土壤管理与可持续利用——献给2015国际土壤年及《中国农业科学》创刊55周年

土壤是地球自然体,是地球上所有生态系统的自然支撑和生物屏障,调节着地球表层系统过程,并为全人类提供生态系统服务。人类首先利用土壤于农业生产,＂民以食为天,食以土为本＂,自古以来认定土壤是农业生产的基石,是粮食安全的保障。土壤管理是保障农业可持续发展的重要基础措施[1],而可持续土壤管理是通过良好土地利用方式和培育管理措施定向提升土壤质量,进而保障和提高土壤的生产能力——作物产量和质量,并改善生态系统服务,促进环境和生态安全。

1988-2018年中国水稻秸秆资源时空分布特征及还田替代化肥潜力

中国的水稻秸秆资源丰富,但不同地区水稻秸秆及养分资源量,还田替代化肥潜力以及随时间的变化特征尚不清楚。该研究基于农业农村部1988-2018年在全国稻作区的水稻土长期监测数据,分析了中国各地区不同年份的水稻秸秆和养分资源量及还田替代化肥潜力,为水稻秸秆资源的合理利用提供依据。结果表明:全国近10 a(2009-2018年)水稻秸秆和氮磷钾(NPK)养分资源年均量分别达到1.69×108 t和452.09×10^(4) t,比1988-1998年增加0.23×108 t和61.50×10^(4) t,东北增幅最高。全国水稻秸秆及养分资源随种植年限的延长呈增长趋势,第一阶段(1990s-2000s)和第二阶段(2000s-2010s)水稻秸秆资源年变化速率分别为18.11×10^(4) t/a和211.47×10^(4) t/a,N、P、K养分资源年变化速率分别为(0.15×104)、(0.02×104)、(0.31×104)t/a和(1.76×104)、(0.25×104)、(3.66×104)t/a。70%以上的水稻秸秆和养分资源分布在长三角、长江中游和西南,以长三角最高(4.15×107 t,NPK 111.05×10^(4) t),华南最低(2.20×107 t,NPK 58.54×10^(4) t)。30 a来,全国单位耕地面积水稻秸秆还田带入农田的氮(N)、磷(P)、钾(K)养分量持续稳定增加,占化肥年均施用量的比例为10.88%~12.53%、11.83%~17.13%、116.22%~122.62%。全国水稻秸秆还田的氮、磷、钾肥年均可替代量为(28.90±0.14)、(5.80±0.03)、(180.46±0.52)kg/hm2,各区以长三角最高(N:(34.44±0.20)kg/hm2、P:(6.91±0.04)kg/hm2、K:(129.23±0.74)kg/hm2),华南最低(N:(25.80±0.23)kg/hm2、P:(5.18±0.05)kg/hm2、K:(96.83±0.87)kg/hm2)。充分利用水稻秸秆资源,是实现化肥减施增效的重要保障。

基于Meta-Analysis研究施肥对中国农田土壤有机碳及其组分的影响

【目的】施肥是影响农田土壤有机碳至关重要的因素之一。探讨施肥对不同利用类型与种植制度下土壤有机碳的影响程度,对于深刻认识农田土壤有机碳及其可持续管理均具有重要意义。【方法】收集已公开发表文献数据,建立具备相同有机碳分组方法但相对独立的286组数据库。采用数据整合分析方法(Meta-analysis),定量分析种植制度、利用类型等人为管理及土壤属性(质地)等因素下施肥(化肥和有机肥)对土壤总有机碳及矿物结合态组分含量的影响程度。【结果】与不施肥相比,施肥均能显著提高土壤总有机碳和矿物结合态组分的含量,其提高的幅度分别为39.4%和27.7%;且施用(增施或配施)有机肥对土壤总有机碳及矿物结合态组分的提高幅度(58.4%和41.9%)是化肥(13.4%和8.0%)的3.4倍和5.2倍。不同种植制度、利用类型和土壤质地条件下,施用化肥和有机肥对土壤总有机碳和矿物结合态组分的影响程度存在显著差异。一年一熟下,施用有机肥对土壤总有机碳的提高幅度(58.5%)显著高于一年两熟制(55.6%),施用化肥对矿物结合态组分含量的提高幅度(10.7%)也显著高于一年两熟(7.3%);但两种种植制度下施用有机肥对矿物结合态组分含量的提高幅度基本相当(42.6%—43.5%)。不同利用类型下,施肥能显著提高旱地土壤总有机碳及矿物结合态组分,且提高的幅度均高于水田;但施用化肥并没有显著提高水田中土壤总有机碳和矿物结合态含量。不同土壤质地条件下,施用有机肥能使土壤总有机碳水平较低的砂土提高64.4%,显著高于土壤有机碳水平较高的壤土和黏土(48.7%和50.3%);施用化肥使矿物结合态组分含量较低的砂土提高15.6%,其提高的幅度均显著高于矿物结合态组分含量较高的壤土和黏土(7.8%和8.1%)。【结论】有机肥的施用(增施或配施),尤其在一年一熟及有机碳水平较低的砂土上,对于农田土壤有机碳积累及肥力维持与提升均具有重要意义。

