氮肥管理对^15N标记水稻秸秆氮吸收利用的影响

利用^15N同位素示踪技术,通过盆栽模拟试验揭示氮肥管理方式对水稻秸秆氮吸收利用的影响,设置基肥氮素在插秧前施入和基肥氮素与秸秆同时施入(调节C/N)两个处理,试验结果表明,秸秆中的氮素可以作为下茬作物生长的有效氮源;基肥氮素与秸秆同时施入(调节C/N)处理秸秆氮的利用率显著高于基肥氮素在插秧前施入,水稻从^15N秸秆标记物中摄取氮的比例(NdfS)明显低于土壤肥料中氮(NdfS+F);水稻地上植株对秸秆氮的综合利用率为6.51%~7.99%,其中,茎叶秸秆氮利用率为1.40%~1.75%,穗利用率为5.11%~5.25%。在秸秆还田的条件下,基肥氮素与秸秆同时施入,可以显著提高水稻对秸秆氮素的吸收能力。

不同施肥下根际沉积对秸秆碳氮在土壤剖面中固存的影响

【目的】秸秆还田是我国东北黑土地保护的重要措施。在实际的农业生产中秸秆与根际沉积同时存在,然而关于它们同时存在时秸秆碳氮在土壤中的固定特征仍不清楚。本研究旨在比较不同土层土壤有机碳(SOC)中秸秆碳(13C-SOC)和土壤全氮(TN)中秸秆氮(15N-TN)含量的差异,探讨不同施肥下根际沉积对秸秆碳氮在土壤中固存的影响,以期为东北黑土地的保护和利用提供依据。【方法】以沈阳农业大学长期定位试验站不同施肥处理(不施肥,CK;单施化肥,NP)为研究对象,分别仅添加13C15N双标记秸秆(S)和添加13C15N双标记秸秆结合根际沉积(以下简称“根际沉积”)(SR),即设CK+S、CK+SR、NP+S和NP+SR 4个处理。分别在田间原位试验的第50天和第150天采样,并测定不同土层SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值。【结果】在秸秆分解前期(第50天),施肥、根际沉积及其交互作用显著影响(P<0.05)表层(0—20 cm)土壤的13C-SOC和15N-TN含量。第50天,CK+SR与CK+S处理相比,表层土壤的13C-SOC和15N-TN含量分别增加了18.6%和21.7%(P<0.05);不同施肥下,S(CK+S和NP+S)与SR(CK+SR和NP+SR)处理表层土壤13C-SOC对SOC的贡献率平均分别为10.5%和12.0%;CK下两个处理(CK+S和CK+SR)与NP下对应的处理(NP+S和NP+SR)相比,表层土壤15N-TN对TN的贡献率平均增加了27.6%(P<0.05)。第50天,深层土壤(20—50 cm)13C-SOC对SOC的贡献率和15N-TN对TN的贡献率分别为1.0%—2.2%和0.5%—0.9%。在秸秆分解后期(第150天),根际沉积和施肥分别显著影响(P<0.05)表层土壤13C-SOC和15N-TN含量。第150天,仅添加秸秆处理与根际沉积处理相比,表层土壤13C-SOC含量增加了12.6%(P<0.05);CK下两个处理与NP下对应的处理相比,表层土壤15N-TN含量平均增加了22.0%(P<0.05);CK各处理和NP各处理表层土壤15N-TN对TN的贡献率平均分别为5.5%和4.0%。第150天,深层土壤13C-SOC对SOC的贡献率和15N-TN对TN的贡献率分别为0.8%—3.2%和0.7%—1.8%。【结论】秸秆分解后期根际沉积对表层土壤中秸秆碳的固定起负反馈效应,秸秆碳氮不断从表层土壤向深层土壤迁移和累积,其对土壤有机碳和氮库稳定性的影响应予以重视。

