泛种养结合视角下北京市养殖业土地承载力评估

种养结合是中国未来农业绿色发展的重要方向。其中,对畜禽粪污的土地承载力的准确估算是关键。针对北京市畜禽粪污消纳的土地没有充分利用及其氮磷需求取值不够准确的问题,该研究根据畜禽养殖数据计算了2018年北京畜禽养殖粪污产生量和氮磷养分资源量,以粮地、菜地、园地、部分林地、草地及未利用土地6种地类作为畜禽粪污的消纳场所,利用统计年鉴和ArcGIS估算了6种类型的土地资源量,根据文献综合分析了各地类单位面积的氮磷养分需求量,进而计算了北京市域内畜禽养殖业的土地承载力。结果表明:2018年北京市畜禽养殖总量为453.4万头猪当量,畜禽粪污产生总量为380.1万t,氮磷养分资源量分别为26118.2及5289.8 t。在有机肥全部替代化肥的情况下,仅以耕地(粮地、菜地)作为畜禽粪污的消纳场所,则全市种植业土地能够承载的最大养殖量为675.2万头猪当量;若以6种土地类型作为畜禽粪污的消纳场所,则为1089.1万头猪当量,是仅以耕地作为消纳场所的1.61倍。若有机肥50%替代化肥,仅以耕地为畜禽粪污消纳场所,土地承载力为337.6万头猪当量,则2018年的养殖规模已经超过耕地承载力。若以6种土地作为消纳场所,其土地承载力为544.5万头猪当量,与现养殖规模相比还有20.1%的养殖潜力。因此,在环境保护的前提下促进养殖业的发展,一是要扩大有机肥对化肥的替代比例,二是要将更多的可作为畜禽粪污消纳的土地类型加以充分利用。

华北小麦玉米轮作体系下土壤重金属污染研究进展

我国工业发展迅速,工业生产所产生的废气、废水、废渣的不达标排放以及交通运输和农业生产活动中各种农资的使用与污水灌溉等活动致使土壤中重金属含量明显增加。土壤中重金属通过食物链在人体内积累,对生态环境和人体健康造成严重威胁。华北地区粮食产量约占全国产量的1/3。调查分析华北地区农田小麦玉米轮作体系下土壤重金属来源及污染现状对农产品安全具有重要意义。该文综述了华北平原农田小麦玉米轮作体系下土壤重金属污染来源和污染现状,分析了重金属对农产品安全的影响,并对今后土壤重金属污染的防治研究进行了展望。

集约农田管理措施对桓台县域土壤有机碳储量的影响

优化农田管理措施,在增加土壤肥力、确保粮食高产稳产的同时,也可以提升农田土壤有机碳(SOC)储量。本研究以华北第一吨粮县山东桓台县的集约化农田为对象,分析化肥、有机肥和秸秆还田等农田管理措施对全县土壤有机碳库的影响。研究分别在点位和区域尺度对生物地球化学模型DNDC进行了校验;进而设置未来5种农田管理情景,以2011年为基准年,对未来30 a桓台县农田耕层土壤(0~20 cm)的SOC变化进行了模拟预测。预测结果显示,在保持2011年农田管理措施不变情景下[化肥氮500 kg(N)∙hm^(−2)、秸秆还田比例90%],10 a、20 a和30 a后SOC含量分别增加28.1%、39.2%和44.9%,说明在当前气候条件下,以桓台县为代表的华北农田秸秆还田对增加土壤有机质仍有较大空间;另一方面,秸秆还田下土壤有机质不是线性增加,即呈现出土壤有机质的饱和趋势。在5种农田管理情景中,年均400 kg(N)∙hm^(−2)的氮肥施用量、90%的秸秆还田比例和40 kg(N)∙hm^(−2)的有机肥施用量情景,能够最大程度地提高农田耕层SOC含量,30 a后可达16.2 g∙kg^(−1)。研究结果可为评价华北平原农田土壤有机碳库的变化提供科学依据,并为农田管理措施优化及相应政策的制定提供参考。