近40年湖南省不同地区耕地土壤肥力变化特征

为明确湖南省不同地区耕地土壤肥力演变特征和主控因素,基于湖南省1980年第二次土壤普查和2017年耕地质量监测数据(包括pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾),采用模糊数学(Fuzzy)法计算土壤综合肥力指数,通过随机森林模型分析土壤肥力的主控因素。结果表明,1980—2017年湖南省耕地土壤pH呈下降趋势,湘北平原区、湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区、湘西山区pH均值分别下降0.29、0.41、0.19、0.48;湘北平原区、湘南丘陵山区、湘西山区土壤有机质含量基本维持稳定,均值变化幅度在-3.1%~4.4%,湘中湘东丘陵区土壤有机质含量则显著提升,幅度达18.9%;各地区耕地土壤全氮、有效磷和速效钾均呈上升趋势,土壤全氮、土壤速效钾湘中湘东丘陵区提升幅度最大,分别为36.1%和42.6%,土壤有效磷湘南丘陵山区提升幅度最大,为229.8%;2017—2018年湖南省耕地土壤肥力综合指数向0.6~0.8区间集中,全省肥力水平得到提升,随机森林模型分析表明经过近40年演变,不同地区耕地土壤主控因素存在差异,湘北平原区耕地土壤肥力指标的主控因素是有效磷,湘中湘东丘陵区、湘南丘陵山区土壤肥力的主控因素是速效钾,湘西山区是全氮。

基于Meta分析中国水稻产量对施肥的响应特征

【目的】定量分析近30年施肥对中国水稻产量的综合效应和影响机制,为水稻种植区域肥料的科学施用提供依据。【方法】以全国水稻土长期监测点为平台,将相应的监测数据按照种植区域、试验时间、种植制度、作物类型、施肥类型、土壤质地、土壤p H、土壤有机质含量、土壤全氮含量、土壤有效磷含量、土壤速效钾含量、土壤缓效钾含量进行分组,以不施肥处理作为对照,利用Meta-analysis方法探究施肥对水稻产量的综合效应及其影响因素。【结果】近10年(2008—2017)以来,无论施肥与否,水稻产量均显著高于1988—1997和1998—2007年对应的水稻产量。与不施肥相比,施肥显著提高水稻产量,其提高幅度平均为80.8%。在西南地区施肥对水稻产量的提高幅度最高(98.5%),显著高于华北地区(70.3%)。不同试验时间下,施肥比不施肥处理在1988—1997年对水稻产量提高的幅度(99.1%)高于1998—2007年(84.2%)和2008-2017年(78.1%)。不同种植制度下,施肥较不施肥处理能显著提高一年三熟水稻产量(92.0%),且提高幅度均高于一年一熟(76.2%)和一年两熟(81.9%)。与不施肥相比,双季稻施肥对水稻产量的提高幅度(85.9%)高于单季稻区(75.9%)和水稻-其他作物(79.5%)。与不施肥相比,有机肥与无机肥配合施用对水稻产量提高幅度(88.3%)高于化肥单施处理(76.6%)。施肥较不施肥处理能显著提高黏质土壤水稻产量(92.0%),提高幅度显著高于砂质土壤(58.0%)和壤质土壤(77.5%)。随着土壤有机质和有效磷含量的增加,施肥较不施肥处理水稻产量提高的幅度呈降低趋势。在较高的土壤p H(>7.5)、较低土壤全氮(<1.5g·kg-1)和缓效钾(<150 mg·kg-1)情况下,施肥较不施肥处理水稻产量提高的幅度较高。随机森林分析结果表明:施肥对水稻产量提高幅度主要受水稻种植区域、土壤全氮和种植制度的影响。此外,肥料的农学效率与施肥对水稻产量增产幅度呈极显著正相关。【结论】虽然当前施肥对水稻产量增加的趋势在降低,但是适量的肥料投入(尤其是西南地区)是提高和维持水稻高产的重要措施,尤其是有机肥与无机肥配合施用增产效果更加显著。同时,在种植制度的基础上,各水稻种植区域应结合土壤质地、土壤氮素和钾素等方面作为肥料投入的主要依据。

