中国主要旱作粮食耕地土壤钾素的时空演变特征

以小麦和玉米等旱作粮食为主的旱地是我国重要的耕地类型,其对国家粮食安全和稳定发挥着极其重要的作用。基于全国耕地质量监测数据库,分析了1988—2007年和2008—2018年间全国及不同区域主要旱作粮食耕地的钾肥投入量、土壤速效钾和缓效钾的时空演变规律,并探讨了土壤速效钾与缓效钾的量化关系。结果表明,1988—2018年全国主要旱作粮食耕地的化肥钾、秸秆钾和总钾的年均投入量(K2O)均保持在较为稳定的水平,年均投入量分别为125 kg·hm–2·a^(–1)、148 kg·hm^(–2)·a^(–1)和273 kg·hm^(–2)·a^(–1)。在不同区域间均呈现出华北和东北的钾肥投入量显著高于其他区域的趋势。与1988—2007年相比,2008—2018年东北、华北、华东和西南的总钾年均投入量增加了4.22%~23.8%,而西北则略有降低。在1988—2018年,全国主要旱作粮食耕地土壤速效钾和缓效钾分别为139 mg·kg^(–1)和665 mg·kg^(–1),与1988—2007年相比,2008—2018年的土壤速效钾和缓效钾分别提高了15.1%和6.72%。在不同区域间,土壤速效钾以西北和东北较高(大于150 mg·kg^(–1)),而华北和华东较低(136~149 mg·kg^(–1)),西南最低(116 mg·kg^(–1)),与1988—2007年相比,2008—2018年华北、华东、西北和西南的土壤速效钾分别提高了15.7%、17.7%、4.16%和34.5%,土壤缓效钾分别增加了8.95%、2.15%、5.71%和4.19%,而东北则略有降低。线性方程表明,随着土壤速效钾的提高,2008—2018年土壤缓效钾的增加量(14.2 mg·kg^(–1))明显高于1988—2007年(7.23 mg·kg^(–1)),同时,不同区域间的拟合方程也表明,随着土壤速效钾的增加,1988—2018年东北、华东和西北的土壤缓效钾增加量明显高于华北。因此,在全国耕地质量监测平台上,与1988—2007年相比,2008—2018年全国和大部分区域主要旱作粮食耕地的土壤速效钾和缓效钾均显著增加。土壤速效钾与缓效钾的线性关系为快速估算缓效钾含量提供了技术参考,但不同试验阶段和区域内拟合方程存在差异,建议不同区域应因地制宜,综合土壤速效钾和缓效钾含量精准划分土壤供钾能力等级,从而为实现藏钾于地的目标奠定基础。

我国耕地质量状况与提升对策

耕地是最宝贵的农业资源和最重要的生产要素。耕地质量关乎国家粮食安全、农产品质量安全和农业生态安全,提升耕地质量是促进粮食生产和农业可持续发展的迫切需要。我国耕地质量整体偏低、退化和污染严重、占优补劣现象普遍。根据耕地质量存在的这些问题,提出我国耕地质量提升的目标是:(1)土壤有机质含量总体提高;(2)土壤养分资源利用效率提高,土壤障碍因子得到消减或控制;(3)高标准农田布局和比例合理化;(4)耕地质量监测网络化。建议我国耕地质量提升采取如下措施与对策:(1)开展全国耕地质量调查;(2)构建全国农田土壤质量监测网络和研究野外台站两大平台;(3)开展便捷施用技术,高效、循环利用的"有机肥资源利用"工程;(4)实施中低产田改良与污染土壤修复的"土壤障碍因子消减"工程。研究对进一步强化耕地质量建设、推动实施耕地质量保护与提升行动具有重要参考价值。

