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。

控释氮肥减量配施对土壤氮素调控及夏玉米产量的影响

控释氮肥减量后移能够有效提高氮肥的利用率、降低成本,还能够减少对环境造成污染。因此,研究控释氮肥减量配施在小麦-玉米轮作体系中对土壤氮素调控及夏玉米的产量影响,对指导小麦-玉米轮作体系科学施肥具有重要的指导意义。本研究共设置不施氮肥(CK)、100%普通尿素(U)、100%控释尿素(CRU)、80%控释尿素(80%CRU)、100%配方控释肥(100%SCR)及80%配方控释肥(80%SCR)6个处理,探讨控释氮肥减量配施对土壤铵态氮、硝态氮、微生物量氮、全氮、土壤酶活性及产量的影响。结果表明,在玉米生育期内施用氮肥的处理较不施氮肥的处理土壤铵态氮、硝态氮、微生物量氮均显著增高。在成熟期,100%控释尿素处理的土壤全氮较不施氮肥处理高出了46.23%,较常规施肥处理高出了36.37%,100%配方控释肥处理较不施氮肥处理高出了30.83%,较常规施肥处理高出了24.60%。玉米生育期内土壤酶活性变化也十分显著,脲酶和硝酸还原酶活性均在大喇叭口期达到最高。不同施氮处理间对硝酸还原酶和脲酶活性的影响总体表现为100%控释配方肥最高,不施氮肥处理活性最低。各施氮处理比不施氮肥处理增产显著,增幅为7.6%~13.04%,其中100%配方控释肥和100%控释尿素较常规施肥处理相比,分别增产4.04%和1.37%,其中100%配方控释肥增产显著。综上,100%配方控释肥能够在作物整个生育期内持续释放氮素使其能够满足作物整个生长期对氮素的需求,提高土壤肥力与固氮能力,从而提高氮肥的利用率,实现环境效益与经济效益双赢。

设施土壤有机氮组分及番茄产量对水氮调控的响应

【目的】酸解铵态氮和酸解氨基酸氮是土壤有机氮的主要组分,可表征土壤的供氮能力,并在氮素矿化、固定、迁移以及为植物生长供氮过程中起到至关重要的作用。研究水、氮调控下设施土壤有机氮组分和番茄产量的相互关系,为评价设施土壤肥力变化和制定科学合理的水、氮管理措施提供科学依据。【方法】田间定位试验在沈阳农业大学的温室内进行了5年,供试作物为番茄,栽培垄上覆盖薄膜,打孔移栽番茄幼苗,膜下滴灌。定位试验三个氮肥处理为施N75、300、525kg/hm^2,记为N1、N2和N3;三个灌水量为25、35和45kPa灌水下限(灌水始点土壤水吸力),记为W1、W2和W3,共9个肥水处理组合。在试验第五年番茄生长期(2016年4—8月)调查了番茄产量及其构成,在休闲期(2016年9月)测定0—10、10—20和20—30cm土层土壤有机氮组分、有机碳和全氮含量。【结果】9个处理中,土壤全氮、有机碳和除酸解氨基糖氮外的有机氮组分含量均随土层深度的增加而降低,且0—10、10—20和20—30cm土层间含量差异显著(P<0.05)。三个土层中酸解总氮占土壤全氮的66.0%、64.6%和55.2%,是土壤有机氮的主要存在形态。土壤酸解总氮中各组分含量及其所占比例的大小顺序为酸解氨基酸氮、酸解铵态氮>酸解未知态氮>酸解氨基糖氮。灌水下限和施氮量对番茄产量及单果重的影响均达极显著水平(P<0.01),水氮交互效应也达显著水平(P<0.05)。休闲期土壤酸解铵态氮与番茄产量间显著负相关(P<0.05)。番茄产量W1N2(25kPa+N300kg/hm^2)、W2N1(35kPa+N75kg/hm^2)和W1N1(25kPa+75kg/hm^2)处理间差异不显著。【结论】灌水和施氮量及其交互效应对各土层土壤全氮、酸解总氮、酸解铵态氮和酸解氨基酸氮的影响均达到极显著水平(P<0.01),而对土壤有机碳的影响不显著(P>0.05)。相同施氮量下,0—30cm土层酸解铵态氮和0—20cm土层酸解氨基酸氮含量均在土壤水吸力维持在35~6kPa范围内达最高值,此土壤水分含量下的0—20cm土层酸解氨基酸氮含量在施N75kg/hm^2时达到最大值。从节水减氮和番茄产量的角度考虑,控制土壤水吸力不低于35kPa、每季随水施N75kg/hm^2为供试番茄生产条件下最佳的水、氮组合量。