华北地区夏玉米生产中农田氮淋失的定量预测

华北地区是我国冬小麦和夏玉米主产区,过去40多年间,随着大水漫灌和过量施肥等现象发生,该地区农田氮淋失呈现加重趋势,已经对地下水水质产生了严重影响。为探明华北地区面源污染的成因,进而提出相应阻控措施,本研究收集了1980—2021年国内外发表的华北地区夏玉米氮淋失研究文献,选取环境条件和农田管理措施作为自变量,基于线性模型、指数模型、多项式模型和多元回归模型等对氮淋失量进行模拟预测。结果表明,氮淋失与水分和肥料氮之间存在较大关联性,与土壤全氮、有机质含量和黏粒含量呈正相关关系,与秸秆还田、土层深度、土壤pH、砂粒含量呈现负相关关系。在单变量预测模型中,氮淋失量与施氮量呈指数关系,说明在华北地区夏玉米生产中应特别注重优化肥料用量。本研究所获得的多元逐步回归模型(Y_(总氮淋失量)=-23.07+1.14X_(有机质含量)+0.34X_(黏粒含量)-0.13X_(砂粒含量)+0.06X_(总施氮量)+0.18X_(水分渗漏量),拟合优度R^(2)=0.414)优于指数模型、线性模型和多项式模型,具有较好的定量预测效果。考虑到水分渗漏测定过程复杂及方程的可应用性低,可以采用水分投入量替换水分渗漏量,但预测精度会受到影响。改善土壤物理条件(如质地)、秸秆还田和优化氮肥和灌溉,是今后华北地区夏玉米生产中降低氮淋失的关键措施。

连续施用有机肥后重金属在土壤-作物系统中的积累与迁移特征

采用田间小区试验,定量研究连续7年施用不同有机肥后重金属在土壤和作物系统中的积累与迁移特征,为从源头上控制农田土壤重金属污染提供科学依据。研究结果表明,连续7年施用猪粪的处理均显著增加了0-15 cm土层土壤Cu、Zn、As和Cd的含量,且随猪粪施用量增加,耕层土壤(0-15 cm)中Cu、Zn、As和Cd含量也显著增加,增幅分别在77.57%-261.46%、40.41%-145.68%、41.74%-46.19%和14.53%-22.09%。猪粪施用量高时,Zn和Cd已迁移到15-30cm土层并在此层积累;随着鸡粪施用量增加,耕层土壤(0-15cm)Cu、Zn、Cr含量也均显著增加。与施化肥处理相比,连续7年施用鸡粪的处理均显著增加了耕层土壤Cu、Zn和Cr含量,增幅分别在16.81%-38.72%、133.93%-435.73%和33.45%-58.31%。鸡粪用量较高时,Cu、Zn、Cr向15-30 cm土层迁移并积累。该试验条件下,连续7年施用高量鸡粪后耕层土壤Zn含量已超过土壤污染风险筛选值。连续7年施用猪粪的处理均显著增加了小麦籽粒Cu和Zn含量,增幅分别在27.18%-49.87%和25.66%-98.81%;连续7年施用高量鸡粪的处理均显著增加了小麦籽粒Zn和Cd含量,分别增加64.74%和40.00%。连续7年施用猪粪的处理和高量鸡粪的处理小麦籽粒Zn含量超过相关的食品安全标准(NY 861-2004)。