农田土壤健康评价体系构建的若干思考

健康土壤是保障粮食安全、耕地产能提升和农业高质量发展的基础。目前土壤健康评价已成为全球土壤学领域研究的焦点和热点,国内外学者对于土壤健康评价方法及指标的选择进行了系统总结,然而缺乏具体评价过程中的实操性建议。本文重点剖析了土壤健康的特点与多功能性、评价的通用原则、指标选择的n+X模式及评价方法的选择与落地实现,提出了土壤健康差与基准值、基础指标和约束性指标的选择及指标选择的制宜性,明确了土壤健康指标体系建立需要考虑土壤质地、作物类型、土地利用方式、气候条件等因素,建议土壤健康技术和模式落地实现需要与相关政策结合。未来需要继续开展土壤健康驱动机制和健康土壤培育机理研究;基于长期定位试验和耕地质量长期监测网点,构建基于土壤质地、作物类型、土地利用、管理目标和评价尺度的指标体系和阈值、数据库和决策支持系统;结合相关政策和区域环境的约束性,形成跨区域、跨国家的共识、公约和行动,推动全球土壤健康行动落地和农业可持续发展。

不同母质发育红壤酸性特征及影响因素

采集了花岗岩风化物和第四纪红土发育的耕地土壤,比较强酸性(pH<5.0)和酸性(5.0≤pH<6.5)条件下土壤相关理化指标的差异,并应用相关性分析和冗余分析,探究两种红壤酸性特征差异和影响因素。结果表明,pH低于5.0的土壤中,两种红壤pH分别为4.85±0.11和4.60±0.43,二者差异不显著,但第四纪红土红壤交换性酸、阳离子交换量、游离氧化铁显著高于花岗岩风化物红壤,有机质、交换性Mg^(2+)、盐基饱和度则相反;pH 5.0~6.5的土壤中,两种红壤的pH分别为5.37±0.33和5.48±0.48,第四纪红土红壤的游离氧化铁含量显著高于花岗岩风化物红壤。两种红壤的pH与盐基离子总量、交换性Ca^(2+)、交换性Mg^(2+)、盐基饱和度呈显著正相关,而与交换性酸总量、交换性H+、交换性Al^(3+)呈显著负相关。

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。

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。

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。

黑龙江克山县耕地肥力要素多元分析

监测和评价土壤肥力特征,是高效土壤管理的基础。运用多元数据分析方法,对黑龙江省克山县耕地质量监测数据进行深度挖掘,以明晰县域土壤肥力质量特征。该县耕作层土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾平均含量分别为44.32 g/kg、195.91 mg/kg、29.05 mg/kg、184.56 mg/kg,总体地力水平为中等。主成分分析1~6主成分解释了64.1%方差变异。采用聚类分析方法,把具有相似肥力特性的行政单元进行分类指导管理,针对土壤肥力分析结果,在作物种植过程中需大力推广科学施肥技术,重视有机肥与化肥配施,适当控制氮、磷肥施用,推进秸秆还田,为提高各乡镇耕地质量提出相关建议,为科学施肥和土壤培肥提供技术支撑。

侧深施氮对我国水稻产量和氮利用效率影响的整合分析

探讨在不同条件下侧深施氮(SDN)对水稻产量及氮肥利用效率的影响,为水稻精准施氮提供理论依据。通过搜集已发表的文献,建立了214组SDN和农民常规撒施(BN)下水稻产量和氮肥利用效率的数据库。采用整合分析的方法,研究在水稻种植区、土壤氮素含量、不同施氮量等条件下SDN对水稻产量及氮肥利用效率的提升幅度,采用随机森林方法明确了影响SDN效果的主控因素。相对于BN,SDN能够显著提高产量、氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮肥吸收利用率,提高幅度分别为4.57%、4.57%、23.94%和21.11%。不同种植区域下SDN对产量的提升幅度东北稻区最大。不同水稻类型下SDN的产量和氮肥利用效率提升幅度不同,产量提升方面,粳稻(6.85%)>籼稻(5.11%),杂交稻无显著提升;SDN对氮肥农学利用率和吸收利用效率的提升幅度方面,籼稻>粳稻>杂交稻。不同种植模式下SDN对产量和氮肥利用效率的提升幅度均为单季稻>双季稻。土壤全氮<2 g/kg、速效氮<150 mg/kg时SDN对产量的提升幅度较大。当SDN的氮肥施用量≤150 kg/hm^(2)和追肥施氮均使水稻产量和氮肥利用效率提升幅度较大,然而,随着SDN施氮量的提升,增产增效幅度下降。随机森林分析结果表明SDN对水稻产量的提高幅度主要受土壤全氮、有效磷和施氮量的影响,而其对水稻氮肥利用效率的提升幅度主要受速效氮、施氮量和有效磷的影响。SDN对水稻产量和氮肥利用效率均有显著的提高,南方稻区和长江流域采取SDN对产量和氮素利用效率增幅不如东北稻区,SDN有利于含氮量较低的土壤水稻增产增效,且SDN施氮量不宜超过150 kg/hm^(2),增效型氮肥、追施氮肥以及磷肥与SDN配合施用利于增产增效。