地膜覆盖与施肥对秸秆碳氮在土壤中固存的影响

【目的】作物秸秆不仅含有较高的有机碳,而且含有丰富的矿质营养元素。秸秆还田是东北黑土地区培肥土壤和农业可持续发展的重要技术措施。然而不同地膜覆盖(简称"覆膜")及施肥方式下秸秆碳(C)和氮(N)在土壤中的固持特征还不是很明确。本研究通过定量分析秸秆碳对土壤有机碳(SOC)和秸秆氮对土壤全氮(TN)的贡献,探讨不同覆膜和施肥条件下秸秆碳和氮在土壤中固定的差异,以期为土壤肥力提升和东北黑土地保护提供依据。【方法】基于覆膜与施肥的长期定位试验,选择覆膜和不覆膜(裸地)栽培条件下不施肥(CK)、单施氮肥(N4)和有机肥配施氮肥(M2N2)处理,在表层(0—20 cm)土壤添加13C15N双标记秸秆后在田间原位培养150 d,测定SOC含量及其δ13C值、TN含量及其δ15N值,分析SOC中秸秆来源C(13C-SOC)、TN中秸秆来源N(15N-TN)和土壤碳氮比随时间的动态变化特征。【结果】施肥、覆膜及其它们的交互作用显著影响(P<0.05)13C-SOC和15N-TN含量。整个培养期间,M2N2处理秸秆碳对SOC的贡献率(13C-SOC/SOC)和秸秆氮对TN贡献率(15N-TN/TN)平均分别为10.48%和3.18%;施肥(N4和M2N2)处理13C-SOC/SOC和秸秆碳残留率在覆膜方式下平均分别为12.65%和37.14%,不覆膜方式下分别为12.08%和34.50%。同一栽培方式培养第150天,N4处理13C-SOC/SOC和秸秆碳残留率平均分别为14.33%和39.40%,其他施肥处理平均分别为11.77%和33.21%;CK处理15N-TN/TN平均为4.56%,分别比N4和M2N2处理高26.00%和44.53%。培养第150天,秸秆氮残留率在覆膜和不覆膜条件下CK处理最高,平均为10.03%;不覆膜N4处理最低,为7.87%。无论覆膜与否,N4处理13M2N2C-SOC与15N-TN比值为32—39,其他施肥处理均<30。【结论】秸秆碳氮在土壤中的固存对覆膜与施肥的响应敏感。单施氮肥有利于秸秆碳在土壤中的积累和有机碳的更新,不施肥处理秸秆氮对土壤氮库的固定起正反馈效应,而有机肥配施氮肥土壤碳氮的更新相对滞后。

吉林省中部黑土区秸秆全量深翻还田条件下春玉米氮肥适宜用量研究

【目的】基于多年玉米秸秆全量深翻还田试验,探究吉林省中部黑土区春玉米氮肥适宜用量及群体氮素累积与分配特征。【方法】本试验于2017—2019年在吉林省公主岭市进行,为双因素田间试验。主因素为施氮水平,分别为0 (N0)、60 (N60)、120 (N120)、180 (N180)、240 (N240)、300 (N300)、360 (N360) kg/hm^(2);副因素为品种,分别为富民985 (Fumin 985)和翔玉211 (Xiangyu 211)。测定不同生育时期玉米各器官干物质积累量、吸氮量及产量构成。【结果】增施氮肥对玉米产量影响显著,年份、处理、品种对产量的影响具有明显的交互作用。N0处理的产量随着年限的增加而逐年递减,2018年和2019年相比于2017年产量分别降低10.9%和26.2%;各处理间差异也逐渐增大,2017年N180处理比N0处理产量增加23.2%,到2019年N180处理比N0处理产量增加55.1%;品种间比较,2017—2019年翔玉211产量均高于富民985产量,并且翔玉211适宜施氮量略高于富民985适宜施氮量。春玉米干物质积累量随着施氮水平的提高呈现先上升后降低的趋势,不同氮肥处理的茎、叶干物质积累量和氮积累量均于吐丝期至乳熟期达到最大值,成熟期N180处理的茎、叶、籽粒干物质积累量最高;不同施氮水平下,花后氮积累量分配比例呈现先升后降的趋势。不同施氮水平下,秸秆理论带入全氮养分量差异明显,且不同施氮水平的氮还田量随着秸秆还田年限的增加而逐渐上升,2017年,N300处理下氮还田量最高,为68.9 kg/hm^(2),较N0、N360处理分别增加155.0%、15.2%;2019年,N240处理下氮还田量最高,为109.9 kg/hm^(2),较N0、N360处理分别增加156.7%、33.4%。本研究以2017和2019年数据拟合方程,计算得出秸秆全量深翻还田后玉米最佳经济产量为13028 kg/hm^(2),适宜氮肥用量为162 kg/hm^(2)。【结论】在吉林中部黑土区,多年连续秸秆全量深翻还田条件下,虽然年际条件、品种对产量有显著影响,氮肥依然是玉米高产稳产的重要因素,适宜的氮肥用量有利于提高吐丝至乳熟期玉米的干物质积累。本试验条件下保持产量水平12~13 t/hm^(2)的氮肥适宜用量为160~165 kg/hm^(2)。

