长期不同施氮量下微生物残体氮对土壤氮库稳定性和玉米氮素吸收的影响

在农田生态系统中,化肥氮的施用是保障粮食高产稳产并维持土壤氮库稳定的重要管理措施,土壤微生物既是土壤氮素矿化的驱动者,也是土壤氮素固持的贡献者,在氮素保蓄和供应方面发挥着积极作用,直接影响作物的氮素吸收利用。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦-玉米轮作农田14年长期不同施氮水平定位试验,选取玉米季施氮量150 kg(N)·hm^(-2)(N150)、200 kg(N)·hm^(-2)(N200)和300 kg(N)·hm^(-2)(N300)3个典型处理,通过微区施用15N标记氮肥,在收获期测定玉米产量、地上部总吸氮量和肥料氮吸收量,分析0~20 cm土层土壤全氮(TN)、微生物残体氮[MRN,包括真菌残体氮(FRN)和细菌残体氮(BRN)]、固定态铵(FN)、矿质氮(NH_4^(+)-N+NO_(3)^(-)-N,MN)和其他有机氮(ON)含量及不同氮库对^(15)N的截获,并通过多元回归分析和路径分析建立各形态氮库与玉米氮素吸收的相关关系,研究土壤“老氮”和肥料“新氮”在土壤氮库中的分配及其对作物吸收利用的影响,为研究区氮肥高效利用和地力培肥提供理论支撑。结果表明,玉米产量和氮素吸收以及土壤TN含量均以N200最高,此施氮量有利于作物高产和土壤氮库培育。N300的肥料氮吸收和残留量高于N200,表明N300的土壤氮“激发效应”强于N200,会诱导土壤“老氮”的更多矿化和损失,其土壤TN库稳定性差、更新程度较大。总氮库中,MRN占主导,N200显著高于其他处理,对TN的贡献均在50%以上,且FRN主导了MRN的累积。N200的土壤FRN∶BRN比值显著高于N150和N300,表明适宜施氮可显著提升真菌在氮素积累中的贡献,提升土壤氮库的稳定性;施氮不足(N150)或过量施氮(N300)提升了细菌在氮素积累中的贡献,不利于稳定土壤氮库。N300的MN和FN含量显著高于其他处理,表明过量施肥更多提升的是活性氮库。由此可见,适宜施氮可优化土壤氮库分配,促进更多的氮进入微生物残体氮库,显著提高土壤微生物途径对氮的固持作用,促进土壤对氮素的保蓄与供应良性运行,保障了玉米氮素吸收与产量形成,为指导华北平原农田地力培肥与氮肥减施提供了科学依据。

程序性细胞死亡配体-1通过调节T细胞免疫在脊髓损伤小鼠模型中发挥神经保护作用

目的探究程序性细胞死亡配体-1(programmed cell death ligand 1,PD-L1)通过调节T细胞免疫以及PI3K/Akt/mTOR信号通路在脊髓损伤(SCI)小鼠模型中发挥保护作用。方法采用C57BL/6小鼠建立SCI模型,分为假手术组(Sham)、SCI组、SCI+PD-L1抗体组(SCI+Ab)和SCI+PD-L1蛋白组(SCI+PRO)。C57BL/6小鼠和PD-L1基因敲除小鼠进行SCI造模,分为假手术组(Sham WT)、PD-L1敲除假手术组(Sham PD-L1 KO)、SCI模型组(SCI WT)、PD-L1敲除SCI模型组(SCI PD-L1 KO)。应用Western blotting和qRT-PCR检测SCI后不同时间点脊髓组织中PD-L1的表达;通过Basso小鼠运动量表(BMS)评估小鼠运动功能;利用qRT-PCR和流式细胞术分析SCI后炎症因子水平和T细胞亚群的变化;Western blotting检测PI3K/Akt/mTOR信号通路活化情况。结果小鼠经SCI造模后脊髓组织中PD-L1表达上调,于第7天达峰值。与SCI PD-L1 KO组相比,SCI WT组的小鼠在SCI后7 d、14 d和28 d时BMS评分均显著升高(P<0.05),造模后第7天炎症因子IL-1α、IL-2、IFN-γ和TNF-α水平显著降低(P<0.05);与SCI+PBS组相比,SCI+PRO组Foxp3水平显著升高,Th1和Th17细胞水平显著降低,Th2和Treg细胞水平显著升高(P<0.05);与SCI PD-L1 KO组相比,SCI WT组小鼠PI3K/Akt/mTOR信号通路磷酸化程度显著升高(P<0.05);与SCI+PBS组和SCI+Ab组相比,SCI+PRO组PI3K/Akt/mTOR信号通路磷酸化程度显著降低(P<0.05)。结论PD-L1通过调节Th1、Th17、Th2和Treg细胞平衡,并抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路,从而减轻SCI后的炎症反应,发挥神经保护作用。PD-L1有望成为治疗SCI的新靶点。