中国主要土壤有效磷演变及其与磷平衡的响应关系

【目的】明确土壤有效磷的演变规律及其与磷平衡(土壤磷输入减去磷输出)的响应关系,为指导磷肥施用以及管理有效磷水平提供依据。【方法】选取21个农业部国家耕地质量长期监测点,分析常规施肥条件下中国主要5种类型土壤上有效磷的演变规律与土壤磷素的平衡状况,得到单位磷平衡的有效磷变化量(即有效磷效率),同时对土壤的有效磷效率与土壤性质(pH、有机质、全氮和碱解氮)进行相关性分析。【结果】21个土壤监测点中有2个点的磷素出现耗竭,19个点的磷素出现累积,累积磷盈亏在-290—4 919 kg·hm-2。在监测时间内,有14个监测点的有效磷随年份显著上升,2个监测点显著下降,其余持平。21个监测点的有效磷年均上升0.74mg·kg-1。81%的土壤监测点有效磷与磷平衡呈显著的正相关关系,土壤每累积100 kg P·hm-2,褐土有效磷平均增加1.12 mg·kg-1,变异系数为25%;黑土有效磷增加3.76 mg·kg-1,水稻土有效磷平均增加5.01 mg·kg-1,变异系数为52%;紫色土有效磷平均增加2.34 mg·kg-1,变异系数为68%;灌淤土有效磷增加0.47 mg·kg-1。有效磷效率与土壤pH呈显著的直线负相关关系(r=0.65,P<0.01),与土壤有机质(r=0.62,P<0.01)、全氮(r=0.52,P<0.01)和碱解氮(r=0.63,P<0.01)呈显著的直线正相关关系。【结论】中国主要类型土壤的有效磷效率有一定差异,范围在0.47—10.76 mg·kg-1,有效磷效率均值在不同土类之间为水稻土>黑土>紫色土>褐土>灌淤土,且土壤pH、有机质、全氮、碱解氮与土壤有效磷效率呈显著的直线相关关系。

农田土壤固碳与增产协同效应研究进展

农田土壤固碳是提升土壤肥力、保障和实现农田持续稳定生产能力的关键所在。明确农田土壤固碳与作物增产的协同效应可为不同区域土壤培肥、维持和提升作物产量提供依据。农田土壤固碳明显受到气候、土壤属性、管理措施(尤其是施肥和耕作)、轮作制度等因素的影响,且与农田作物产量密切相关,二者具有明显的协同效应。农田土壤有机碳与作物增产协同效应存在一定的阈值,且该阈值具有一定的区域差异。东北地区土壤有机碳阈值约为C 44~46 t/hm^2,西北和华北地区约为C 22~28 t/hm^2,南方地区约为C 33~37 t/hm^2。经验方程和模型模拟结果表明,在不同区域,农田土壤每固定C 1.0 t/(hm^2·a)有机碳,粮食作物产量可平均提升约0.7t/hm^2,但该响应值在各地区明显受到相应的环境及农田管理措施等因素的影响。深入理解农田固碳过程及其与作物生产力协同作用的机理,是指导不同区域合理培肥、提高土壤肥力、提高养分资源利用效率的关键举措。未来的研究方向和重点是明确不同区域农田土壤可实现的固碳潜力,进一步揭示集约化种植下农田土壤有机碳的固存机制,关注深层土壤有机碳固定对作物增产潜力的影响及贡献,并深入分析表征环境、人为因素等对农田土壤固碳增产协同效应的影响机制及调控原理。

中国南方水稻土酸化演变特征及影响因素

【目的】明确中国南方水稻土酸化特征及主要影响因素,为防控水稻土酸化提供理论依据。【方法】选择中国南方江苏、湖南、广东、广西、四川和云南6个省份(自治区)的20个水稻土长期定位监测点,统计分析水稻土pH演变特征及阶段性变化规律,并探讨施肥量及土壤氮素含量对水稻土酸化的影响。【结果】1988—2013年25年间中国南方水稻土显著酸化,土壤pH下降0.59个单位,平均每年下降0.023个单位。水稻土酸化具有明显的阶段性特征,起始的14年中水稻土pH急速下降,平均每年可下降0.051个单位;近10年间,土壤pH趋于平稳。增施化肥特别是化学氮肥可导致水稻土酸化,二者与土壤pH均呈显著负相关关系(P<0.01),由此推算出化学氮肥每增施100 kg·hm-2,水稻土pH可下降0.65个单位。减少有机肥的施用也可引起水稻土酸化,有机肥施用量与土壤pH之间呈显著正相关关系,有机肥每减少100 kg·hm-2,水稻土pH下降0.51个单位。土壤全氮及碱解氮含量与pH间均呈极显著负相关关系,土壤全氮和碱解氮含量每增加100 mg·kg-1,水稻土pH约下降0.1个单位。【结论】在过去25年间,中国南方水稻土显著酸化,酸化具有明显的阶段性特征,施肥初期土壤pH显著降低。减少化学氮肥的施用和增施有机肥是控制水稻土酸化的重要措施。