不同施肥处理黑土覆膜后秸秆碳氮在团聚体中的固存特征

地膜覆盖是提高作物产量的重要措施,理解覆膜条件下黑土团聚体中外源碳和氮的固存特征,为深刻认识地膜覆盖措施的可持续应用提供理论依据。选取长期定位试验站(29年)不施肥(CK)、单施化肥(NPK)和有机肥配施化肥(MNPK)3个典型施肥处理,表层土壤(0-20 cm)添加^(13)C^(15)N双标记玉米秸秆后设置裸地和覆膜的田间原位微区培养试验,探讨不同施肥处理结合覆膜黑土团聚体中有机碳和全氮对秸秆来源碳和氮的响应。结果表明,与裸地相比,所有处理覆膜后微团聚体(<0.25 mm)中秸秆来源碳和氮的含量平均降低了26.49%和32.05%。覆膜MNPK与裸地处理相比大团聚体(>0.25 mm)中秸秆来源碳和氮的含量显著降低了35.58%和15.97%,但大团聚体中原土壤有机碳的含量提高了9.16%。在CK和NPK处理微团聚体中,秸秆来源碳占该粒级团聚体有机碳的比例表现为覆膜>裸地,而在MNPK处理各粒级团聚体中则表现为裸地>覆膜。无论覆膜与否,秸秆来源碳对团聚体有机碳和秸秆来源氮对团聚体全氮的贡献率受施肥处理的影响表现为CK>NPK>MNPK。且秸秆来源碳和氮占微团聚体中有机碳和全氮的比例大于大团聚体。总之,单施化肥处理结合覆膜促进了微团聚体中有机碳的更新;而有机肥配施化肥结合覆膜加快了各粒级团聚体中秸秆来源碳和氮的损失,也促进大团聚体中原土壤有机碳积累。

