水稻田间育秧水肥药变量喷灌装置设计与试验

为解决南方水稻工厂化田间育秧水肥药人工管理作业中存在的灌溉均匀性差、化肥和农药浪费以及劳动强度大等问题,该研究设计了一种水稻田间育秧水肥药变量喷灌装置,阐述了水肥药变量喷灌装置总体结构和工作原理,进行了关键部件设计与试验;以可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)为控制核心,构建了注肥量在线调控及整机变量喷灌控制系统。采用Box-Behnken试验设计方法,对装置喷灌均匀性与主要影响因素进行试验研究,应用单目标优化方法对喷灌关键参数进行优化,并通过验证试验,得到最优参数组合为:干管入口水压0.20 MPa、球阀开度90°、喷头喷角80°,此时装置的喷灌均匀性为92.69%;构建了氯化钾肥液质量浓度与电导率(electrical conductance,EC)值的线性模型,开展了装置变量灌溉施肥性能试验,3种喷灌等级下各作业区的肥液EC值分别为1.65、1.66和1.68 mS/cm,平均喷灌强度分别为900.85、1 092.04和1 263.67 mm/h,施肥均匀系数分别为85.21%、87.86%和91.62%。采用水肥药变量喷灌装置开展水稻育秧田间管理试验,华航51常规稻和广8优165杂交稻的秧苗长势均匀度均高于95%,成毯性良好,各项素质指标满足机插作业要求。所设计的水肥药变量喷灌装置能够满足水稻田间育秧水肥药变量喷灌作业要求,对提高水稻工厂化田间育秧机械化水平、保证秧苗质量具有实际应用价值。

生物降解地膜对崇明生态岛“两无化”水稻土壤环境的影响

在水稻机械插秧种植的条件下,研究覆膜种植技术中使用的生物降解地膜在世界级生态岛崇明岛“两无化”水稻田中的降解过程及其对土壤环境的影响。结果表明:除覆膜条件不同、其他农艺措施均一致的条件下,到水稻收获期,覆盖生物降解地膜区域的地膜在稻田中几乎完全消失,覆膜区域稻田土壤理化性质变化与不覆膜区域基本一致。与种植前相比,收获后覆膜区域水溶性盐总量无显著变化,不覆膜区域下降6.5%;覆膜区域与不覆膜区域有机质含量分别增加10.8%、3.2%,碱解氮含量分别增加11.0%、5.9%,有效磷含量分别增加11.8%、4.6%,速效钾含量分别下降15.9%、19.6%。覆膜区域与不覆膜区域土壤微生物数量较种植前均有所减少,与种植前相比,收获后细菌分别下降51.4%、57.3%,真菌分别下降52.8%、51.8%,放线菌分别下降45.7%、43.9%。研究表明,PBAT材料的生物降解地膜在崇明岛“两无化”稻田中降解性能良好,地膜在光、氧、温度、微生物等作用下发生了降解,覆膜更有利于土壤养分和细菌数量的保持,其应用于崇明岛“两无化”水稻生产具有可行性,对土壤环境影响不显著。