15年保护性耕作对黄土坡耕地区土壤及团聚体固碳效应的影响

【目的】保护性耕作是提高土壤有机碳(SOC)含量、促进土壤团聚体形成的重要措施。论文旨在揭示保护性耕作对土壤表层(0—10 cm)有机碳含量及储量的影响,探讨不同级别团聚体的固碳特征,为阐明土壤固碳机理和筛选黄土坡耕地区农田土壤增碳耕作措施提供理论依据。【方法】长期试验位于黄土高原坡耕地区,开始于1999年,共设4个处理:少耕(RT)、免耕覆盖(NT)、深松覆盖(SM)和传统翻耕(CT)。利用15年长期试验的作物产量和0—10 cm土层土壤有机碳数据分析农田碳投入和土壤固碳量;通过湿筛法筛分>2、1—2、0.25—1、0.053—0.25和<0.053 mm粒级团聚体,分析不同团聚体的固碳特征。【结果】15年长期免耕覆盖和深松覆盖处理显著提高了土壤0—10 cm表层有机碳含量及储量,同传统翻耕处理相比,有机碳含量分别提高了22.9%和21.8%,有机碳储量分别提高了21.8%和16.7%,固碳速率分别为0.09和0.06 t C·hm-2·a-1。微团聚体(<0.25 mm)存储了大部分的有机碳,占总团聚体有机碳储量的65%,但其有机碳含量较低。大团聚体(>0.25 mm)有机碳含量较高,约为微团聚体的3—8倍,且对不同耕作措施反应敏感,可作为评价长期不同耕作措施对土壤有机碳含量影响的指标。土壤固碳量随着累积碳投入量的增加而显著增加,要维持土壤有机碳储量稳定,每年最低需投入外源碳2.4 t C·hm-2。【结论】长期保护性耕作(包括免耕覆盖和深松覆盖)提高了黄土坡耕地区土壤及团聚体有机碳储量,是有利于该地区土壤增碳的管理措施。

中国农田小麦和玉米产量时空演变及驱动因素

探究中国小麦和玉米产量的时空变化特征和关键驱动因素,为粮食安全战略决策提供理论依据。基于农业农村部近30年(825个点位,1988-2019年)全国农田监测数据,分析了小麦和玉米产量的时空变化特征,利用逐步回归和随机森林模型探究施肥、气候和土壤属性对产量变化的影响,最后通过偏最小二乘法探究各指标影响产量变化的主要调控路径。结果表明,近30年,小麦、玉米单作和二者轮作下平均产量分别为5.05、9.05、6.01和7.08 t/hm^(2),相应的变异系数为36.6%、26.2%、32.1%和28.0%,相应作物产量随时间的增加速率分别为100、159、46和98 kg/(hm^(2)·a)(P<0.05)。同其他作物轮作下的小麦产量、变异系数和变化速率分别为5.29t/hm^(2)、28.6%和67kg/(hm^(2)·a)(P<0.001)。高产玉米主要分布在西北(单作)和华北地区(与小麦轮作);高产小麦主要分布在同玉米轮作下的长江下游和华北地区。西南地区小麦和玉米产量最低。除了西南和长江中游地区小麦玉米轮作下的小麦产量随监测时间延长呈负增长,其他各区域及全国尺度上的产量均呈正增长。逐步回归结果表明:氮肥对小麦和玉米产量的调控作用均达到极显著水平(P<0.01),而土壤pH的调控作用均未达到极显著水平。针对不同区域而言,随机森林结果显示:除了气候和氮肥的重要性以外,有机质在大部分区域(尤其是西南地区)对产量变化的重要性较大,而钾肥对华北和西北地区的玉米产量变化的重要性较大。通过偏最小二乘法分析发现,土壤属性、肥料投入和气候三者对产量调控的总效应分别为47.6%、29.4%和23.0%,气候主要是通过影响土壤属性和施肥进而调控作物产量。近30年中国小麦和玉米产量整体上呈不断增加趋势,但是西南和长江中游地区小麦玉米轮作下小麦产量随时间呈降低趋势,需引起重视。土壤性质对小麦和玉米产量变化的影响高于施肥和气候,除了氮肥是调控各区域作物产量的关键因素以外,华北、东北和西北地区在种植玉米时还应当重视钾肥合理的投入,而西南地区应当将提升土壤有机质和有效磷含量作为实现高产稳产的主要措施。