秸秆还田深度对土壤温室气体排放及玉米产量的影响

【目的】秸秆还田是培肥地力、增加土壤有机质和改善土壤结构的重要技术手段,但以往的研究表明秸秆还田会加速土壤温室气体的排放。本研究通过对秸秆不同还田深度下农田土壤温室气体排放特征和产量的研究,明确降低温室气体排放量的最佳还田深度,以期为合理利用秸秆、提高作物产量,实现农业可持续发展提供科学依据。【方法】采用大田微区试验,以玉米为供试作物,设置4个还田深度,采用静态箱-气相色谱法测定整个玉米生长季不同还田深度下温室气体(CO2、CH4、N2O)的排放特征,产量及产量构成因素。试验共设5个处理,还田深度分别为0-10 cm(T1)、10-20 cm(T2)、20-30 cm(T3)和30-40 cm(T4),同时以不还田处理作为对照(CK)。【结果】(1)在整个玉米生长季CO2和N2O均表现为排放,CH4表现为吸收。CO2累积排放量为T3处理最高,较CK显著增加了28.6%,T4处理增加最少,较CK显著增加了17.1%(P<0.05),但T1与T4处理之间差异不显著;而N2O的累积排放量T2处理为最高,与CK相比,累积排放量显著增加111.3%,T4处理增加最少,与CK相比显著增加了12.8%(P<0.05);CH4则表现为吸收,且秸秆还田后降低了农田土壤对CH4的吸收能力,吸收量表现为CK处理>T4处理>T3处理>T1处理>T2处理,且各还田处理与CK之间差异显著(P<0.05)。(2)秸秆不同还田深度下,与对照相比,各处理玉米产量均显著增加,增产在5.6%-20.8%(P<0.05),但各处理之间的穗长、穗粗和行粒数差异不显著。当秸秆还至30-40 cm时,产量最高,较CK增加了20.8%,表明秸秆还田对提升土壤肥力及作物增产有重要作用。(3)从温室气体综合增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)来看,在100年尺度上,GWP表现为T2处理>T3处理>T1处理>T4处理>CK处理,而GHGI表现为T2处理>T3处理>T1处理>CK处理>T4处理,表明与CK相比,各处理均增加了玉米季温室气体的综合增温潜势,而T4处理则降低了玉米季温室气体排放强度,说明秸秆深还至30-40 cm可在一定程度上缓解全球增温潜势。【结论】秸秆还田会显著增加CO2和N2O排放,降低对CH4的吸收能力;秸秆深还至30-40 cm可相对降低综合增温潜势,降低温室气体排放强度,同时显著增加玉米产量。因此,为实现较高的玉米产量和较低的温室气体排放强度,秸秆深还至30-40 cm是较为合理的土壤改良培肥方式。

水氮耦合对设施土壤温室气体排放的影响

为探究水氮耦合对设施土壤温室气体排放的影响,基于连续5年的设施番茄水氮调控定位试验,比较分析了水氮耦合对土壤N_2O、CO_2和CH_4排放通量和累积排放量的影响,并估算了温室气体的全球增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)的差异。田间小区试验设置不同灌水下限(W1:25 kPa、W2:35 kPa、W3:45 kPa)和施氮量(N1:75 kg N·hm^(-2)、N_2:300 kg N·hm^(-2)、N3:525kg N·hm^(-2))组合共9个处理。结果表明:设施土壤N_2O和CO_2排放通量受灌水施肥时期的影响,施肥后N_2O排放通量呈增加趋势,高灌水量(低灌水下限25 kPa)促进N_2O和CO_2排放。CH_4的排放通量表现为中等和强变异的特点。除水氮交互对CO_2累积排放总量和施氮量对CH_4累积排放总量影响不显著外,灌水下限、施氮量和水氮交互作用对N_2O、CO_2、CH_4累积排放总量、GWP、GHGI和番茄产量的影响显著或极显著。随氮肥用量的增加,N_2O累积排放总量增加。N_2O和CO_2累积排放总量与GWP之间均达到极显著正相关,且各处理N_2O对GWP平均贡献率为5.25%,CO_2为94.59%。适当减少氮肥用量和增加灌水下限能够有效地降低温室气体排放和减缓全球变暖。W2N1处理是本研究中减缓温室气体排放并提高番茄产量的最佳水氮管理措施。

生物基包膜抑制型尿素对土壤温室气体排放及小青菜产量的影响

为研究生物基包膜氮肥对土壤温室气体排放及小青菜(Brassica chinensis)产量的影响,采用密闭式静态箱-气相色谱法测定盆栽试验条件下施用不同类型包膜尿素对土壤温室气体的排放特征,探究不同类型包膜尿素对土壤温室气体排放综合增温潜势(GWP)、排放强度(GHGI)及小青菜产量的影响。结果表明:抑制型尿素(I)、生物基包膜尿素(CRU)、生物基包膜抑制型尿素(CIRU)能够显著降低N_(2)O、CO_(2)、CH_(4) 3种温室气体的累积排放量。与普通尿素(U)相比,处理I、CRU和CIRU的N2O累积排放量显著降低了20.79%~79.52%,CO2的累积排放量显著降低了46.53%~62.24%,CH4的累积排放量显著降低了25.38%~30.11%。与处理U相比,处理I、CRU和CIRU的GWP分别显著降低了40.44%、60.66%和65.02%;温室气体GHGI与GWP呈现出同样的趋势,处理I、CRU和CIRU分别显著降低了26.32%、70.53%和78.95%。与其他处理相比,处理CIRU具有最优的温室气体减排效果。处理CIRU的小青菜产量最高,为1 960.00 kg·hm^(-2),较处理U显著增产68.00%。研究表明,生物基包膜抑制型尿素在提高小青菜产量的同时还可以减少菜地温室气体排放及氮素气态损失。