miR-124-3p在β-地中海贫血中的差异表达及临床意义

目的探讨β-地中海贫血患者外周血miR-124-3p的差异表达情况及临床意义。方法收集2021年6月至2022年8月在宁德师范学院附属宁德市医院就诊的33例β-地中海贫血患者和30名健康对照的外周血标本,检测miR-124-3p的表达水平;采用荧光素酶报告基因验证miR-124-3p和ERF 3′UTR相互作用;分析miR-124-3p差异表达与β-地中海贫血的相关性及对β-地中海贫血的临床诊断价值。结果与健康对照组相比,β-地中海贫血患者miR-124-3p表达显著上调(P<0.001)。miR-124-3p高表达组基因型84.2%为β0型(16/19),低表达组基因型55.6%为β+型(10/18)。ROC曲线分析显示miR-124-3p对β-地中海贫血具有良好的预测效能(AUC:0.842);荧光素酶报告基因分析显示ERF为miR-124-3p的调控靶点。结论miR-124-3p在β-地中海贫血患者中的差异表达和地中海贫血基因型及严重程度密切相关,同时ERF受到miR-124-3p的负调控。miR-124-3p可能是β-地中海贫血有效的诊断生物标志分子。

BPIFC基因真核表达载体的构建

目的构建带有FLAG标签的BPIFC基因真核表达载体,建立稳定转染BPIFC基因的HaCaT细胞系。方法设计引物通过PCR扩增出BPIFC基因片段,利用DNA重组技术将该基因片段定向插入pcDNA3.1-flag-N真核表达载体中,并对重组质粒进行双酶切及DNA测序鉴定。验证正确的重组质粒通过PI Max线性转染的方法转染至HaCaT细胞,通过G418筛选建立BPIFC稳定转染的HaCaT细胞系,并通过RT-PCR法和Western-blot法分别测定BPIFC mRNA和蛋白的表达量。结果双酶切和DNA测序结果表明,pcDNA3.1-BPIFC真核表达质粒构建成功。RT-PCR结果表明,重组质粒的mRNA表达量高于空载转染组和空白对照组;Western-blot结果显示,BPIFC融合蛋白在HaCaT细胞中成功表达。结论成功建立BPIFC稳定转染的HaCaT细胞系,可表达带有FLAG亲和标签的BPIFC蛋白用于后续实验研究。

我国大气氨的排放特征、减排技术与政策建议

氨是大气中的碱性活性氮气体,其与酸性前体物反应形成的二次无机气溶胶是PM2.5的重要成分,影响着PM2.5重污染事件的发生.为响应我国在2017年开始实施的总理基金“农业排放状况及强化治理方案”研究目标和2018年《打赢蓝天保卫战三年行动计划》中提出的氨减排行动计划,开展了全国尤其是京津冀及周边地区农业氨减排工作,助力区域农业资源高效利用及大气污染治理.我国2018年氨排放为9.90×10^6 t,其中京津冀及周边地区“2+26”城市是我国氨排放强度较大的区域(2018年其氨排放量为1.41×10^6 t),这与观测到的大气氨浓度结果相吻合.农业排放是主要的大气氨来源,农业源中畜禽养殖业约占50%,种植业约占30%,但在对城市大气氨来源的解析中发现,贡献较大的是非农业源氨.通过模型模拟氨减排对大气污染物的影响发现,在减排40%的情景下,可削减华北地区大气中50%的硝酸根离子和15%~20%的PM2.5峰值浓度.在整合分析的农业氨减排技术清单中,优化氮肥投入总量是种植业控制氨排放的基础,结合氮肥深施,或通过有机肥、低挥发性氮肥和添加脲酶抑制剂的稳定性氮肥来替换普通氮肥可获得较好的控氨效果;养殖业方面,对猪、鸡、牛等主要畜禽养殖场以低蛋白日粮为基础,通过改善圈舍管理、优化粪尿处理处置、提升有机肥农田施入技术等可实现畜牧养殖的全链条氨减排.结合我国氨排放现状和减排潜力,提出了针对我国的氨减排目标,建议强化大气氨监测并结合溯源技术定量化氨来源,加强重点区域氨减排技术的推广和示范,为打赢蓝天保卫战提供科学理论和技术支撑.