沼液替代化肥及与秸秆联用对稻田土壤反硝化和硝态氮氨化潜力的影响

为揭示沼液替代化学氮肥及与秸秆联用对土壤反硝化(Denitrification,Den)和硝态氮氨化(Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA)特征的影响,以江苏东台典型滨海稻田为对象,进行田间小区实验,设置单施化肥(C)、单施沼液(B)、沼液秸秆联用(BS)和化肥秸秆联用(CS)以及对照(CK)5个处理,借助15N同位素示踪技术研究水稻不同生育期各处理土壤Den和DNRA潜力的变化特征。结果表明:(1)整个水稻生育期内,沼液替代化肥可有效降低稻田土壤Den强度(1.48μg·kg^(-1)·h^(-1)),N2O总生成量减少27%,但沼液秸秆配施与化肥秸秆配施相比导致N2O生成总量显著增加70%。(2)从不同生育期看,成熟期N2O的调控显得尤为必要。沼液处理(B、BS)与化肥处理(C、CS)均在成熟期出现N2O产生高峰,平均占总产生量的70%~71%与75%~92%。沼液替代化肥有利于氮素在土壤的保存,分蘖期土壤DNRA潜力最高,并且B和BS处理DNRA潜力显著高于C和CS处理。(3)相关性分析发现,单施沼液或化肥处理Den潜力均与pH正相关,与C:N负相关,其中C:N的升高是沼液替代化肥(即B处理)Den强度降低的重要原因。配施秸秆,主导Den潜力变化的因子转变为 NO_(3)^(-)-N和 NH_(4)^(-)-N,且C︰N的降低导致Den强度增加。本研究明确了沼液替代化肥与秸秆还田对稻田土壤Den、DNRA过程的影响及其环境效应评估,并为滨海农田沼液施用模式的探索提供一定理论依据。

沼液替代化肥对稻田土壤节肢动物群落的影响

土壤节肢动物群落对施肥管理响应灵敏,是反映农田生态系统健康与稳定的重要指标。本文以江苏滩涂围垦稻田为例进行田间小区试验,研究沼液不同比例替代化肥(0、33%、66%和100%)对土壤节肢动物群落在0~20 cm土层分布及多样性的影响。结果表明:各施肥处理下稻田土壤节肢动物优势类群均为前气门亚目(Prostigmata)、弹尾纲(Collembola)和甲螨亚目(Oribatida),分别占总密度的45.44%、20.00%、13.38%。沼液替代化肥(即沼液与化肥配施)有利于提高土壤节肢动物密度、多样性指数和丰富度指数。当沼液替代化肥比例为66%时(施N总量为225 kg·hm^(–2)),土壤节肢动物密度、多样性指数和丰富度指数均显著高于纯化肥(沼液替代化肥比例为0)处理(P<0.05),分别较纯化肥增加129.25%、8.67%和34.78%。相关性分析表明,土壤有机碳和全氮是影响稻田土壤节肢动物密度的主要因子。

长期施用含硫含氯化肥稻田土壤化学性质的演变特征

【目的】探讨长期施用含硫和含氯化肥土壤化学性质的演变,为稻田土壤的合理施肥及持续利用提供理论依据。【方法】对持续33年施用含硫和含氯化肥的定位试验历年土壤样品化学性质进行系统测定,统计分析其变化特征。【结果】长期施用SO42-、Cl-+SO42-和Cl-肥料的土壤pH均表现下降趋势,施用SO42-肥料的土壤pH随年份极显著下降,年均下降0.028个pH单位。各处理(SO42-、Cl-+SO42-和Cl-处理)土壤有机质、全氮、全磷及Olsen-P含量都有增加趋势,SO42-、Cl-+SO42-和Cl-处理土壤有机质年均增加分别为0.31、0.17、0.15 g.kg-1,全氮年均增加分别为10.6、3.0、11.2 mg.kg-1,全磷年均增加分别为22.9、21.0、4.8 mg.kg-1,Olsen-P年均增加分别为1.42、1.14、0.58 mg.kg-1。各处理土壤全钾和交换性钾含量基本保持平衡,无明显增加或下降趋势。【结论】长期施用含硫化肥有利于土壤有机质和全磷积累,以及土壤有效磷活化。因此在南方红壤丘陵地区,应重视含硫肥料的施用并注意防止其酸化。

太湖地区稻田不同氮肥管理模式下氨挥发特征研究

以减少氨挥发带来的面源污染问题为目的,通过调整氮肥管理模式,设置农户常规施肥处理、化肥减量施肥处理、缓控释肥处理、有机无机肥配施处理、按需施肥处理以及无氮处理6个管理模式试验,研究太湖地区施氮量与氮肥品种对氨挥发损失的影响。结果表明：氨挥发损失受施氮量的显著影响,施氮量减少22%-44%可降低氨挥发损失20.2%-35.3%。常规化肥处理下,基肥期与分蘖肥期氨挥发损失较为严重。同一施氮水平下,有机肥化肥配施可显著降低氨挥发;缓控释肥可明显减少基肥期氨挥发量,但后期效果不明显。氮肥用量由当前农户施氮水平减少22%时,不会对作物氮累积量与产量造成影响,可见适当降低施氮水平并搭配有机肥,是具产量可持续性及环境友好性的氮肥管理模式。