灌溉下限对设施土壤N_(2)O和NO排放特征的影响

[目的]合理灌溉是设施生产控制N_(2)O和NO排放,提高氮肥利用率的有效措施。研究不同灌水下限设施土壤N_(2)O和NO排放动态与土壤水分、无机氮和可溶性有机氮关系,分析N_(2)O和NO排放特征及影响因素,以期为N_(2)O、NO减排和设施土壤灌溉管理提供科学依据。[方法]基于连续7年的设施土壤不同灌溉下限的田间定位试验,以番茄为供试作物,设4个土壤水吸力处理,分别为25 kPa(W1)、35 kPa(W2)、45 kPa(W3)和55kPa(W4)。采用密闭静态箱-气相色谱和氮氧化物分析仪法,分别对番茄生长季的N_(2)O和NO进行田间原位同步观测。[结果]番茄生长季不同灌水下限处理土壤N_(2)O和NO排放通量分别为-34.46-1671.78μg N·m^(-2)·h^(-1)和6.83—269.89μg N·m-1·h^(-1),二者排放峰值期同步且主要发生在施肥和灌溉后,各处理NO/N_(2)O均小于1。土壤N_(2)O和NO累积排放量分别为W2和W1处理最低(P<0.01),各处理N_(2)O+NO总累积排放量表现为W4处理>W3处理>W1处理>W2处理。W2处理番茄产量较W1、W3和W4处理分别增加84%、32.4%和12%。单位产量N_(2)O+NO排放量表现为W4处理最高(P<0.01),W2处理最低。各处理施肥和收获后土壤无机氮和可溶性有机氮含量的重复测量方差分析表明,除灌水下限和观测时间交互对亚硝态氮含量影响不显著外,灌水下限和观测时间及二者交互效应对土壤无机氮和可溶性有机氮均有极显著影响(P<0.01)。冗余分析和相关分析表明,NO_(2)^(-)-N、NH_(4)^(+)-N和土壤孔隙含水量(WFPS)可分别解释设施土壤N_(2)O和NO变异的55%、32.5%和20.7%,均是极显著影响不同灌溉下限N_(2)O和NO排放的主要影响因素。[结论]综合考虑产量和N_(2)O、NO减排效应,灌水下限35 kPa的W2处理为本试验最适宜的灌溉管理措施。

氮肥与有机肥配施对设施土壤净矿化氮动态变化的影响

研究设施栽培条件下氮肥与有机肥配施对土壤净矿化氮含量及其速率的动态变化的影响,以评估净矿化氮在设施土壤供氮能力方面的作用,为设施番茄生产的合理施肥提供重要的理论依据。以设施番茄栽培连续7年定位施肥田间试验为依托,选择不同施氮量(N0、N1、N2、N3)和不同氮量配施有机肥(MN0、MN1、MN2、MN3)8个处理土壤,采用室内连续好氧培养方法,研究了各施肥处理土壤净矿化氮含量及净氮矿化速率,分析了土壤净矿化氮含量与可溶性有机氮、微生物量氮含量之间的联系。研究结果表明:在0~20 cm土层,氮肥与有机肥配施处理土壤全氮和无机氮含量均显著高于单施氮肥处理(P<0.05),施氮量对土壤全氮含量无显著影响,但对土壤无机氮含量则有显著影响,随施氮量的增加呈显著增加趋势。在培养过程中,各处理土壤净矿化氮含量随着培养时间延长呈先逐渐增加而后下降趋势,各处理土壤净氮矿化速率在培养7 d时最大,7~70 d期间快速下降,70 d后呈缓慢下降趋势,氮肥与有机肥配施处理土壤净矿化氮量和净氮矿化速率均显著高于单施氮肥处理(P<0.05),氮肥与有机肥配施处理土壤净矿化氮含量和净氮矿化速率随施氮量增加呈下降趋势;与单施氮肥相比,氮肥与有机肥配施显著提高土壤可溶性有机氮与微生物量氮含量(P<0.05),但受施氮量影响不显著;土壤净矿化氮含量与可溶性有机氮、微生物量氮之间有密切联系,但与可溶性有机氮之间的密切程度更大。综合来看,MN1、MN2处理可显著提高土壤供氮能力(无机氮+净矿化氮)。在设施番茄栽培条件下,连续7年氮肥与有机肥配施可显著提高设施土壤供氮能力,也可较好地协调设施土壤氮素供应与固持的关系。