耕作与秸秆还田方式对碳氮在土壤团聚体中分布的影响

华北平原是我国主要的粮食生产基地之一,小麦-玉米轮作是本区域主要种植模式。长期秸秆全量还田与土壤的浅旋耕造成了土壤耕层变浅、犁底层加厚、养分表聚等一系列土壤质量问题,已成为制约本区域粮食持续高产、稳产的障碍因素。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站转变耕作与秸秆还田方式定位试验,开展不同耕作措施和秸秆还田方式对土壤团聚体组成及其稳定性、有机碳氮在团聚体中分布影响的研究,为阐释不同农业管理措施下土壤碳氮的物理保护机制提供依据。试验设5个处理:无秸秆旋耕(对照1)、秸秆旋耕还田(对照2)、秸秆深翻耕还田、秸秆集中深混埋、秸秆集中深埋,后3个处理作为转变秸秆还田方式处理。研究结果表明,改变秸秆旋耕还田为深层还田可以显著提高粒径>0.25 mm团聚体含量;不同秸秆还田方式对>2 mm的大团聚体和0.25~2 mm的小团聚体的水稳性影响存在较大差异,秸秆深层还田主要增加10 cm以下土层土壤水稳性大团聚体(>2 mm)含量和表层水稳性小团聚体(0.25~2 mm)含量,大团聚体和小团聚体的水稳性消长受到了秸秆还田方式的影响。秸秆深层还田显著增加了亚耕层(20~40 cm)土壤团聚体稳定率,降低了其结构破碎率。秸秆深层还田措施使0~40 cm土层土壤有效融合,消除了耕层土壤养分表聚现象,显著增加了亚耕层土壤有机碳氮含量以及大团聚体对土壤有机碳氮的贡献率,>2 mm团聚体有机碳和氮贡献率在20~40 cm土层分别平均为42.2%~44.0%和32.8%~49.9%,分别比秸秆旋耕还田处理增加48.7%~54.9%和32.8%~101.8%。总之,秸秆深层还田有利于改善耕层土壤结构,促进土壤有效融合,消除土壤表聚现象。

华北平原农田温室气体排放与减排综述

华北平原作为典型的冬小麦-夏玉米轮作高水肥精细管理农田,高水高肥管理下其碳排放量高于秸秆还田的固碳量,其生态系统正在以每年77 g(C)×m^(-2)·a^(-1)的速度损失碳。华北平原农田>400 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)的过高氮素投入是造成其碳排放增加的主要原因,其土壤N2O排放强度在氮肥施入量为136 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)时最低,且在施氮量为317 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)时可获得最高作物产量。华北平原土壤中温室气体的产生和消耗主要发生在0~90 cm土壤剖面内,>90 cm土层主要作为土壤包气带中的缓冲层而存在。当前降低华北平原农田温室气体排放除了合理施肥和灌溉,还需要改变固有的农作制度,实行减免耕等保护性措施,并将减排和固碳同步进行。对华北平原温室气体净排放研究,今后需在以下几个方面加强:1)在地-气之间加强冠层尺度温室气体的原位连续在线监测研究,并将稳定性同位素技术应用到此研究中以达到追踪其来源和比例构成的目的。2)在土壤包气带中,利用稳定性同位素技术探索土壤空气中温室气体的来源比例,探索剖面土壤温室气体产生和消耗对土壤-大气界面温室气体排放的响应机制。3)将模型研究应用于土壤-大气连续体温室气体排放研究。

基于BP神经网络的农田大气氨浓度预测

农业源氨排放是大气氨最主要的来源,其中氮肥施用是最主要的农业氨排放源之一。预测大气氨浓度的变化,确定影响大气氨排放的因素,可为科学管理农田,减轻环境污染提供参考。本文利用BP神经网络分析农田大气氨浓度及与各气象因素的关系,以便清晰地了解农田大气氨浓度的变化规律,为研究农田大气氨提供一种新的思路与方法。首先选取2015年5—10月的农田大气氨浓度数据及气象监测数据,建立以气象因素(气压、气温、相对湿度、降水量、风速和日照时数)为输入变量,农田大气氨浓度作为输出变量的预测模型。其次采用主成分分析法筛选出对农田大气氨浓度影响较大的气象因素,分别为气温、相对湿度、降水量和风速,然后把筛选出的4个主要因素和原来的6个因素分别作为BP神经网络预测模型的输入变量,利用神经网络模型对农田大气氨浓度进行预测。结果显示,农田大气氨浓度的实际值为0.148 5 mg·m-3, 4个因素的预测值为0.159 4 mg·m-3,6个因素的预测值为0.173 2mg·m-3,预测误差分别为7.35%、16.65%,并且4个因素的预测相对误差为1.4%～27.0%,而6个因素的预测相对误差为1.1%～45.0%。预测的农田大气氨浓度在前5 d内变化较大,但随着时间的推移,农田大气氨浓度逐渐变小趋于平缓,且预测值与实际值的变化趋势基本相符。利用4个因素作为输入变量建立预测模型,预测得到的农田大气氨浓度值比6个因素作为输入变量得到的农田大气氨浓度值与实际值更吻合,相对误差值较小。可见,通过主成分分析法去除冗余因素后建立的神经网络模型更加有效,预测结果比筛选之前的预测效果更好,所建立的模型对甄选关键因素具有较好的适用性,并且神经网络预测模型对农田大气氨浓度的预测精度较高。本文构建的农田大气氨浓度预测模型可为农田大气氨浓度分析及相关研究提供方法和思路上的指导。