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。

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。

长期施肥下旱地红壤不同保护态有机碳库变化特征

为研究长期施肥对旱地红壤不同保护态有机碳组分(库)的影响,在不施肥(CK)、单施氮肥(N)、施常量氮磷钾肥(NPK)、施2倍量氮磷钾肥(HNPK)、氮磷钾肥配施有机肥(NPKM)、单施有机肥(M)6个处理下,分析物理-化学联合分组方法分离的土壤未保护、物理保护、物理-化学保护、物理-生物化学保护、化学保护、生物化学保护的有机碳组分的含量特征及其与总有机碳含量的关系,并探究土壤各保护态有机碳库储量与累积碳投入量间的关系。结果表明,CK与N处理间的土壤各保护态有机碳组分的含量均无显著差异(P>0.05)。与CK相比,施氮磷钾肥(NPK、HNPK)与有机肥(M、NPKM)处理的土壤总有机碳含量、未保护有机碳组分含量、物理保护有机碳组分含量分别提高13.3%~48.0%、39.2%~221.5%、41.9%~132.3%,土壤未保护有机碳、物理保护有机碳占土壤总有机碳的比例提高1.9~10.0、2.5~5.5个百分点,增幅均达显著水平(P<0.05),该效应在施有机肥条件下表现更为明显。土壤各保护态有机碳组分含量与总有机碳含量均呈正相关关系,线性回归方程拟合结果显示,单位总有机碳含量增加引起的未保护游离粗颗粒有机碳和物理保护有机碳含量的变化值分别达44.3%和28.0%(P<0.001)。除土壤生物化学保护有机碳外,其他保护态有机碳库的储量均与累积碳投入量呈极显著线性正相关(P<0.01)。研究表明,施肥后土壤增加的有机碳优先固存于未保护游离粗颗粒有机碳和物理保护有机碳组分中。与施化肥相比,有机培肥可更好地促进旱地红壤总有机碳的固存、提升有机碳的活性及增强有机碳的物理保护作用。在当前碳投入水平下,旱地红壤的生物化学保护有机碳可能已接近平衡状态。

不同磷肥调控措施下红壤磷素有效性和利用率的变化

南方红壤区磷肥当季利用率仅为10%~25%,提高磷肥利用率是亟待解决的问题。通过两年田间试验,分析了不同磷肥品种(过磷酸钙、猪粪、钙镁磷肥、磷酸一铵、磷酸二铵)、磷肥梯度(常规施磷、减磷20%、减磷30%)以及调控措施(石灰、钙镁磷肥配施磷酸二铵、钙镁磷肥配施秸秆)对红壤磷素有效性和作物生长的影响,探索提高磷肥利用率的途径。结果表明,各磷肥品种间,以猪粪处理土壤有效磷、地上部生物量、磷肥累积利用率等指标最高,土壤有效磷较不施磷处理两年分别提高了32%和241%,地上部生物量较不施磷处理两年分别提高了73%和510%,两年的磷肥累积利用率分别为16.4%和26.5%;伴随磷肥用量的减少,土壤有效磷含量显著降低,而对油菜生长、磷肥利用率及磷肥农学效率无显著影响;与单施钙镁磷肥相比,钙镁磷肥配施磷酸二铵能显著提高油菜籽粒产量、土壤有效磷含量、磷肥累积利用率、磷肥农学效率、土壤磷素盈余量等指标。添加石灰可提高作物产量及土壤有效磷含量。油菜产量与土壤有效磷呈极显著正相关关系。上述结果表明,猪粪替代化学磷肥可达到减施增效、促进作物生长的目的,且以减磷30%为宜;钙镁磷肥配施磷酸二铵可推荐为磷肥调控措施。

