力学参数的影响。结果表明,土壤类型、培养时间、培养温度及其相互作用均显著影响土壤脲酶动力学参数。与对照相比,加入HQ使土壤脲酶米氏常数(Km)增加,最大反应速率(Vmax)降低,表明HQ对土壤脲酶的作用机理属于混合型抑制。与白浆土相比,棕壤和褐土脲酶动力学参数受HQ的影响程度较大,表明高肥力土壤生物学活性较稳定。随着培养时间延长,土壤脲酶Km降低,Vmax和Vmax/Km增加。随着温度升高,土壤脲酶Km和Vmax增加,Vamx/Km无规律性变化。相关性分析表明,土壤脲酶动力学参数Km、Vmax和Vmax/Km与p H值、有机质、全氮、碱解氮和质地组成之间存在显著相关关系。

温度和脲酶抑制剂影响下的土壤脲酶动力学行为

为了揭示脲酶抑制剂对土壤脲酶动力学特性的影响,采用模拟试验方法,获得了HQ、PPD和NBPT在温度梯度(10℃、20℃、30℃)作用下的土壤脲酶动力学行为。结果表明,对照处理白浆土脲酶Km和Vmax大于褐土,而Vmax/Km小于褐土。随温度升高,土壤脲酶Km和Vmax增加,Vmax/Km先增加后降低。与对照相比,HQ、PPD和NBPT均使Km增加,Vmax降低,表明其作用机理均属于混合型抑制。与HQ相比,PPD和NBPT对动力学参数的影响强度较大,持续作用时间较长,表明PPD和NBPT更有效的抑制脲酶活性。统计分析显示,土壤脲酶Km、Vmax和Vmax/Km均土壤理化指标存在显著的相关性。

苯基磷酰二胺对土壤脲酶的抑制作用动力学研究

采用模拟试验方法研究苯基磷酰二胺(PPD)对东北4种主要土壤脲酶动力学特性的影响.结果显示,PPD对土壤脲酶动力学参数的作用程度受土壤肥力、培养时间、培养温度及其相互作用的显著影响.与对照相比,PPD使土壤脲酶Km增加,Vmax和Vmax/Km降低,表明PPD对土壤脲酶的作用机理为典型的竞争性抑制.随培养时间的延长,PPD处理的Km,Vmax和Vmax/Km呈增加趋势,表明PPD的抑制效果随时间而减弱.随培养温度升高,土壤脲酶Km和Vmax增加,而Vmax/Km无规律变化.黑土和白浆土脲酶Km和Vmax值比棕壤、褐土大,而Vmax/Km的变化不明显,说明土壤类型对脲酶动力学参数有显著影响.相关分析表明,土壤脲酶动力学参数Km,Vmax和Vmax/Km与土壤基本理化性质存在显著的相关关系.

N-丁基硫代磷酰三胺对淹水土壤脲酶动力学特征的影响

研究了淹水状态下脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)对东北4种典型土壤(黑土、白浆土、棕壤、褐土)脲酶动力学参数的影响。结果表明,NBPT对土壤脲酶动力学参数的作用程度受土壤类型、培养时间及其交互作用的显著影响。与对照相比,NBPT使土壤脲酶米氏常数(Km)增加,最大反应速率(Vmax)和Vmax/Km降低,表明NBPT对土壤脲酶的作用机理属于典型的混合型抑制。随培养时间延长,土壤脲酶Km降低,Vmax和Vmax/Km升高,表明NBPT对脲酶的抑制效力逐渐减弱。黑土、白浆土脲酶Km值小于棕壤和褐土,而Vmax则大于棕壤和褐土,表明土壤肥力水平能够影响土壤脲酶的动力学参数。相关分析表明,土壤脲酶Km与粘粒和粉粒含量呈显著正相关关系,与pH值呈显著负相关关系;而Vmax和Vmax/Km的相关性则正好与此相反。

抑制剂和温度影响的土壤脲酶热力学特征

通过模拟方法研究了脲酶抑制剂和温度影响下的土壤脲酶热力学特征。结果表明,HQ使活化能Ea、温度系数Q10和活化焓变ΔH略有降低,而PPD和NBPT则使它们略有增大。随温度升高,土壤脲酶热力学参数逐渐降低。相关分析表明,仅有活化能Ea与土壤肥力密切相关,表明应用热力学参数评价土壤肥力的高低还需要进一步的证实。

基于紫外吸收光谱的酚类衍生物含量检测研究

研究了水溶液条件下苯酚及其酚类衍生物的紫外吸收光谱。2位、3位和4位引入取代基可使酚类化合物的最大吸收波长λmax发生红移,摩尔消光系数εmax明显提高。不同取代位置对λmax和εmax的影响程度不同。与2位和3位相比,4位取代能使最大吸收波长λmax发生较大红移,摩尔消光系数εmax增加较大,这是因为4位取代基能与苯环形成更多共轭结构的缘故。对硝基酚的λmax和εmax的特性研究表明—NO2是酚类化合物较好的助色基。由此,建立了快速测定酚类化合物含量的紫外分光光度法,并选择测定了εmax>10000的四种酚类化合物在土壤中的吸附率。结果显示,酚类化合物在质地粘重的土壤中吸附率较大;高浓度的无机盐溶液能够提高酚类化合物在土壤中的吸附率。

农田黑土氮素转化特征对冻融作用的响应

为了深入了解非生长季农田黑土氮素转化过程,采用室内冻融模拟培养试验研究了不同冻融因子[冻融温度(冻结温度:-3、-6、-9、-12、-15℃;融化温度:2、5℃)、冻融循环次数(1、3、6、10、15;其中在-3℃冻结6 d、2℃融化1 d为1个冻融循环次数)、水分含量(10%、20%、30%)]对农田黑土无机氮组分含量及氮素转化速率的影响。结果表明,较大的冻融温差(-15℃/2~5℃)、适宜的冻融循环次数(1~3)和水分含量(20%~30%)是影响农田黑土氮素转化的主要驱动因子。冻融土壤铵态氮含量、硝态氮含量、净氮矿化速率和硝化速率均随着冻结温度降低显著增加,均随着融化温度升高无显著性变化。随着冻融循环次数增加,冻融土壤铵态氮含量、硝态氮含量、净氮矿化速率和硝化速率均显著降低。随着水分含量增加,冻融土壤铵态氮含量显著增加,这与硝态氮的变化趋势相反,而净氮矿化速率和硝化速率均无显著性变化。可见,冻融作用显著促进非生长季农田黑土氮素转化,有利于土壤有效氮的累积。

基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术

为了实现作物产量和氮肥效率的协同提高,通过三年田间试验,建立了基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术。结果表明,与传统的习惯施肥相比,应用氮肥实时监控技术推荐的氮肥用量大幅减少,每年节约氮肥约60 kg/hm2。由于氮肥供应与春玉米氮肥需求在时间和空间上的匹配,籽粒产量较习惯施肥增加了6.43%,氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力均显著提高。可见,本研究建立的氮肥实时监控技术是合理的,且在春玉米上应用该技术可以实现氮肥用量降低、产量增加、氮肥效率提高及生态环境保护的协调一致。