化肥氮对冬小麦氮素吸收的贡献和土壤氮库的补偿

【目的】小麦对氮素的吸收消耗了土壤氮库,土壤中残留的化肥氮则可补偿土壤氮库的消耗,综合考虑这两方面的影响,核算施氮量和秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。【方法】收集1980年以来国内报道的小麦15N示踪试验的研究结果,分析化肥氮和土壤氮对小麦当季氮吸收的贡献,小麦当季氮吸收、化肥氮的去向、土壤氮库的盈亏分别与施氮量之间的关系,以及秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。【结果】施氮量与化肥氮对小麦当季氮吸收的贡献之间呈显著正相关(P=0.029),而与土壤氮的贡献之间呈显著负相关(P=0.031)。小麦当季氮素吸收源于土壤的比例约为2/3,源于化肥的比例约为1/3,追施氮对小麦氮吸收的贡献约是基施氮的1.5倍。施氮量与氮肥有效率(氮肥利用率+氮肥残留率)之间呈极显著负相关(P=0.004),而与氮肥损失率之间呈极显著正相关(P<0.001)。在秸秆不还田和还田条件下,小麦季土壤氮库的盈亏均与施氮量之间呈极显著正相关(P≤0.001)。【结论】在施氮量为N 60~500 kg/hm^2时,小麦吸收的氮素1/3来自化肥,2/3来自土壤。冬小麦季化肥氮的3个去向为:地上部吸收、土壤残留和损失,其所占比例分别约为36%、33%和31%。在秸秆不还田和还田条件下,土壤氮库达到平衡的施氮量分别为N 308和233 kg/hm^2。

小麦和玉米生长对土壤碳输入和输出的贡献

在农业生态系统中,区分土壤外源碳输入和内源碳输出是量化土壤碳平衡的前提。借助碳同位素方法,可以精确区分不同碳源对土壤有机碳(SOC)和二氧化碳(CO_(2))的贡献,一方面定量根际沉积碳对土壤碳的输入,另一方面还可以量化根系生长对SOC分解的根际激发效应,进而提高土壤碳平衡评估的精确度。本文整合了关于小麦和玉米13C/14C示踪实验的文献,对作物-土壤系统光合碳分配、向地下部碳输入量、根际土壤CO_(2)区分以及根际激发效应进行分析,最终明确了小麦和玉米生长对土壤碳输入和输出的贡献。在作物-土壤系统中,小麦光合碳分配到地上部、根系、土壤和土壤释放CO_(2)的平均比例分别为73.1%、12.5%、4.6%、9.8%,玉米分别为68.4%、16.0%、4.6%和11.1%。小麦和玉米通过根系和根际沉积碳对土壤碳输入量均值分别为1058 kg·hm^(-2)和1025 kg·hm^(-2),其中根际沉积碳占地下输入的贡献均值分别为0.45和0.38。小麦和玉米根源呼吸占根际土壤CO_(2)释放的贡献值均达到50%以上,分别为51.3%和56.7%。小麦和玉米生长促进SOC的分解,根际激发效应平均值分别为172%和15%,若采用传统根去除法来区分土壤呼吸,根际激发效应则会被忽略,这可能导致根源呼吸的高估。小麦和玉米生长过程中释放的净根际沉积碳占地下部净碳输入(根系+根际沉积物)比例分别为27%和22%,如果利用传统洗根法,这部分光合碳量就无法量化,导致输入到地下部的光合碳量被低估。

基于Web of Science和万方专利对土壤酸化和改良材料研究的计量分析

为探索土壤酸化和改良材料应用现状,本文以Web of Science核心合集和万方专利数据库为基础,以“acid soil”or“soil acidi”为检索式检索1990—2019年的期刊论文,以“酸化、酸性土壤改良剂、调理剂”为主题词检索2010—2019年的发明专利,分别检索出10193篇期刊论文和297篇发明专利,采用VOSviewer、CiteSpace和HistCite等可视化软件对关键词、期刊、作者、机构、国家等字段进行共现、共被引和引文分析等。结果表明土壤酸化及其改良材料得到越来越多的重视,进一步加强土壤酸化及其改良研究对土壤基础科学发展具有重要意义;研究领域聚焦于土壤酸化的生物化学过程、土壤铝毒及其防治、土壤重金属活化及其钝化、土壤酸化及其改良材料应用4大方面;近10年来,土壤酸化改良主要聚焦于石灰、农业废弃物/副产品、工业废弃物/副产品和矿物类等热点改良材料,而生物质炭、天然高分子、腐植酸盐和微生物菌剂等新型热点材料越来越受到学者的关注;高产国家美国、中国和澳大利亚等农业大国合作关系密切;高产机构中国科学院、中国科学院大学和西澳大学等机构有密切合作关系;高产作者Baligar V C,Xu R K,Fageria N K等有密切合作关系。本研究有助于全面了解土壤酸化及其改良研究领域现状和趋势,为土壤酸化调控和可持续发展提供重要参考和依据。