中国稻田土壤有效态中量和微量元素含量分布特征

基于全国282个水稻土监测点,分析土壤有效态中、微量元素含量及区域特征(东北、长三角、长江中游、西南、华南),结合丰缺标准,揭示中、微量元素丰缺程度。结果表明:东北水稻土交换性镁和有效硼含量高于其他地区,有效锌含量最低;长三角有效锰含量最高、有效硫含量最低;长江中游有效铜含量最高,有效态铁、锰和钼含量最低;西南交换性钙含量高于其他地区,有效铜含量则低于其他地区;华南有效态铁、钼含量均高于其他地区,而交换性钙、镁含量低于其他地区。中国水稻土交换性钙、镁及有效铁、锰、铜含量整体丰富;长三角和华南缺硫水稻土比例分别为42.2%和41.8%;东北、长三角、长江中游、西南和华南缺锌水稻土比例分别为75.0%、52.3%、31.9%、53.2%和10.4%,缺硼分别为38.5%、65.2%、92.2%、88.6%和78.3%,缺钼28.6%、60.4%、82.6%、42.0%和33.4%。可见,东北和长三角水稻土以缺锌为主;长江中游以缺硼、钼为主;西南以缺硼为主;华南以缺硼为主。研究可为全国和区域尺度水稻土中微量元素的管理和合理施用提供依据。

近30年中国稻区氮素平衡及氮肥偏生产力的时空变化

【目的】中国的稻作模式和区域条件复杂多样,研究和推荐各稻区氮肥合理施用量,为提高氮肥利用效率和维持土壤氮素平衡提供参考。【方法】基于1988―2017年开展的全国水稻土长期监测平台,分析主要稻区(包括东北、西南、长江中游、华南、长三角稻区,322个土壤监测点)氮肥施用水平、氮肥偏生产力、土壤氮素平衡的时空演变特征,并进一步探究各稻区氮肥的合理用量。【结果】近30年来,我国东北、西南、长江中游(早稻)、华南(双季)和长三角稻区水稻氮肥平均施用量分别为N 159、173、179、284和279 kg/hm^2,全国稻区氮肥平均施用量为N 215 kg/hm^2。西南和长三角稻区氮肥施用量随施肥年限的增加而显著增加(P<0.05),增加速率分别为N 0.4和2.5 kg/(hm^2·a)。整体而言,全国稻区氮肥施用量随施肥年限的增加无显著变化。30年间,各稻区之间氮素表观平衡量差异显著(P<0.05)。东北、西南、长江中游(早稻)、华南(双季)和长三角稻区氮素年均盈余量分别为N 35、5、20、69和109 kg/hm^2,氮素盈余量分别占氮肥平均施用量的22%、3%、11%、24%和39%。各稻区氮素盈余量均随着氮肥施用量的增加而显著增加(P<0.0001)。东北、西南、长江中游(早稻)、华南(双季)和长三角各稻区水稻氮肥偏生产力分别为54、51、42、44和35 kg/kg,全国平均为45kg/kg,仅东北和长江中游(早稻)稻区水稻氮肥偏生产力随施肥年限增加而显著提高(P<0.05)。各稻区氮肥偏生产力均随着氮素盈余量的增加而呈指数下降趋势(P<0.0001)。【结论】除西南稻区,其他稻区氮素施用量偏高。综合考虑维持土壤氮平衡和提高氮肥偏生产力,建议东北、西南、长江中游(早稻)、华南(双季)和长三角稻区的适宜施氮量分别为N 131、167、156、244和151 kg/hm^2。