红壤丘陵区稻田土壤剖面肥力特征及其与产量的关系

【目的】探究不同产量稻田土壤肥力的剖面特征,明确调控作物产量的关键环境因子,以提高低产田、稳定高产田的粮食产量,实现“藏粮于地”的国家战略目标。【方法】试验在江西进贤进行,稻田年产量>15000 kg/hm^(2)、12000~15000 kg/hm^(2)和<10000 kg/hm^(2)的地块分别代表高产、中产和低产土壤,选取高、中、低产量稻田样点各3个,采集耕作层、犁底层和潴育层土壤样品,测定耕作层厚度、容重、土壤紧实度、pH、阳离子交换量(CEC)、有机质含量、全量和有效氮磷钾含量、微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)等,并对土壤剖面性质和水稻产量进行线性相关分析和随机森林分析。【结果】1)高产田耕作层最厚,在16 cm左右,而低产田在13 cm左右,高产田耕作层土壤容重最小,为1.09 g/cm^(3),而低产田为1.21 g/cm^(3),高产田犁底层厚度和紧实度均最高,低产田最低。2)高、中、低产田土壤pH、碳氮磷养分含量和微生物生物量均表现为高产田>中产田>低产田,在土壤剖面上具有明显的“表聚”特征。高产田耕作层土壤有机质、全氮、有效氮、全磷和有效磷含量分别为38.82 g/kg、2.33 g/kg、198.54 mg/kg、0.81 g/kg和33.04 mg/kg,而低产田耕作层分别为29.75 g/kg、1.89 g/kg、158.71 mg/kg、0.62 g/kg和23.51 mg/kg。高产田耕作层土壤MBC和MBN含量分别为929.2、42.5 mg/kg,而低产田分别为533.6、30.8 mg/kg。3)在3个产量水平稻田土壤中钾素含量均随土层深度增加而增加,在低产田表现尤其明显,低产田耕作层全钾含量为8.12 g/kg,但母质层为10.77 g/kg。4)相关性分析和随机森林分析结果表明,水稻产量与耕作层土壤pH、有机质、全量和有效氮磷钾含量、微生物生物量碳氮以及微生物生物量碳氮比、耕作层厚度均呈显著正相关,这些变量可以解释水稻产量变化的53.7%,其中,微生物生物量碳、微生物生物量碳氮比和耕作层厚度是影响作物产量最重要的环境因素,其解释能力分别为9.2%、8.7%和7.9%。【结论】耕作层厚度和耕作层微生物生物量是调控水稻产量的关键环境因素。相比低产田,高中产田耕作层厚,耕作层土壤容重低、有机质含量高,供肥保肥能力强。因此,增加耕作层厚度和提高微生物生物量是改良中、低产田的关键。