秸秆等氮量替代化肥对土壤水分和玉米干物质积累的影响

为了探究秸秆等氮量替代化肥的可行性及其对土壤水分和玉米干物质积累的影响,进行连续6年的大田试验,2020年是施肥第5年,2021年是施肥第6年,保持225 kg/hm~2的等氮量,设置5个施肥处理:CK(单施化肥,100%化肥氮)、S25(25%秸秆氮+75%化肥氮)、S50(50%秸秆氮+50%化肥氮)、S75(75%秸秆氮+25%化肥氮)、S100(100%秸秆氮),研究秸秆等氮量替代化肥对土壤贮水量、水分利用效率、土壤耗水量、土壤养分和玉米干物质积累量的影响。结果表明:(1)2020年试验中,在播种前和灌浆期,0—80 cm土层土壤贮水量为S50>S25>CK>S100>S75;在大喇叭口期和抽雄期为S50>S25>CK>S75>S100;在成熟期为S50>CK>S25>S100>S75;在2021年试验中,大喇叭口期,0—80 cm土层土壤贮水量为S25>S50>S100>CK>S75;在抽雄期,0—80 cm土层土壤贮水量为S25>S50>CK>S100>S75;(2)2020年和2021年试验中,在玉米生长的整个生育时期中,各处理组的0—200 cm各土层土壤贮水量随土层深度的变化趋势一致,并且S25和S50处理大于CK,而S75和S100处理小于CK;(3)2020年和2021年试验中,与CK相比各秸秆替代处理组的土壤耗水量和水分利用效率无显著差异,但2021年试验中S50的土壤耗水量显著大于S100,提高了5.00%;(4)2020年试验中,各秸秆替代处理组的土壤有机质和碱解氮含量较CK均无显著差异,S100处理土壤速效磷含量较CK显著降低50.75%;2021年试验中,与CK相比,S25、S50、S75、S100的土壤有机质含量分别显著增加27.40%,38.13%,36.30%,22.60%,S50的土壤碱解氮含量较CK增加27.74%,S25、S50、S75、S100处理土壤速效磷含量较CK分别显著降低31.48%,22.22%,30.56%,45.68%。(5)2020年试验中,在玉米各个生育时期中,秸秆替代化肥处理的玉米单株干物质积累量与CK相比均无显著差异,但2021年试验中,在玉米抽雄期、灌浆期和成熟期这3个生育时期,S50处理的玉米单株干物质积累量最多,与CK相比分别增加22.49%,34.06%,12.58%;在玉米灌浆期和成熟期这2个生育时期,S75处理的玉米单株干物质积累量,与CK相比分别增加22.39%,12.11%。大体上,玉米单株干物质积累量随秸秆替代化肥比例的增加先增加后减少。从保障土壤水分、养分和干物质积累量的角度考虑,S50是试验条件下最有潜力的秸秆等氮量替代化肥方式。

外源水稻根系和茎叶碳氮在稻田土壤中释放的特征

东北地区气候寒冷,稻田土壤休耕期长,多处于冻结状态;水稻生长期短,土壤温度高且季节性淹水。外源水稻秸秆碳氮在东北地区稻田土壤休耕期和水稻生长期不同水热条件下的释放特征尚不完全清楚。通过室外培养试验方法,利用双标记(^(13)C和^(15)N)水稻根系和茎叶示踪技术和稳定同位素质谱分析技术,研究水稻根系和茎叶在稻田土壤中的腐解率、有机碳(氮)释放率的动态变化特征。结果表明:水稻茎叶、根系于秋季添加稻田土壤后,经过寒冷漫长的土壤休耕期(11月至次年5月),S1(标记根系+不标记茎叶)和S2(不标记根系+标记茎叶)处理的秸秆腐解率分别达30.2%和34.5%,水稻根系和茎叶碳释放率分别达30.9%和38.2%,氮释放率分别达7.4%和35.0%。添加一年时,S1和S2处理的秸秆腐解率分别达66.5%和66.6%,水稻根系和茎叶碳释放率分别为63.7%和65.8%,氮释放率分别为28.6%和51.1%,水稻根系氮释放率显著低于水稻茎叶氮释放率(P<0.05)。本试验条件下,水稻根系和茎叶添加稻田土壤1年,水稻根系和茎叶的腐解率达65%左右,其碳释放与腐解几乎同步,但氮释放相对缓慢,水稻根系氮释放速度显著低于茎叶氮释放速度,温度升高明显促进了水稻根系和茎叶的腐解及其碳氮释放。