中国稻田土壤基础地力的时空演变特征

【目的】探明1988年以来中国粮食主产区稻田土壤基础地力的差异与时空演变特征,为地力提升和实现水稻的稳产高产提供科学的施肥依据。【方法】结合水稻土实际情况,并参考生产力模型、土壤质量系数模型等修正得出土壤生产力指数模型(PI)和土壤基础地力指数模型(BPI)的计算公式并验证,同时以全国水稻土监测数据资料为基础,将统计所得的各肥力指标和权重因子采用数值归一化处理,运用土壤生产力指数模型和土壤基础地力指数模型方法综合分析;并进一步与产量和基础地力贡献率相结合验证,从而定量地分析出中国粮食主产区间稻田土壤基础地力的高低差异和时空演变特征。【结果】1988—2012年间,长江中下游、东北、西南以及华南4个区域稻田土壤基础地力BPI值(P<0.05)与土壤生产力PI值(P<0.01)均呈显著上升趋势。其中,长江中下游区的BPI值增幅最大,从0.031上升至0.108,增幅为248.4%,其次为华南区,从0.127上升至0.289,增幅为128.0%,东北区的BPI值到2012年为止,增幅为71.7%,西南区BPI值从0.028上升至0.046,增幅为65.8%;而长江中下游区、东北区、西南区和华南区土壤生产力水平(PI值)平均每年分别升高0.0015、0.0042、0.0022和0.0113。各大区稻田土壤基础地力(BPI值)与相对应的施肥区产量之间存在显著正相关关系(P<0.05),即各施肥区水稻产量随着稻田土壤基础地力的提升而呈增加趋势,即土壤基础地力的提升可以实现土壤生产力的提高。25年来4大区稻田土壤基础地力水平(BSPI值)以长江中下游区为最高,华南区土壤基础地力最低,而西南区略高于华南区,但二者差异较小;而最近10年(2003—2012年)间,长江中下游区的BSPI值也明显高于其他3区,西南区土壤基础地力水平最低,东北区与华南区无明显差异;并且区域间BSPI值的变化趋势与土壤基础地力产量的变化趋势相吻合。【结论】近25年来中国粮食主产区稻田土壤基础地力总体上呈上升趋势,稻田土壤基础地力和稻田土壤生产力均随时间不断提升,长江中下游、东北、西南和华南4区稻田土壤基础地力BPI值与相对应的施肥区产量均呈显著正相关关系,土壤基础地力的提升还可以实现土壤生产力的提高。提出了全国尺度上土壤基础地力的评价方法和指标。近10年来(2003—2012年)农民习惯性耕作施肥管理水平下,各区域土壤基础地力的高低顺序为:长江中下游区>东北区≥华南区>西南区;而在全国尺度上,稻田BSPI值越高,无肥区产量也越高,基础地力贡献率也越高;反之,基础地力越低,水稻产量也就越低,基础地力贡献率也越低。

中国稻作区土壤速效钾和钾肥偏生产力时空变化

基于农业农村部布置在全国的水稻土监测样点(1988—2017),分析不同稻作区水稻土的速效钾、钾肥偏生产力和钾素表观平衡的时空变化趋势。在30 a间,东北区水稻土速效钾含量显著高于长江三角洲(长三角)、长江中游、华南和西南地区。随试验年限的延长,除了长江中游的水稻土速效钾为先增加后稳定的趋势外,东北、长三角和华南区的水稻土速效钾含量均呈现出先稳定后增加的趋势,而西南区的水稻土速效钾含量则无显著变化。线性拟合方程表明,土壤速效钾含量每增加10 mg·kg^(–1),30 a间东北、长三角、长江中游、华南的钾肥偏生产力提升幅度分别为0.31、1.51、0.26和0.49 kg·kg^(-1)。除西南区域外,其他区域的钾素表观平衡与土壤速效钾含量均存在显著的正相关关系(P<0.05)。因此,1988—2017年,全国尺度上水稻土的速效钾含量呈增加趋势,但不同稻作区土壤速效钾含量及年均增幅则差异较大。土壤速效钾含量的增加显著促进了水稻钾肥偏生产力的提升,而长期进行水稻种植导致的钾素表观盈余则进一步有利于土壤速效钾含量的提升。

不同来源氮素配合施用提高东北春玉米氮素利用与改善土壤肥力的可持续性研究

【目的】研究不同氮素形态对东北春玉米氮素利用和土壤肥效的影响,为氮素养分持续高效利用和培肥土壤提供理论依据。【方法】2013~2015年连续三年在东北典型春玉米种植区开展田间定位试验,在相同磷钾肥施用前提下,试验设4个处理:1)50%玉米秸秆氮(N0);2)100%速效氮165 kg/hm^2(N1);3)60%速效氮+20%有机肥氮+20%缓释氮,施氮量165 kg/hm^2(N2);4)N2+生物炭,生物炭量相当于50%玉米秸秆(N3)。收获期测定耕层土壤基本理化指标、作物产量及氮素利用率、基肥和追肥后土壤N_2O排放量。【结果】1)三年玉米平均产量N1、N2和N3处理分别比N0处理显著增加了62.7%、67.7%和80.1%(P<0.05);N2和N3处理分别比N1处理增产3.0%和10.7%;N3处理玉米产量可持续性指数(SYI)最高,产量可持续性最好。2)与N1处理相比,2013年和2014年累计化肥氮利用率N2和N3处理分别增加了8.4%和12.7%、10.2%和15.5%,2015年分别显著增加了8.4%和12.7%(P<0.05)。N2和N3处理累计化肥氮利用率呈现逐年增加的趋势,且N3处理增加幅度大于N2处理,说明N3处理氮肥的后效更加明显。3)施氮处理显著提高了土壤N_2O累积排放量(P<0.05),N3处理较N1处理显著降低了53.2%;4)N3处理的综合土壤肥力指数(IFI)最高,N3处理在农学、土壤肥力和环境效应评价中最优。【结论】在总氮施用量不变的前提下,以添加适宜比例生物炭、有机肥和缓释氮肥替代部分速效化肥氮,可协同实现东北春玉米持续稳产、氮素养分持续高效利用和土壤肥力的可持续改善。