长期不同施肥水田和旱地铁氧化物对红壤团聚体有机碳固持特性的影响

红壤中铁氧化物是影响有机碳固持的主要因素之一。探究红壤旱地和水田土壤有机碳与不同形态铁氧化物的关系,有助于理解土壤有机碳的稳定机制,为农田合理管理提供科学依据。本文依托我国南方红壤旱地和水田长期施肥定位试验(均超35年),分别采集长期不施肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷钾配施(NPK)和NPK与有机肥配施(NPKM)等4种施肥处理的土壤样品,采用沙维诺夫干筛法获得土壤大团聚体(>2 mm)、小团聚体(0.25~2 mm)和微团聚体(<0.25 mm),测定土壤团聚体有机碳含量及络合态、游离态和无定形等形态铁氧化物的含量。水田土壤大、小和微团聚体的平均有机碳含量分别为8.21 g∙kg^(-1)、7.65g∙kg^(-1)和2.08 g∙kg^(-1),而旱地分别为2.93 g∙kg^(-1)、6.68-1 g∙kg和1.33 g·kg^(-1);水田土壤大、小和微团聚体中的平均可溶性有机碳含量分别为70.72 mg∙kg^(-1)、79.83 mg∙kg和30.29 mg·kg^(-1),而旱地分别为7.27 mg∙kg^(-1)、21.49-1 mg∙kg和5.88 mg·kg^(-1)。无论是旱地还是水田,土壤小团聚体和微团聚体无定形铁氧化物含量与土壤有机碳含量均呈显著正相关关系,土壤各粒级团聚体无定形铁氧化物含量与可溶性有机碳含量均呈显著正相关关系。水田土壤各粒级游离态铁氧化物含量与土壤有机碳含量均呈显著正相关关系,尤以微团聚体贡献率较高。水田条件下,土壤微团聚体中的游离态铁氧化物含量与可溶性有机碳含量呈显著正相关关系。随着土壤团聚体粒级的增加,铁氧化物含量表现为先增加后降低的趋势。无定形铁氧化物对旱地和水田土壤有机碳均具有固持作用,游离态铁氧化物仅对水田土壤有机碳具有固持作用。

肥力梯度红壤上不同形态氮库对玉米吸氮量的贡献

不同形态的土壤氮素是作物吸收氮素的主要来源,而土壤肥力不仅影响氮素的含量,也影响氮素的有效性,进而影响作物对氮素的吸收利用。明确不同肥力红壤中各形态氮素的变化及其对作物吸氮量的贡献,可为阐明氮素循环机制和沃土培肥提供理论依据。2019年5月在湖南祁阳红壤实验站选取低肥力、中肥力和高肥力红壤进行田间微区试验,设置不施氮(N0)和常规施氮(N1)两个处理。分析了2020年玉米(该试验的第三季作物)种植前和收获后土壤矿质氮(MN)、固定态铵(FN)、微生物生物量氮(MBN)和可溶性有机氮(SON)含量的变化及其与玉米地上部吸氮量的关系,并通过结构方程模型(SEM)建立了各形态氮库与吸氮量的关系模型。结果发现,N0条件下高肥力土壤的籽粒产量约为中肥力土壤的4.6倍,但在N1条件下,高肥力土壤的玉米产量和生物量与中肥力土壤无显著差异,但其吸氮量显著高于中肥力土壤。与种植前相比,N0条件下,收获后中肥力土壤FN含量显著提高了63%,低肥力和高肥力土壤分别增加了47%和11%。与其相反,土壤MN、MBN和SON含量均有所降低。土壤MN含量降低了0.4~4 mg·kg^(-1);MBN降低了18%~44%且土壤肥力间无显著差异;SON减少了55%~84%。N1条件下,土壤MN含量降低了约22~38 mg·kg^(-1);MBN降低了32%~72%;而SON的减少量在高肥力土壤中可达99 mg·kg^(-1),分别为中肥力土壤和低肥力土壤的2.0倍和9.3倍。相关分析结果表明,地上部吸氮量与MBN、SON和NH_(4)^(+)-N减少量存在显著正相关关系。结构方程模型结果进一步表明,SON和NH_(4)^(+)-N直接影响吸氮量,MBN通过影响SON和MN间接影响玉米地上部吸氮量。总体而言,SON和MBN可直接或间接影响玉米对氮素的吸收利用,是土壤中重要的氮素存在形态,应进一步加强对其形态转化的机制研究,可促进红壤培肥和氮素高效利用。