农产品硒含量及与土壤硒的关系

植物硒是人类硒的主要来源。分析不同类型气候和土壤条件下,主要农产品的硒含量和富集能力,对于发展富硒农产品具有重要实践价值。本研究选择中国南方丰城和北方博山两类不同硒含量地区,对土壤和当地所生产的农作物产品进行采样分析。结果表明,土壤硒含量整体较高,是造成丰城地区同类农产品硒含量高于博山地区的主要原因,但并不是所有农产品硒含量与土壤硒呈正相关关系。丰城和博山地区的各类农产品中,韭菜硒含量最高,高于十字花科的小白菜和白萝卜,以及禾本科的玉米、小麦和水稻,后两类作物硒含量高于花生和大豆,辣椒和甘薯最低。博山地区中性和碱性土壤中,作物硒富集系数普遍高于丰城地区酸性土壤所生产的作物。区域富硒农业发展过程中,应针对性选择合适的作物品种,并根据当地的自然和土壤硒水平,制定相应的发展方案。

草莓富硒对产量和微量元素品质的影响

草莓作为北京地区重要的冬春季水果受到广大消费者的青睐。富硒草莓除了具有草莓的一些特有商品性质以外还具有抗衰老、预防癌症等重要功能。近年来富硒草莓的研究较多,但是主要集中在富硒以后的硒含量等少数指标上。本课题在研究硒含量基础上,还研究了富硒对草莓的产量和微量元素含量的影响。结果显示,富硒以后草莓的产量特别是后期产量增加较多并达到了显著水平。富硒还显著增加了大部分微量元素的含量。上述结果说明富硒可以延缓草莓衰老、改善草莓的营养品质、提高草莓附加值。

华北平原潮土区粮田氮淋失阻控措施及效果分析

华北平原潮土区是我国重要的粮食主产区,改革开放40多年来该区农业经历了以高水肥投入为主要特征的集约化进程,相应的氮淋失导致的面源污染自20世纪90年代以来不断加剧。本研究针对华北平原潮土为主要类型的粮田,对过去40多年间主要研究文献进行全面分析,梳理氮肥和水分投入与氮淋失之间的定量关系,比较主要农田管理措施对氮淋失的阻控效果及其机理,以期为我国农业面源污染提供决策支持。研究发现,氮肥和灌溉是影响华北平原潮土区粮田氮淋失的主要因素,其中氮淋失与氮盈余量之间呈指数关系,比与施氮量的指数关系更显著。基于机器学习的随机森林回归模型能够考虑包括施肥、灌溉、土壤条件和气象等多因素对氮淋失的影响,未来在定量预测中有较好前景。同等氮肥投入条件下,由于氮供应与作物吸收契合度高,有机无机配施能显著降低氮淋失。以缓控释肥、尿酶和硝化抑制剂为代表的肥料增效剂可以降低约1/3的氮淋失,值得重点推广应用。秸秆还田可以实现包括提高土壤有机物和微生物氮库、增加无机氮缓冲容量等综合效益,有利于降低氮淋失风险(降低比例达10%),但免耕的阻控效应较低且呈现较大不确定性。调整种植制度、休耕、间作套种和种植填闲作物等措施会影响粮食产量,推广过程中应慎重。氮淋失的阻控效果更多受到社会、经济和政策等因素的影响,今后应采取包括生态补偿等手段发挥农民主动性,从政策和法律法规层面创造实施氮淋失阻控措施的社会环境。