土壤磷形态组分分级及^(31)P-NMR技术应用研究进展

农田生态系统中土壤磷形态转化,影响土壤磷对作物的有效供应。土壤磷分为无机磷和有机磷两大部分。化学连续提取法(chemical sequential fractionation,CSF)研究土壤磷形态分级,采用不同的化学提取剂,分级提取土壤中组成或分解能力接近的有机无机含磷化合物,是目前表征土壤磷素形态的重要方法。但该方法虽历经改进,仍难以确切反映土壤磷的实际组成,提取的不同磷形态间存在重叠,有机磷和无机磷组分分级存在一定的误差;不同分级磷组分对作物的有效性,需谨慎评估。核磁共振波谱技术(nuclear magnetic resonance,NMR)根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构来研究土壤中含磷化合物的分子结构。液相31PNMR可以同吋检测出土壤中多种磷组分,如正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯、膦酸脂、焦磷酸盐和多聚磷酸盐,识别土壤提取物磷形态,可将有机磷与无机磷分开。本文综述了应用31P-NMR技术研究土壤磷形态组分的一些进展,总结了样品制备过程、NMR测试参数及在土壤磷形态转化研究中的应用。二维31P-NMR技术发展为鉴定分析土壤中更多种类的含磷化合物提供了契机。

稻田土壤肥力评价方法及指标研究进展

水稻土作为典型的水耕人为土,其土壤肥力是水稻优质高产的重要基础,肥力评价是稻田培肥和管理的重要内容之一。然而,稻田肥力评价指标和方法的选择存在较大不确定性。通过分析不同土壤肥力评价方法特点,土壤肥力指标的影响因素和变化特征,对我国水稻土肥力评价的现状进行了总结。在选择评价方法时应最大程度地减少人为的主观性,同时,如何将作物产量纳入土壤肥力综合评价值得进一步探讨。在对稻田土壤肥力进行综合评价时,土壤容重、总孔隙度、土壤团聚体和黏粒含量可作为土壤物理肥力指标的主要因子;土壤化学肥力指标随着施肥、耕作模式和稻作区域的差异应各有侧重;众多的土壤生物学指标中,微生物量碳氮、酶活性和微生物群落结构等需重点关注。下一步应制定一套针对不同稻作区典型施肥和耕作模式下比较完整和有代表性的评价指标体系,以及客观又简单实用的评价方法,为以水稻高产优质为目标的土壤培肥技术提供参考。

近30年来我国小麦和玉米秸秆资源时空变化特征及还田减肥潜力

【目的】我国拥有丰富的小麦和玉米秸秆资源,明晰我国小麦、玉米秸秆产量和养分资源量及还田减肥潜力的时空变化特征,可为推进秸秆资源利用和化肥减施提供决策依据。【方法】以农业农村部1988-2019年在全国小麦玉米区的土壤长期监测数据为基础,分析我国各地区不同年份的小麦玉米秸秆和养分资源量及还田减肥潜力。【结果】2010s全国小麦和玉米秸秆年均量分别达到1.62×10^(8)和4.23×10^(8)t,比1990s增加0.16×10^(8)和2.04×10^(8)t;秸秆NPK总养分资源年均量分别达到278.19×10^(4)和901.08×10^(4)t,比1990s增加27.97×10^(4)和434.82×10^(4)t,均以华北增量最高。30年来全国小麦秸秆及养分资源呈先降后增的趋势,玉米呈增长趋势。第一阶段(1990s—2000s)和第二阶段(2000s—2010s)小麦秸秆资源年变化速率分别为-42.47×10^(4)和205.10×10^(4)t·a^(-1),N、P和K的养分资源年变化速率分别为-0.26×10^(4)、-0.03×10^(4)、-0.44×10^(4)t·a^(-1)和1.27×10^(4)、0.14×10^(4)、2.11×10^(4)t·a^(-1);第一阶段和第二阶段玉米秸秆资源年变化速率分别为397.82×10^(4)和1643.60×10^(4)t·a^(-1),N、P和K的养分资源年变化速率分别为3.46×10^(4)、0.56×10^(4)、4.46×10^(4)t·a^(-1)和14.30×10^(4)、2.30×10^(4)、18.41×10^(4)t·a^(-1)。80%以上的小麦秸秆及其养分资源分布在华北和长江中下游,以华北最高(0.93×10^(8)t,NPK 160.31×10^(4)t),西南最低(0.09×10^(8)t,NPK 16.05×10^(4)t);70%左右的玉米秸秆及其养分资源分布在东北和华北,以东北最高(1.39×10^(8)t,NPK 296.96×10^(4)t),长江中下游最低(0.21×10^(8)t,NPK 44.40×10^(4)t)。全国小麦秸秆还田的N、P和K养分单位面积年均当季释放量分别为21.1、3.0和62.3 kg·hm^(-2),以华北最高,西南最低;玉米秸秆还田的N、P和K养分单位面积年均当季释放量分别为48.6、10.6和97.7 kg·hm^(-2),以西北最高,西南最低。近30年来,全国单位面积小麦和玉米秸秆还田的养分年均当季释放量持续稳定增加,小麦秸秆还田的N、P、K养分相当于化肥年均施用量的比例分别为9.13%—10.82%、4.26%—6.43%、88.02%—111.86%,玉米秸秆分别为22.99%—24.37%、16.04%—28.67%、150.29%—181.42%。【结论】我国小麦和玉米秸秆还田可满足作物生长的钾素需求,可减少约10%—20%氮肥、5%—20%磷肥的施用,充分利用秸秆资源,是实现化肥减施增效的重要保障。