不同耕作模式对稻田土壤理化性质及经济效益的影响

为研究不同耕作模式对土壤理化性状和作物经济效益的影响,对皖南地区4种典型耕作模式(单季稻种植、油稻轮作、麦稻轮作、烟稻轮作)的土壤和作物产量进行了研究。结果表明:与单季稻种植相比,轮作显著降低了土壤含水量;麦稻轮作和烟稻轮作土壤体积质量显著增加,孔隙度显著降低;麦稻轮作土壤有机质和碱解氮含量分别显著降低35.8%和47.8%;烟稻轮作土壤速效钾含量显著增加68.2%,速效磷含量提高109.5%。油稻轮作和烟稻轮作总产值比单季稻种植分别显著增加35.3%和155.5%。为解决轮作对土壤的不良影响,要注重增施有机肥和秸秆还田以改善土壤体积质量和孔隙度;麦稻轮作应重点解决土壤p H降低的问题;烟稻轮作要减少烟后晚稻的磷肥和钾肥施用量。总体而言,油稻轮作和烟稻轮作是皖南地区维护农田土壤肥力,促进农业可持续发展,实现农业增产增收的重要耕作模式。

红壤双季稻田不同施肥下的氨挥发损失及其影响因素

在红壤双季稻田上采用密闭气室法测定了施用等氮量化肥(尿素)、有机肥(猪粪)及化肥有机肥(有机氮无机氮各占一半)配施下氨挥发及其田间表面水NH4+-N含量、温度和pH动态变化,研究氨挥发损失及影响因素。结果表明,与施用尿素相比,单施有机肥及化肥有机肥配施显著降低了稻田氨挥发,施用尿素的早稻和晚稻氨挥发损失率分别达41.4%和39.9%,单施有机肥的分别为0.3%和0.9%,化肥有机肥配施的分别为19.6%和8.9%。施肥后,短期内田面水NH4+-N含量和pH均显著上升,其与氨挥发速率均呈显著正相关。

长期有机无机肥配施对稻田杂草生长动态的影响

利用中国农业科学院红壤实验站红壤稻田长期定位试验,于2011年研究了在以无机肥(化肥NPK)与有机肥(M)氮磷钾养分等量条件下,长期有机无机肥配施水稻生育期间杂草种类和生物量变化。结果表明:30a后,早稻和晚稻施肥处理中:PK+M处理下杂草种类最多,NPK+M处理下杂草种类和优势杂草种类较少,且种类数量稳定,早稻和晚稻杂草种类数量前者比后者分别高出19.7%和9.8%;施肥处理中:两季杂草总生物量NPK+M处理最高,NP+M处理最低,且NPK+M、NK+M、PK+M和CK处理比NP+M处理分别高出31.3%、26.5%、8.3%和5.6%,早稻NPK+M处理杂草总生物量和浮生杂草总生物量最多,NK+M处理湿生杂草总生物量最多,晚稻NK+M处理杂草总生物量和湿生杂草总生物量最多,NPK+M处理浮生杂草总生物量最多;土壤碱解氮和有效磷与杂草总生物量、湿生杂草总生物量、浮生杂草总生物量显著正相关(相关系数依次分别为0.508*和0.578**、0.552*和0.453*、0.410*和0.802**),p H值与三者显著负相关(相关系数依次分别为-0.516*、-0.531*和-0.698*)。土壤p H受土壤有效磷和碱解氮及其他因子的共同作用对杂草总生物量产生影响。通过施肥措施调节土壤适宜p H及碱解氮和有效磷含量,能有效调控农田中湿生和浮生杂草生长,使杂草种类和生物量在农业生产中达到有益平衡。