含硫添加剂对猪粪堆肥过程甲烷与臭气排放的影响

为探寻合适的含硫添加剂,有效控制堆肥过程中甲烷和臭气的排放,以磷石膏(PG)、过磷酸钙(SP)、硫酸钠(NS)为添加剂,采用强制通风曝气的60 L桶状发酵罐,探究不同含硫添加剂对于猪粪堆肥过程中气体排放的影响。结果表明:添加堆肥原始物料鲜质量2%的PG、2%的SP、1.2%的NS处理分别能减少50.8%、43.3%、46.6%的甲烷排放;PG和SP处理能减少40.6%和37.2%的氨气挥发,NS处理减少了20.0%的氨气挥发;PG与SP处理对硫化氢气体没有产生明显的抑制作用,而NS处理的硫化氢排放量为对照(无添加剂)处理的3.8倍,且NS处理堆肥结束后种子发芽率仅为41.3%。研究表明,1.2%的NS处理不适合臭气减排,而添加2%的PG以及2%的SP等低硫添加剂较为适宜。

华北地区夏玉米生产中磷素利用特征研究

为评估当前中国华北地区夏玉米生产中的磷素利用效率和影响因素,促进磷肥资源高效利用和降低损失和污染,本研究通过收集1980年以来公开发表的夏玉米田间试验的文献,对华北地区夏玉米磷肥试验数据进行收集、整理和分析,获得了夏玉米的籽粒与秸秆产量及其比例,以及施磷量与籽粒和秸秆磷含量的关系模型。研究发现,随着施磷量的增加,土壤-夏玉米作物系统的磷素表观盈亏量呈线性增加,在施磷达到75 kg/hm^2时,磷素表观盈亏量为0。华北地区的夏玉米磷肥平均利用效率约为15%;增加氮肥施用量以及与磷合理配施有利于提高磷肥利用效率。整体上,夏玉米对磷酸二铵的利用效率高于过磷酸钙;有机肥和化肥配施可以有效提高磷肥利用效率。夏玉米‘天泰60’品种的磷肥利用效率最高。在华北地区夏玉米生产中,选用磷酸二铵以及适合的氮肥水平、有机肥与化肥配施,可以提高磷肥利用效率,降低磷肥损失和环境污染风险。

增碳控磷对设施土壤磷素有效性的影响

为解决设施菜田粪肥施用过量导致的土壤磷素累积和环境风险问题,本研究以设施菜田中的磷素管理措施为研究对象,基于寿光田间定位试验,设置了稻壳不还田施用磷肥(S0P52)、稻壳还田配施磷肥(S20P52)、稻壳不还田且不施用磷肥(S0P0)和稻壳还田不施用磷肥(S20P0)4个处理,利用薄膜扩散梯度技术(Diffusive gradients in thin films technique,DGT)和生物有效磷分组方法对土壤磷素进行表征,探究外加碳源的同时控制磷肥投入对设施番茄产量及土壤磷素盈余、土壤基本理化性质和磷素有效性的影响,并结合土壤化学性质和微生物量等探究影响磷素有效性的主要因素。结果表明不同施肥处理土壤磷素盈余为47.3~153.0 kg/hm2,且各处理间差异明显。具体表现如下:无论施磷或不施磷条件下,与不增碳处理比较,增碳处理均显著增加了土壤有机质含量,分别增加了1.49和1.66倍,并改变了微生物活性和磷酸酶活性;在施用磷肥基础上,增碳处理土壤TP、Olsen-P和DGT-P含量分别提升了2.15、1.66和2.79倍;在不施磷肥基础上,增碳处理对土壤MBC、MBP和DGT-P含量分别增加了1.46,4.99和2.75倍,并能够保证在维持磷素供应的同时降低CaCl2-P水平,降低环境风险。因此,稻壳还田不施用磷肥措施能够保证番茄产量和生物有效磷水平,可作为集约化设施菜田土壤源头磷素管控的推荐施肥方案。