广东省增城区不同耕地利用类型下赤红壤酸度变化

为研究典型区域不同耕地利用类型下土壤酸度变化特征及主要影响因素,通过调查采样分析增城区三种耕地利用类型(水田、水浇地和旱地)下土壤的pH、交换性酸、有机质、阳离子交换量、全量养分、速效养分含量及其相互关系。结果表明:83.7%的土壤样品pH低于6.5,其中pH区间为(5.5,6.5]和(4.5,5.5]的样品均占37.8%,低于4.5和高于6.5的样品比例分别为8.1%和16.3%;水田土壤pH最高,其次为水浇地,再次为旱地,平均pH分别为6.02、5.51和4.87。水浇地和旱地土壤交换性氢含量显著高于水田;旱地土壤交换性铝含量最高,其次为水浇地,再次为水田,分别为1.38、0.72、0.31 cmol·kg^(-1)。土壤pH与土壤碳酸钙和全钾含量均呈显著正相关,而与土壤交换性酸、Olsen-P含量呈显著负相关。土壤交换性氢与Olsen-P和有效钾呈显著正相关,而与土壤碳酸钙含量呈显著负相关;土壤交换性铝与土壤阳离子交换量、Olsen-P含量呈显著正相关,与土壤碳酸钙和全钾含量呈显著负相关。研究表明,增城区耕地土壤以弱酸性和酸性为主,且耕地利用类型是影响土壤酸度的主要因素之一,旱地土壤酸度最强,其次为水浇地,再次为水田,但其作用机理还有待进一步研究。

基于模糊数学(Fuzzy)法的中国水稻土肥力质量近30年的时空变化特征

基于农业农村部在我国主要稻区的长期定位监测数据(1988—2017年),采用模糊数学(Fuzzy)法对水稻土肥力质量进行评价,并结合地统计学和机器学习,阐明我国水稻土肥力质量时空变化特征及其影响因素。近30 a来全国稻区土壤肥力质量呈显著上升趋势(P<0.05),从前期(1988—1999年)至中期(2000—2009年)和从中期至近期(2010—2017年),全国稻田土壤肥力指数(SFI)分别平均增加了6.9%和17.7%。各稻区SFI阶段性变化特征存在差异,西南和长江中游稻区呈前慢后快的显著上升趋势(P<0.05),华南和长江三角洲(长三角)稻区呈前快后稳的上升趋势,东北稻区呈前降后升的变化趋势。近期全国稻田SFI呈现北高南低、东高西低的分布特征,SFI超过全国平均值(0.61)的区域占50.2%。与中期相比较,近期全国稻区SFI总体呈上升趋势,SFI增加的区域占69.3%。各稻区在前期和中期(东北稻区的中期除外)均表现为土壤有机质和全氮影响SFI变化的相对重要性占比(19.4%~60.3%)远大于其他指标(0.1%~13.3%)。至近期,所有稻区各指标影响SFI变化的相对重要性占比差距缩小(7.4%~26.8%),土壤有效磷和速效钾及土壤pH(东北稻区pH除外)等指标的相对重要性增加,其中长江中游稻区土壤有效磷含量的相对重要性增至最大,但各稻区仍均以土壤全氮和有机质含量的相对重要性较大。综上,应综合考虑不同阶段和不同稻区土壤肥力质量时空差异特征及其关键肥力指标相对重要性的变化,针对性地优化施肥措施,防治水稻土酸化,以改善和提高水稻土肥力质量。