中国水稻相对产量差时空变异及其对氮肥的响应

【目的】通过分析2004—2019年间中国水稻相对产量差的时空变异特征、驱动因素以及不同地力水平下相对产量差对氮肥的响应,为实现水稻增产和氮肥合理施用提供理论依据。【方法】数据来源于2004—2019年间农业农村部耕地质量监测保护中心设置在全国主要稻区的408个监测点,包括东北地区24个、长三角地区110个、长江中游地区138个、西南地区56个、华南地区80个。以各监测点施肥区与不施肥区水稻产量之差代表由肥料投入及由此引起的土壤性质改变所贡献的相对产量,利用高产农户统计法获取最高相对产量(HRY)和平均相对产量(ARY),HRY和ARY之差为相对产量差(G_(RY))。根据不施肥区产量,将各区域土壤地力划分为低、中、高3个水平,结合随机森林模型探讨不同区域G_(RY)的主要驱动因素,计算不同地力水平下GRY与氮肥用量的关系。【结果】2004—2019年间,全国水稻HRY为4.98~6.86 t/hm^(2),ARY为3.06~3.47 t/hm^(2),GRY为1.92~3.41 t/hm^(2)。不同区域相比,HRY和GRY均是西南(水稻–其他作物轮作)>长三角(水稻–其他作物轮作)>华南(早稻)>东北(单季稻)>长江中游(水稻–其他作物轮作)>华南(晚稻)>长江中游(早稻)>长江中游(晚稻)。G_(RY)在低、中地力土壤上随着氮肥施用量的增加先显著降低后趋缓,而在高地力土壤上下降不显著。除西南稻区低、中地力和东北稻区低地力土壤外,其他区域的低、中地力上均出现了氮肥施用量的转折点:长江中游早稻和晚稻分别为187.5、165.0 kg/hm^(2)和183.5、152.5 kg/hm^(2),华南早稻和晚稻分别为195.0、153.0 kg/hm^(2)和169.0、157.0 kg/hm^(2),长江中游和长三角水稻–其他作物轮作体系下分别为199.5、184.5 kg/hm^(2)和202.0、171.0 kg/hm^(2),东北中地力土壤上为146.5 kg/hm^(2)。整体而言,低、中地力土壤上,氮肥用量、土壤有机质和全氮是影响G_(RY)相对重要的因素;高地力土壤上,土壤有机质和全氮对G_(RY)的影响较大,同时钾肥施用量显著影响长江中游和华南早稻的G_(RY)。【结论】西南地区水稻相对产量差最高,长江中游地区晚稻相对产量差最低。氮肥施用量、土壤有机质和全氮含量是影响水稻相对产量差的重要因素。高地力土壤上,氮肥用量对相对产量差影响不显著,建议适当减施氮肥。低、中地力土壤上,在氮肥用量转折点(146.50~202.00 kg/hm^(2))之前,增施氮肥可显著降低相对产量差,提高产量潜力。在长江中游和华南地区的高地力土壤上早稻应注重钾肥施用。

东北典型县域稻田不同肥力土壤剖面肥力变化特征及验证

研究东北典型县域稻田不同肥力土壤剖面特征,阐明东北典型县域高肥力土壤的特征及中、低肥力土壤的关键障碍因素,为进一步提升该区域稻田肥力和水稻产量提供科学依据。在黑龙江省方正县7个乡镇采集了9个稻田不同肥力土壤剖面样,测定了耕层和犁底层厚度、土壤容重、pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、硫离子(S^(2-))、锰离子(Mn^(2+))、阳离子交换量(CEC)、团聚体组分、微生物量碳/氮等指标,进行土壤综合肥力评价以及水稻产量与各土壤肥力指标的逐步回归分析,探究肥力差异的主控因子。结果表明,稻田不同肥力土壤剖面有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、CEC、Mn^(2+)含量随剖面土层深度增加逐渐降低,且均表现为高肥力土壤>中肥力土壤>低肥力土壤。方正县高肥力土壤(产量大于10000 kg/hm^(2))耕作层厚,容重低,耕作层有机质含量丰富,全氮含量高,全磷含量中等,且犁底层有机质、全氮和碱解氮含量高。中肥力土壤(产量介于7500~10000 kg/hm^(2))耕作层有机质含量高,全氮含量中等,全磷含量低。低肥力土壤(产量介于5500~7500 kg/hm^(2))耕作层薄,土壤S^(2-)含量高,其他养分含量均低于高肥力土壤。高、中、低肥力土壤有效磷和速效钾养分达到丰富水平。高肥力土壤与中肥力土壤耕作层有机质、全氮、碱解氮、微生物量碳、0.25~0.053 mm团聚体含量和Mn2+差异显著,中肥力土壤与低肥力土壤耕作层除全磷和阳离子交换量外,其他指标无显著差异。高、中、低肥力土壤耕作层和犁底层土壤综合肥力指数分别为0.70和0.83、0.42和0.49、0.21和0.26。水稻产量与各土壤肥力指标的逐步回归分析表明,有机碳和全磷对产量的影响最大,耕作层微生物量氮和pH以及犁底层有效磷和全钾对产量影响较小。耕作层土壤有机碳和全磷对产量的影响最大,中、低肥力土壤有机碳和全磷养分供应不充足,全氮和碱解氮含量中等,低肥力土壤耕作层薄,因此,中、低肥力土壤建议采用增施有机肥和磷肥等措施,同时加强改良和培肥管理,以实现高肥力土壤的产量目标。