化肥有机肥配合施用下双季稻田氮素形态变化

为揭示有机无机肥配合施用下稻田氮素的动态及迁移特征,在湘南双季水稻农作区第四纪红土发育的红黄泥稻田上进行了连续6年田间试验。通过比较不施氮肥(PK)、施用有机肥猪粪(M)、化肥(NPK)及有机肥化肥配合(NPKM),研究稻田表层全氮、无机氮动态变化,不同层次(25—30、55—60、85—90 cm)土壤溶液无机氮动态,耕层土壤无机氮动态等。结果表明,NH4+-N是红壤双季稻田无机氮素存在的主要形态,施用化学肥料处理(NPK)施肥后1～3 d表面水NH4+-N浓度占全氮比例可达0.5～0.9,有机肥处理(M)为0.3左右。不同层次土壤溶液及其土壤氮素浓度呈现一致的特征,即施肥后短期内出现浓度峰值随后迅速下降,且随着往下推移,氮素峰值出现时间延长,表层水全氮及无机氮在施肥后1～2 d出现浓度高峰,耕层土壤及25—30 cm土壤溶液无机氮浓度高峰约在施肥后3～5 d。化肥有机肥配施有利于水稻稳产高产,年产量达12.2 t/hm2,比不施氮肥的对照产量(7.3 t/hm2)增加68%;土壤有机质6年提升18.5%,显著高于化肥。施用有机肥(M)及有机无机肥配合(NPKM)显著降低了稻田表层水全氮及不同层次土壤溶液和耕层土壤NH4+-N峰值浓度,提高水稻产量和培肥土壤,有利于减少当前氮肥过量施用带来的环境负荷。

长期施用化肥对我国南方水田表土有机碳含量的影响

利用meta分析研究水田土地利用方式下化肥对土壤有机碳含量的影响。结果显示:长期施用化肥处理的表层水稻土土壤有机碳含量较不施肥处理显著提高1.00±0.23 g kg-1,是不施肥处理的1.06倍±1.01倍。分析认为施肥处理下,较高的根系生物量导致较高的碳输入水平,另外相对充足的养分供应提高土壤固碳效率,这是施肥处理下土壤具有较高有机碳含量的两个原因。但不同轮作制度下,化肥对有机碳含量提升作用有差异:稻-稻-旱轮作制下化肥的作用不显著,而稻-旱轮作与稻-稻轮作制度下化肥对有机碳含量的提升作用显著。方差分析发现相同施肥措施下,稻-稻-旱轮作体系下土壤有机碳含量在三种轮作制度中最高,而稻-旱轮作与稻-稻轮作没有显著差异。尽管施用化肥能增加土壤有机碳含量,但评价施用化肥对温室效应的影响还需要综合考虑化肥生产、运输与施用过程中的温室气体排放三要素。

化肥氮素在水稻田中迁移与淋失的模拟研究

为了研究氮化肥施入农田对地表水和地下水的影响 ,在一种特殊的大型人工模拟土层和地下水装置中进行试验。研究结果表明 :即使尿素和生物矿质复混肥以中、低施肥量施入水田 ,也会造成地表淹水、耕层土壤和不同深度土层溶液有较高含量的有机 N和 N H3- N,并对地下水补给状况极差的地下水有明显的污染 ;水田中 N O- 3 - N很难长期存在 。

蚯蚓粪配施化肥对稻田土壤性状和酶活的影响

为降低化肥污染和改善稻田土壤肥力,试验施用不同剂量蚯蚓粪有机肥配施化肥,探究对种植水稻东北黑土土壤性状(碱解氮、全磷、速效磷和速效钾)和5种酶活(脱氢酶、磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶)的影响,筛选适合水稻生长有机肥用量。结果表明,8种施肥模式中,蚯蚓粪配施化肥处理土壤性状和酶活高于常规施肥对照组。经主成分分析,碱解氮、全磷、速效磷、脱氢酶和磷酸酶发挥主要作用,比较8种有机肥配施化肥土壤性状和酶活可知,化肥减量30%+蚯蚓粪(T3)处理效果最显著,与未施肥处理(CK)和常规化肥处理(CK0)相比,T3处理分别增产31.6%和71.8%(P<0.01),更利于促进水稻生长。