羊垫料养殖技术研究进展

为实现规模化舍饲羊养殖的绿色可持续发展,推动垫料养殖技术在羊养殖领域的应用,采用文献综述和归纳总结的方法,对羊垫料养殖技术最新研究进展进行系统探讨。通过分析羊垫料养殖技术的特点、垫料选择标准、以及垫料养殖对羊只饲养效果的相关参数,期望从源头解决羊场粪污处理问题,为养羊业的可持续发展提供理论支撑和技术指导。结果表明:1)羊垫料养殖技术能及时有效的处理羊粪污、改善圈舍环境,减轻对环境的不良影响。2)与传统养殖方式相比,羊垫料养殖技术可减少羊患病率,实现快速增重等,对促进羊只生长健康和福利方面具有明显优势。3)垫料的选择与管理是影响动物健康、生产性能以及环境可持续性的关键因素。

堆肥过程中有机物的转化及其评价方法

为客观评价好氧堆肥过程中有机物的转化程度,以“有机固废”、“生物转化”和“有机物转化率”为关键词,在中国学术期刊网络出版总库(CNKI)和Web of Science核心合集等数据库检索获得近年来发表的文献,对堆肥过程中有机物转化的相关文献进行梳理和总结,结果表明:1)好氧堆肥过程中有机物主要通过矿化和腐殖化进行转化,提高有机物的腐殖化程度有利于碳素的保存;2)目前有机物转化的评价方法包括有机物损失率、好氧呼吸量、有机组分降解率、碳质量平衡和有机物降解模型等,但在实际应用中仍存在局限性;3)本研究提出以堆肥目标产物为导向,将不稳定腐殖质中的碳作为有机物转化评价指标的方法,可用于判定堆肥原料可降解性、堆肥发酵进程和堆肥产品质量,兼具科学性、准确性和实用性。研究结果可为有机固废资源化效果评价提供方法支撑,推动堆肥科学与技术发展。

盐碱地水盐运移理论及模型研究进展

我国盐碱地分布广泛,总面积达3600万hm^(2),土壤盐渍化问题已经成为制约农业可持续发展的重要因素之一。盐碱地治理和改良的关键在于探究土壤水盐运移规律,而水盐模型是模拟和预测农田土壤水盐动态变化最为有效的途径。目前围绕土壤水盐运移的基本理论及模型应用的研究已取得长足的进步,包括水盐运移机理研究及其影响因素和数值模型研究,对其全面分析有助于厘清当前盐碱地水盐运移研究现状,为我国盐碱地改良研究提供借鉴。本文从水盐运移理论机理、影响因素及模型应用等角度进行综述,重点分析了几种常用水盐模型的优缺点及应用效果,并指出未来水盐模型研究应更好地结合GIS技术进行区域/流域尺度上展开。

接种外源微生物对堆肥中重金属铜锌铅形态变化的影响

为探明外源微生物对堆肥重金属有效性的影响,以猪粪和玉米秸秆为堆肥原料,在初始碳氮比为25与含水量60%的条件下,利用自制密闭式堆肥反应器研究分别接种5‰长枝木霉Trichoderma longibrachiatum(T1)、解淀粉芽孢杆菌Bacillus amylolyticus(T2)和酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae(T3)的3种外源微生物菌剂对堆肥中重金属铜锌铅形态变化的影响。结果表明:接种外源微生物可分别提前3、3和1d使堆肥温度升至60℃并延长高温期,长枝木霉和解淀粉芽孢杆菌可有效缩短堆肥的腐熟过程;外源微生物可钝化堆肥产品中的重金属Cu、Zn和Pb,解淀粉芽孢杆菌对Cu、Zn和Pb的钝化效果都较好,相对钝化率分别为80.96%、5.02%和41.00%;长枝木霉对Cu和Pd的钝化效果较好,相对钝化率分别为67.09%和5.01%;酿酒酵母对Cu和Pb的钝化效果较好,相对钝化率分别为64.46%和11.51%。选择适宜的外源微生物接种菌剂,可同步实现堆肥品质提升和重金属钝化。