华北平原小麦-玉米轮作系统碳中和潜力及固碳措施

农业碳中和是将工业生产的二氧化碳(CO_(2))用于农业生产的有效手段。针对国家提出的CO_(2)排放于2030年前达到峰值(碳达峰), 2060年前实现碳中和目标,我们利用“静态箱-涡度相关-生物量监测法”明确了华北平原农业非能源碳平衡;同时结合农户抽样调查和农事活动碳排放系数明确了农业能源碳排放,进而计算出该区域农田的碳中和潜力。结果表明:小麦-玉米轮作农田净截存的有机碳量小麦季和玉米季分别为604 g(C)·m^(-2)和540 g(C)·m^(-2)。考虑农田生态系统的呼吸损耗,该区域小麦季和玉米季非能源碳净碳固存量分别为-359 g(C)·m^(-2)和-143 g(C)·m^(-2)。通过对农地投入中能源碳排放的研究发现,冬小麦季农药、化肥、农用机械消耗柴油及农地灌溉的碳排放分别为3.74 g(C)·m^(-2)、90.70 g(C)·m^(-2)、5.68 g(C)·m^(-2)和2.05 g(C)·m^(-2),玉米季分别为2.89 g(C)·m^(-2)、53.70 g(C)·m^(-2)、10.20 g(C)·m^(-2)和2.05 g(C)·m^(-2)。综合非能源(包括籽粒固碳)和能源碳观测,华北平原冬小麦季和夏玉米季均为碳汇,其强度分别为-257 g(C)·m^(-2)和-74 g(C)·m^(-2)。以华北平原典型集约高产粮区——河北栾城为例,其每年冬小麦和夏玉米农田的碳中和潜力分别为3.8×10^(10)g(C)和9.4×10^(9)g(C)。此外加强耕地管理,推广农业低碳化和发展富碳农业均可作为该区域有效的固碳措施。总之,本研究明确了华北平原小麦-玉米轮作农田的碳汇强度,估算了该农田系统在河北栾城的碳中和潜力,并提出了有效的固碳措施。

华北平原农田生态系统碳过程与环境效应研究

本文总结了25年来针对华北平原小麦-玉米两熟系统,农田的碳循环对气候变化(温度升高)和管理措施(氮肥施入、秸秆还田和耕作方式等)响应机制的研究成果。自2001年起我们在中国科学院栾城农业生态系统试验站建立了3个长期定位碳循环试验:耕作试验、有机循环试验和增温试验,并完善了4种农田碳过程监测方法体系:隔离罐-碱液吸收CO_2法、静态箱-气相色谱法、涡度相关技术和浓度梯度法。量化了华北平原小麦-玉米两熟系统碳输入-输出的平衡,并对华北平原施氮农田土壤碳截留进行了再评价,指出秸秆还田下高水高肥的精细管理农田正在以77 g(C)·m^(-2)·a^(-1)的速度丢失碳;此外长期氮施入虽然显著增加0~100 cm土体的土壤有机碳含量,但同时会造成0~60 cm土体土壤无机碳含量显著降低。我们在对碳过程环境效应的研究中进一步指出:增温和施氮均会降低CH4汇强度,但对土壤呼吸无显著影响,这可能主要是由于试验增温诱发的土壤干旱抵消了土壤温度的部分影响和土壤呼吸对土壤温度升高的适应性造成的。我们对剖面土壤气体的研究表明施氮对剖面CH4和CO_2均无显著影响。进一步将静态箱法和浓度梯度法相结合的研究结果表明0~40cm土层是北方旱地无氮农田土壤CO_2产生和CH4吸收的主要发生层。

长期添加外源有机物料对华北农田土壤团聚体有机碳组分的影响

土壤有机碳和团聚体对土壤肥力、作物产量、农业和环境发挥着重要作用,是土壤肥力的核心和可持续农业的基础。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站18年野外长期有机质物料和矿质肥料配施试验,开展不同施肥模式对土壤团聚体组成以及各组分有机碳在团聚体中分布影响的研究,为阐明不同农业管理措施下土壤有机碳的物理保护机制提供依据。试验共设6个处理:对照(CK)、单施秸秆(S)、单施有机粪肥(M)、单施化肥(NPK)、化肥配施秸秆(SNPK)和化肥配施有机粪肥(MNPK)。利用干筛法将全土筛分为大团聚体(>2 mm)、小团聚体(0.25~2 mm)和微团聚体(<0.25 mm)3种粒径团聚体,分别测定不同处理下全土及3种粒级团聚体中总有机碳(TOC)、可溶性有机碳(DOC)、酸解活性有机碳(AC)、惰性有机碳(ROC)和易氧化有机碳(LOC)含量。结果表明:施肥对土壤团聚体分布及稳定性有显著影响,SNPK显著提高了粒径>0.25 mm团聚体含量和团聚体稳定性;DOC和ROC含量与粒径>2 mm团聚体含量显著正相关,其对促进大团聚体形成至关重要。不同施肥处理下土壤团聚体各有机碳组分含量存在差异,与传统的单独施用化肥处理(NPK)相比,SNPK和MNPK均显著提高了全土和团聚体各组分有机碳含量,SNPK对土壤有机碳的提升效果优于MNPK。各有机碳组分在团聚体中的含量均为小团聚体>大团聚体>微团聚体,其中,70%以上的各组分有机碳来自于粒径>0.25 mm的团聚体。在施用化肥基础上增施有机肥(MNPK)和实施秸秆还田(SNPK)提高了LOC在TOC中的占比,使LOC/TOC由CK的11.94%分别增加到14.95%和15.70%。MNPK利于LOC保存在大团聚体中,提高了土壤供肥能力;而SNPK促进了LOC向较小粒径团聚体迁移,增强了其在团聚体中的稳定性,提高了土壤的保肥能力。由此可见,长期实施有机无机肥料配合可以提高土壤碳储量和稳定性,这为全面实施秸秆还田的基础上推行有机粪肥部分替代化肥的养分管理策略提供了理论依据。