不同厚度生物降解地膜在崇明生态岛“两无化”稻田中的降解特性研究

2020年6—12月,在崇明生态岛“两无化”水稻种植基地进行大田实验,检测并分析了生物降解地膜的微观形貌、化学结构、相对分子量,探究不同厚度生物降解地膜的降解以及物理化学性质的变化。结果表明:随着覆膜时间延长,不同厚度的生物降解地膜表面均出现孔洞且数量逐渐增多;生物降解地膜中聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)可能发生了诺里什Ⅱ型反应,导致高分子材料分子链的断裂;生物降解地膜相对分子量均先增后减,地膜中高分子在稻田环境中发生了的断裂、重组、分解,形成分子量相对较小的降解物;覆膜135 d时厚度为0.0100、0.0090、0.0085 mm的生物降解地膜的数均分子量分别比初始下降了15.32%、28.54%、22.88%,重均分子量则分别下降了17.00%、21.73%、16.21%。

不等量翻压紫云英处理下黄泥田土壤磷组分的变化

黄泥田是我国南方主要的中低产水稻土类型之一,采用定位试验的方法,研究了单施化肥(NPK)、化肥+紫云英(12 000、24 000、36 000、48 000 kg·hm^-2)5个处理下土壤磷组分的变化。结果表明,与单施化肥相比,紫云英翻压与化肥配施的土壤有效磷增幅达10.23%~22.69%,全磷含量增加3.09%~13.31%,以化肥配施24 000 kg·hm^-2紫云英(NPK+MV2)增幅最为明显;其中,有机磷占总磷含量的36.52%~43.14%,无机磷占56.86%~63.48%;无机磷组分主要以Fe-P和O-P为主,不等量紫云英翻压与化肥配施土壤无机磷组分含量与NPK相比都有所增加,当翻压量小于NPK+MV2处理时,增加幅度均表现为显著水平,大于NPK+MV2处理时,则差异不显著;紫云英翻压与化肥配施处理水稻产量较NPK增产达12.51%~23.01%,以NPK+MV2处理增产最为明显,增产1 345.7 kg·hm^-2。表明在黄泥田中紫云英翻压配施化肥比单施化肥能提高土壤磷组分及其含量,水稻产量与土壤磷含量密切相关,以翻压紫云英24 000 kg·hm^-2与化肥配施为较适宜的施肥模式。

减施化肥下紫云英和秸秆还田对土壤养分及活性有机碳的影响

以湖北省武汉市紫云英、秸秆还田及不同化肥施用量的12个田间试验为基础,结合添加2%和4%紫云英的室内培养实验,研究紫云英种植还田(MV)、水稻秸秆还田(S)和化肥减施(40%~100%NPK)对水稻土表层土壤(0~20 cm)养分及活性有机碳的影响。结果表明:相比紫云英与秸秆不还田与不施肥的对照(CK)处理,紫云英、秸秆还田下施用40%~100%化肥均能有效提高土壤有机质、碱解氮、颗粒有机碳的含量,增幅分别为3.98%~46.49%、4.46%~35.88%、3.59%~35.77%;单独种植紫云英还田处理土壤的速效磷、速效钾含量降低,在配施秸秆、施用化肥后含量显著增加;土壤各养分含量在80%化肥施用量下最高。与不添加紫云英处理相比,添加2%和4%的紫云英处理均能有效提高土壤pH以及有机质、碱解氮、速效钾、颗粒有机碳的含量,增幅随着紫云英添加量的增加而升高。

牛粪-化肥配施对水稻氮素利用的影响

采用盆栽试验,在等氮量替代条件下,研究了经黑水虻处理后所得牛粪物料与化肥配施对水稻田面水氮素浓度、土壤氮素含量、水稻产量及水稻氮素利用率的影响。结果表明:与单施化肥的M1处理相比,50%牛粪物料配施50%化肥的M3处理效果最好,水稻籽粒产量、籽粒氮素累积量、氮肥利用率和土壤氮含量最高;牛粪物料配施化肥能降低田面水氮素浓度,其中M3处理田面水氮素浓度较M1处理下降了15.90%,差异显著。