密度与地膜覆盖对旱塬幼龄果园中大豆综合生产力的影响

本研究从籽粒产量兼顾蛋白品质、生物固氮及氮素副产物——秸秆氮和秸秆的角度综合评估了密度与地膜覆盖及其配合对黄土旱塬幼龄苹果园中大豆生产力的影响,旨在确定大豆最优综合生产力下合适群体密度和地膜覆盖的管理措施。2018—2019年连续两年试验设置3种大豆种植密度(高密度:24×10^(4)株·hm^(–2);中密度:16×10^(4)株·hm^(–2);低密度:10×10^(4)株·hm^(–2))和两种覆盖方式(覆膜与不覆膜)的完全组合处理,调查了不同处理下大豆籽粒产量及蛋白质含量、生物固氮率、器官干物质量及氮素分配等指标。结果表明,密度是大豆籽粒产量和蛋白产量的主控因子,中密度和低密度下2指标表现相似,2种密度平均的籽粒产量和蛋白产量分别较高密度下显著增加23.8%和24.5%(P<0.05)。覆膜能够增加大豆籽粒蛋白质含量(3种密度平均增加9.6%),在与中、低密度配合下有利于根瘤固氮与地上协同互作,显著增加群体秸秆干物质量和秸秆吸氮量且不显著降低籽粒产量,从而提高对大豆干物质量、吸氮量和生物固氮量的贡献。与不覆膜相比,中、低密度下覆膜的秸秆干物质量分别增加1.76 t·hm^(–2)、1.81 t·hm^(–2),对各自大豆干物质量提高的贡献率为98%、102%;秸秆吸氮量分别增加39.50 kg·hm^(–2)、33.70 kg·hm^(–2),对各自大豆吸氮量提高的贡献率为79%、58%;秸秆中生物固氮量分别增加32.42 kg·hm^(–2)、25.41 kg·hm^(–2),对各自大豆生物固氮量提高的贡献率为67%、59%。最终,中密度覆膜实现了大豆籽粒产量3.55 t·hm^(–2)及蛋白产量1.27 t·hm^(–2)、生物固氮量256.80 kg·hm^(–2)、秸秆氮量134.87 kg·hm^(–2)和秸秆干物质量6.84 t·hm^(–2)各指标均较优的综合生产力,且相对不覆膜有较高的籽粒蛋白品质。在旱塬幼龄苹果园中,较高密度下覆膜既保证了大豆籽粒较多、较优产出,还可收获更多秸秆与秸秆氮,可为以节肥减排和稳产增产为目的的农田可持续集约化生产补充一定养分来源。

覆膜栽培与施肥对秸秆碳氮在土壤团聚体中固持特征的影响

【目的】土壤中秸秆碳氮的分解与固定受栽培方式(包括覆膜)和施肥的影响。关于不同覆膜与施肥下秸秆碳氮在团聚体中固持特征仍不很明确。【方法】将表层土壤(0-20 cm)与^(13)C^(15)N双标记秸秆混合后在田间进行原位培养150 d,分析土壤团聚体有机碳中秸秆来源碳(^(13)C-SOC)和氮中秸秆来源氮(^(15)N-TN)的含量。【结果】施肥、栽培方式及二者交互作用显著影响(P <0.05)> 0.25 mm团聚体中有机碳含量和<0.053 mm团聚体中有机碳和氮含量。不覆膜栽培下,与有机肥配施氮肥(M_(2)N_(2))处理和不施肥(CK)处理相比,单施氮肥(N_(4))处理使> 0.25 mm团聚体中^(13)CSOC含量分别增加了36.36%和20.69%。覆膜栽培下,N_(4)与其他处理(M2N2和CK)相比,各级团聚体中^(13)C-SOC含量增加了22.87%-53.37%。不覆膜CK与覆膜CK处理相比,0.25-0.053 mm和<0.053 mm团聚体中^(13)C-SOC含量增加了16.00%和46.15%(P <0.05)。不覆膜栽培下,CK和M2N2处理与N4处理相比,<0.053 mm团聚体^(15)N-TN含量分别增加了44.85%和28.60%。同一施肥处理,不覆膜栽培下秸秆来源碳氮对<0.053 mm团聚体中有机碳和氮的贡献率平均分别比覆膜栽培增加了55.06%和21.35%。秸秆碳氮在团聚体中的分配比例随团聚体粒径的增加而增加,其中秸秆碳和氮分配到> 0.25 mm团聚体比例平均分别为22.22%和42.14%。【结论】土壤添加秸秆后秸秆碳氮主要固定于> 0.25mm团聚体,且单施氮肥促进了秸秆碳在各级团聚体中固存,不覆膜有利于<0.053 mm团聚体中碳氮的更新。