长期添加外源有机物料对华北平原不同粒级土壤氮素和氨基糖的影响

华北平原是我国主要的粮食生产基地之一,农民为了追求高产,过量施用化肥的弊端日益凸显。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站有机养分循环再利用长期定位试验,开展不同外源有机物料对土壤氮素和氨基糖在不同粒级土壤库中分布的影响研究,为阐释不同农业管理措施下土壤氮素的物理保护机制和生物保护机制提供依据。定位试验设6个处理:无肥无秸秆处理(对照,CK)、单施猪圈肥(M)、单施化肥(NPK)、单施秸秆(SCK)、化肥配施猪圈肥(MNPK)和化肥配施秸秆(SNPK)。通过超声波分散-离心分离得到3种粒径土壤——砂粒级(2 000～53μm)、粉粒级(53～2μm)和黏粒级(<2μm),分析全土及各粒级土壤中全氮和3种土壤氨基糖(氨基葡萄糖、胞壁酸和氨基半乳糖)的含量及变化;基于这3种土壤氨基糖的稳定性和异源性,以氨基糖作为微生物残留物标识物,了解真菌和细菌残留物的积累和转化,阐释真菌和细菌在养分转化中的作用。结果表明:添加有机物料(秸秆、猪圈肥)明显提升了土壤全氮和氨基糖含量,粒级间土壤氮素和氨基糖含量顺序均为黏粒级>砂粒级>粉粒级。添加有机物料对砂粒级土壤氮素影响最大,长期化肥配施猪圈肥中氮素主要在砂粒级中富集,长期化肥配施秸秆的氮素主要在黏粒级中富集。添加秸秆主要提高了真菌来源的氨基葡萄糖的含量,而添加猪圈肥主要提高了土壤中细菌来源的胞壁酸含量,表明添加不同有机物料可影响土壤微生物的群落结构。从各粒级中氨基葡萄糖/胞壁酸的比值来看,添加不同类型外源有机物料对砂粒级土壤微生物群落结构影响最为明显。由此可见,在长期秸秆还田措施下实施有机粪肥部分替代化肥不仅可以减少化肥用量,还可提升土壤养分含量和微生物多样性,改善土壤质量。

生物有机肥配施化肥对生菜生长和土壤环境的影响

不合理施肥导致土壤退化和产出下降,废弃物处理则关系到环境和资源可持续发展。生物有机肥在植物促生和土壤培肥方面优势突出,有利于资源高效利用、减施化肥和蔬菜产业发展。本研究通过向中药渣有机肥中分别接种地衣芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌后发酵制备试验用生物有机肥,开展生菜温室盆栽试验,探究不同生物有机肥配施化肥对生菜生长和土壤环境的影响。设置6个处理,分别为3种生物有机肥替代80%化肥氮处理[地衣芽孢杆菌+中药渣有机肥+化肥(B1H)、解淀粉芽孢杆菌+中药渣有机肥+化肥(B2H)、巨大芽孢杆菌+中药渣有机肥+化肥(B4H)]、1种有机肥替代80%化肥氮处理[中药渣有机肥+化肥(H)]和单施化肥处理(CF)以及不施肥处理(CK)。测定和分析收获期生物量和品质等生菜生长指标以及理化性质和细菌多样性等土壤环境指标。结果发现:各施肥处理对生菜综合增产提质效果以及对土壤养分环境的综合改善效果排序均为B4H>B2H>B1H>H>CF>CK,与H相比,B4H的生菜地上部鲜重以及叶绿素、维生素C和可溶性糖含量分别提高10.69%、17.77%、47.54%和10.95%,硝酸盐含量降低52.00%,土壤有效磷(AP)、速效钾(AK)、微生物量碳(MBC)和水溶性有机碳(DOC)含量分别提高47.57%、10.98%、35.54%和16.10%,根际土细菌物种丰富度和多样性也分别提高7.68%和0.85%。土壤AP、AK和AN是生菜生长的主要影响因子,pH、AP和AK则是土壤细菌群落的主要调控因子,土壤中这些关键因子对优化施肥的响应间接调节了生菜生长和土壤环境。施肥有助于提高生菜根际土细菌Alpha多样性,较高的根际土细菌Alpha多样性对生菜生长表现出促进作用。总的来说,B4H对生菜生长和土壤环境的改善效果最佳,可通过大田试验对其促生培肥功效和环境效应作进一步探究。本研究为蔬菜和生物有机肥产业发展提供了新的理论支持,有利于绿色可持续发展战略实施。