牛粪化肥最优配比条件下不同轮作方式对稻田氮磷流失的影响

为探讨牛粪化肥最优配比条件下不同轮作方式对稻田氮磷流失的影响,通过田间小区试验设置Y-OL(70%化肥+30%牛粪-黑麦草-水稻)、Y-OV(70%化肥+30%牛粪-紫花苕-水稻)、Y-ON(70%化肥+30%牛粪-冬闲-水稻)3种轮作处理,以C-ON(100%化肥-冬闲-水稻)为对照,研究不同轮作模式下水稻产量及稻田田面水、下渗水、径流中的总氮(TN)和总磷(TP)浓度变化特征。结果表明:不同处理田面水TN浓度在施穗肥后第2 d达到峰值,TP浓度在施基肥第2 d达到峰值,且最高值均出现在Y-ON处理;C-ON和Y-ON处理下渗水TN浓度在施基肥第2 d出现峰值,Y-OL和Y-OV处理下渗水TN浓度在施穗肥后第2 d出现峰值,在整个水稻生育期Y-OV处理下渗水TP浓度整体低于其他处理;不同处理间稻田氮磷径流流失量无显著差异,稻田氮磷径流流失量与降雨量极显著相关,且降雨量最大时,各处理TN径流流失量占径流流失总量的70.24%^73.42%,TP径流流失量占径流流失总量的35.12%^42.42%;Y-OV、Y-OL、Y-ON处理TN总流失量与C-ON相比分别降低43.92%、25.21%、35.74%,Y-OL、Y-ON处理TP总流失量与C-ON相比分别显著上升66.67%、13.13%,Y-OV处理TP总流失量与C-ON无显著差异;Y-OV、Y-OL、Y-ON各处理水稻产量与C-ON相比无显著差异。研究表明,70%化肥+30%牛粪施肥条件下,紫花苕-水稻的轮作方式可保证水稻产量,有效降低下渗水和径流中氮素流失量且维持较低水平的磷素流失量,是一种有效减少氮磷面源污染、增加土地利用效率的种植模式。

稻田生态种养防控农田面源污染研究进展

水稻是我国重要的粮食作物,大量化肥、农药的使用使得粮食产量大幅提高。然而过量的化肥、农药随着渗漏和径流进入周边水体环境中,带来一系列地表水环境问题,严重威胁着我国粮食安全。防控农业面源已引起了国家的高度重视,工作重点逐渐转移到稻田可持续发展。稻田生态种养这种古老传统的农业方式因利用生态系统循环原理,减少化肥农业的投入再次受到人们重视。对目前稻-渔生态种养、稻-蛙生态种养以及稻-鸭生态种养防控面源污染等研究进展进行综述,以期为稻田耕作、农药化肥的合理使用提供理论支撑,为我国的粮食安全提供技术支持。

有机肥替代化肥氮对稻田田面水氮素浓度变化及产量的影响

在等氮量投入条件下,通过田间试验,探讨有机肥替代化肥氮比例对稻田田面水氮浓度变化及产量的影响。结果表明:各施肥处理水稻田面水氮素浓度变化趋势基本一致,均在1~2 d达到峰值,然后逐渐下降,施肥后1周内是防控氮素流失的关键时期;稻季3次施肥后,与单施化肥处理相比,有机肥替代化肥氮处理田面水全氮(TN)平均浓度分别降低了46.14%~71.01%、19.54%~50.53%和60.34%~80.12%,NH_(4)^(+)-N平均浓度分别降低了52.98%~73.37%、17.58%~54.53%和38.16%~86.15%;单季稻有机肥替代化肥氮比例为20%~40%,可维持水稻的增产稳产,同时可有效降低农业面源污染风险,减少环境污染负荷。