长期不同养分循环再利用途径对农田土壤养分演替规律与培肥效果的影响研究

农业生态系统养分循环再利用对土壤养分涵养发挥着重要作用,是培肥地力的有效措施。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站始于2001年的农业经营制度长期定位试验,研究长期不同养分循环再利用途径对土壤养分演替规律与土壤固碳效应的影响,为制定地力培育和提升土壤固碳潜能的农业管理措施提供理论依据。选择定位试验的对照处理(CK,不施肥、秸秆不还田)、全部施用化肥(NPK)、化肥+80%地上产出物饲喂猪过腹还田(MNPK)和化肥+全部秸秆粉碎直接还田(SNPK)4个处理作为研究对象,监测土壤有机质、全氮、有效磷含量的动态变化以及土壤碳氮库组成。研究结果表明:实施养分循环再利用显著提高了土壤有机质、全氮和有效磷含量,各养分含量由高到低的顺序均为MNPK>SNPK>NPK>CK。经历18年的不同施肥措施后,与对照相比,MNPK处理0~20 cm土壤有机碳、全氮和有效磷储量分别增加9.21 t(C)∙hm^(−2)、1.01 t(N)∙hm^(−2)和144.87 t(P)∙hm^(−2),SNPK则分别增加4.51 t(C)∙hm^(−2)、0.56 t(N)∙hm^(−2)和24.68 t(P)∙hm^(−2),而NPK的变化依次为0.64 t(C)∙hm^(−2)、0.16 t(N)∙hm^(−2)和29.00 t(P)∙hm^(−2)。这表明秸秆过腹还田的培肥效果显著高于直接还田;秸秆直接还田对碳氮库扩容效果显著,但在秸秆直接还田的有效磷库建设效果甚微。本研究的施肥水平下,若仅施用化肥,则只能维系土壤有机碳氮库基本平衡,对磷库扩容效果显著。从各施肥方式对土壤有机碳组分的影响来看,MNPK和SNPK较NPK显著增加了土壤易氧化有机碳(LOC)和惰性有机碳(ROC)含量,同时也显著增加了活性有机碳在总有机碳中的占比,使(LOC+DOC)/TOC比值由NPK的9.2%分别增加到19.0%和16.3%。表明施用化肥基础上实施养分的循环再利用不仅促进了稳定性碳库积累,亦扩增了土壤活性碳库,对提高土壤的保肥和供肥能力起到了积极作用。从各施肥方式对土壤氮库组分的影响来看,MNPK较SNPK显著增加了硝态氮和铵态氮含量,提高了土壤供氮能力;而SNPK则显著提高了氨基糖态氮含量,表明秸秆直接还田较过腹还田更有利于微生物将速效性氮素固持到过渡库中,不仅降低了活性氮素向环境的输出风险,还提高了土壤对氮素的蓄供能力。鉴于养分过腹还田和秸秆直接还田的培肥效果存在互补作用,建议农业生产中推行秸秆还田基础上提倡有机粪肥替代部分化肥。

长期增温和施氮对华北平原农田土壤呼吸及其温度敏感性的影响

在全球气候变暖与氮沉降不断加剧的背景下,作为我国粮食主产区之一的华北平原农田土壤呼吸如何响应气候变暖和氮沉降增加成为亟待解决的问题。本文在华北平原冬小麦单作土壤布置了11年野外增温和施氮肥试验,包括对照(CK)、红外增温(W)、施氮肥(N)和红外增温+施氮肥(WN)4个处理,采用静态箱-气相色谱法测定了2018—2020年土壤呼吸速率及其温度敏感性。结果表明:2018—2020年,W和WN处理使5 cm深土壤温度平均提升约2°C,使土壤体积含水量下降2.4%。不同处理间土壤呼吸速率呈现明显的季节动态,冬小麦3—6月生长季平均土壤呼吸速率(329.06 mg∙m^(−2)∙h^(−1))显著高于11—3月休眠季(25.21 mg∙m^(−2)∙h^(−1))(P<0.05)。2018—2020年,与CK相比,W和WN处理分别使土壤呼吸速率提高16.8%和19.3%(P<0.05),而N处理未显著影响土壤呼吸速率。W和WN处理2018—2020全年土壤呼吸的温度敏感性(Q10)低于N和CK处理,即WN(1.65)<W(1.70)<N(1.78)<CK(1.80)。Q10存在明显季节性变化,休眠季高(平均2.93),生长季低(平均1.81)。本研究表明增温降低了Q10,且Q10存在明显的季节性差异,这有助于提升未来碳估算模型精度。

生物质炭对土壤N2O消耗的影响及其微生物影响机理

生物质炭在温室气体减排方面具有很大的发展前景,它不仅能实现固碳,对于在大气中停留时间长且增温潜势大的N2O也能发挥积极作用。本研究采用室内厌氧培养试验,按照生物质炭与土壤质量比(0、1%和5%)加入一定量生物质炭,土壤重量含水率控制在20%。利用Robotized Incubation平台实时检测N2O和N2浓度变化,通过测定土壤中反硝化功能基因丰度(nirK、nirS、nosZ)分析生物质炭对N2O消耗的影响及其微生物方面的影响机理。结果表明:经过20 h厌氧培养后,0生物质炭处理的反硝化功能基因丰度(基因拷贝数g^-1)分别为6.80×10^7(nirK)、5.59×10^8(nirS)和1.22×10^8(nosZ)。与0生物质炭处理相比,1%生物质炭处理的nirS基因丰度由最初的2.65×10^8基因拷贝数g^-1升至7.43×10^8基因拷贝数g^-1,nosZ基因丰度则提高了一个数量级,由4.82×10^7基因拷贝数g^-1升至1.50×10^8基因拷贝数g^-1,然而nirK基因丰度并无明显变化;5%生物质炭处理的反硝化功能基因丰度并未发生显著变化。试验结束时,添加生物质炭处理的N2/(N2O+N2)比值也明显高于0生物质炭处理。相关性分析结果表明,nirS基因丰度和nosZ基因丰度均与N2O浓度在0.01水平上显著相关。试验末期nirS基因丰度和nosZ基因丰度均随着N2O浓度的降低而升高。因此在本试验中,添加1%生物质炭可显著提高nirS和nosZ基因型反硝化细菌的丰度,增大N2/(N2O+N2)比值,促进N2O彻底还原成N2。生物质炭对于N2O主要影响机理是增大了可以还原氧化亚氮的细菌活性,促进完全反硝化。

华北平原氮肥周年深施对冬小麦-夏玉米轮作体系土壤氨挥发的影响

氮肥深施能有效减少土壤氨挥发,然而目前国内外关于小麦-玉米轮作体系氮肥深施缺乏周年系统性研究。本试验于2018年10月—2019年10月在中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦-玉米轮作农田进行,利用动态箱法研究不同深施模式氨挥发损失率、氨挥发特征,旨在探讨冬小麦-夏玉米轮作体系下土壤氨排放对氮肥深施的响应,为减少农业源氨排放和优化农田施肥提供理论依据。试验设置5个处理:不施肥(CK)、常规肥料表施(T1)、缓释肥表施(T2)、缓释肥基追肥分层深施(T3)、缓释肥一次性分层深施(T4)。结果表明:氨挥发主要发生在玉米追肥季,占全年氨挥发量的84.84%;T1、T2、T3和T4处理的周年氨挥发累积量分别为22.75 kg·hm−2、6.17 kg·hm−2、2.25 kg·hm−2和0.55 kg·hm−2,分别占总施肥量的4.86%、1.32%、0.48%和0.13%。与常规肥料表施(T1)相比,缓释肥处理(T2、T3和T4)分别降低72.88%、90.11%和97.32%的氨挥发损失;一次性深施处理(T4)能避开土壤氨高挥发期,周年氨挥发累积量与不施肥处理(0.43 kg·hm−2)没有显著差异,且显著低于表施处理。CK、T1、T2、T3和T4全年产量分别为8.31 t·hm−2、13.20 t·hm−2、12.66 t·hm−2、14.42 t·hm−2和14.22 t·hm−2;与常规肥料表施(T1)相比,缓释肥深施(T3和T4)均可提高作物产量,分别增产9.25%和7.75%。而缓释肥表施(T2)产量略有降低。综合考虑土壤氨排放和作物产量,缓释肥表施(T2)可以显著降低土壤氨挥发,但是作物产量不稳定;而氮肥深施(T3、T4)能在保证作物高产的基础上显著降低土壤氨排放,是一种高效、简便、环境友好的施肥方式。

耕作方式转变对冬小麦季农田温室气体排放和产量的影响

合理耕作方式对农业可持续生产和减缓全球气候变化有重要意义。为评价耕作方式转变对农田温室气体排放的影响,本研究针对连续16年的长期旋耕小麦/玉米农田进行不同的轮耕处理,采用原位静态箱-气相色谱法分析了小麦季农田土壤3种温室气体CH_4、CO_2、N_2O排放规律。试验共设3个处理:在前期旋耕基础上分别进行翻耕处理(XF)和深松处理(XS),另外保持旋耕(X)作为对照。试验结果表明:CO_2排放通量在耕作后1周有明显排放峰,XF处理显著低于X和XS处理;N_2O排放通量在耕作和灌溉施肥后有明显排放峰,XS处理显著高于XF和X处理;两种气体排放通量在越冬期出现最低值。CH_4从耕作后到越冬期有持续明显的吸收过程,其中XS处理的吸收通量显著高于XF和X处理。农田土壤在冬小麦生长季表现为CO_2的源,累积排放量为XS(5 241 kg·hm^(-2))>X(5 160 kg·hm^(-2))>XF(4 840 kg·hm^(-2)),XS与X处理间差异不显著,均显著高于XF;N_2O的源,累积排放量表现为XS(4.38 kg·hm^(-2))>XF(2.39 kg·hm^(-2))>X(2.26 kg·hm^(-2)),XS与XF处理间差异不显著,均显著高于X处理;CH_4的汇,累积吸收量为XS(6.14 kg·hm^(-2))>XF(5.64 kg·hm^(-2))>X(3.70 kg·hm^(-2))。将累积温室气体换算为CO_2当量,对增温效应的贡献表现为XF(5.32 t·hm^(-2))<X(5.66 t·hm^(-2))<XS(6.23 t·hm^(-2)),三者之间差异达显著水平。经翻耕处理后,0~10 cm土壤有机质含量明显低于X处理,而10~20 cm土壤有机质升高,表层有机质降低可能是翻耕处理CO_2的排放减少的主要原因。不同耕作处理后小麦产量差异明显,X处理冬小麦产量最高,且显著高于XS处理,XF处理与X和XS处理差异均不显著。综合考虑耕作方式对温室气体排放和冬小麦产量的影响,短期内旋耕-翻耕可能是较适宜的轮耕模式,旋耕深松模式不利于控制温室气体排放,但未来需要加强对不同轮耕模式长期效应研究。

增温施肥对农田土壤有机碳和全氮含量及δ^(13)C、δ^(15)N值的影响

农田土壤是重要的碳氮库,对气候变化极其敏感,但土壤碳氮循环对气候变化的响应目前还不清楚。在全球变暖背景下,为了实现我国碳达峰、碳中和目标,研究增温对土壤有机碳、全氮含量及其碳氮同位素的影响具有重要的现实意义。本研究采用红外辐射加热器模拟全球变暖,使5 cm土壤温度增加约2℃。通过测定灌溉前后土壤有机碳和全氮含量及δ^(13)C和δ^(15)N值的变化,研究增温、施氮和灌溉对华北平原小麦田土壤碳氮库的影响。试验共设4个处理:不施氮不增温(N0T0)、不施氮增温(N0T1)、施氮不增温(N1T0)和施氮增温(N1T1)。结果表明:灌溉前,增温降低了土壤有机碳含量,0~10 cm土层N1T1处理与不增温处理(N0T0和N1T0)之间差异显著(P<0.05),10~20 cm土层N1T1处理与其他处理差异均显著(P<0.05);灌溉后,增温虽有降低土壤有机碳含量的趋势,但差异不显著;施氮条件下,增温显著提升了δ^(13)C值(P<0.05)。增温降低了土壤全氮含量,并在灌溉前10~20 cm土层和灌溉后0~10 cm土层达显著水平(P<0.05);增温提升了土壤δ^(15)N值,灌溉前0~10 cm土层N0T0处理与增温处理(N0T1和N1T1)差异显著(P<0.05),灌溉后0~10 cm土层仅N0T1和N1T0处理间差异显著(P<0.05),而10~20 cm土层增温处理(N0T1和N1T1)均与N1T0处理差异显著(P<0.05)。同一处理同一时期,土壤有机碳和全氮的含量随土壤深度的增加而降低,δ^(13)C和δ^(15)N值随深度增加而升高,但土壤有机碳和δ^(13)C值的变化差异不显著,全氮含量和δ^(15)N值的变化差异显著(P<0.05)。土壤有机碳、全氮含量及δ^(13)C和δ^(15)N值在灌溉前后的差异均不显著。连续5年的增温施氮试验表明,未来气候变暖可能会加快土壤有机碳和全氮的分解,造成更多轻组有机碳损失。灌溉在短期内不会显著改变土壤碳氮含量及δ^(13)C和δ^(15)N值,但其长期影响还需进一步探究。此外,未来研究还应该重视多因素交互作用对土壤碳氮循环的影响。

生物炭对冬小麦土壤理化性质和产量的影响

为了探究不同水氮条件下生物炭施加量对华北平原冬小麦种植系统土壤理化性质和产量的影响,以山东省济南市长清区某灌溉试验中心站2019—2020年进行的田间试验为基础,在优化水氮和优化80%水氮条件下,设置生物炭施加量分别为0、20、40 t/hm^(2),测定土壤氮磷含量、容重和含水率以及冬小麦产量。结果表明:在2种水氮条件下,施加生物炭的土壤有效磷、铵态氮、硝态氮含量均有不同程度的增加,同时施加量为40、20 t/hm^(2)的土壤容重分别减小6.44%、5.69%,土壤含水率分别增加36.26%、39.66%和33.53%、35.78%;生物炭的施加可使冬小麦穗数及穗粒数增加,显著提高冬小麦产量。