氮肥用量和运筹对我国水稻产量及其构成因子影响的整合分析

【目的】合理的氮肥用量和运筹能够有效提高水稻产量和氮肥利用率。明确氮肥用量和运筹对水稻产量及其构成因子的影响可为水稻高产高效生产提供理论指导。【方法】基于119篇已发表的有关稻田氮肥管理的论文,采用整合分析(Meta-analysis)的方法量化了不同施氮量、基肥+分蘖肥、穗肥、种植区域和土壤性质等条件下氮肥管理对水稻产量及其构成因子的影响,并探究了我国各水稻主产区提高产量构成因子以获得高产的适宜措施。【结果】与不施氮肥相比,施用氮肥能够显著提高水稻实际产量(+42.2%)和理论产量(+43.1%),有效穗数和每穗粒数分别增加了33.2%和13.5%,而结实率和千粒重分别下降了4.2%和1.6%。在不同施氮量和氮肥运筹下,水稻产量及其构成因子存在显著差异。水稻实际和理论产量在施氮量为150~200 kg/hm^(2)时增幅最大,有效穗数和每穗粒数在施氮量为250~300 kg/hm^(2)时增幅最大。另外,随着施氮量的增加,水稻的结实率和千粒重显著下降。基肥+分蘖肥的氮比例(基肥+分蘖肥占总施氮量的比例)为30%~50%和穗肥氮比例为10%~30%时,水稻增产幅度最大;基肥+分蘖肥氮比例(≤70%)增加,水稻有效穗数的提升幅度呈上升趋势,而每穗粒数和结实率的提升幅度呈下降趋势;穗肥氮比例(穗肥占总施氮量的比例)增加(≤30%),每穗粒数和结实率的提升幅度呈上升趋势。对于不同稻区而言,水稻产量及其构成因子的提升幅度存在显著差异,主要表现为东北单季稻区产量增幅最大,长江流域单双季稻区次之,南方单双季稻区和云贵川湘高原单季稻区最小。所有稻区均通过增加有效穗数和穗粒数以获得高产。水稻实际和理论产量的增幅受SOM(土壤有机质)影响较小,各SOM水平间的增幅差异不超过4.39%和2.26%,而受土壤TN(总氮)、AN(有效氮)、AP(有效磷)、AK(速效钾)的含量变化影响较大,但亚组间没有显著差异。【结论】我国水稻的推荐施氮量不宜超过250 kg/hm^(2),推荐基肥+分蘖肥比例不要超过总施氮量的70%,穗肥比例10%~30%时更有利于水稻增产。在保证水稻有效穗数和穗粒数前提下,提高结实率是所有稻区未来增产的关键,需通过化学调控、适宜的栽培密度和优良品种等综合管理措施来实现。

长期施肥下农田土壤-有机质-微生物的碳氮磷化学计量学特征

探讨外源养分的输入对土壤系统内碳、氮、磷化学计量特征的影响,对于深刻认识农田土壤有机碳(C)和养分循环及其相互作用过程具有重要意义。以26年的农田长期定位施肥试验为平台,分析长期不同施肥条件下土壤、有机态及微生物生物量碳、氮、磷含量及其化学计量学特征,并根据内稳性模型y=c x^(1/H)计算其化学计量内稳性指数H。结果表明:与长期撂荒处理(CK_0)相比,种植作物条件下26年化肥配施有机肥处理(MNPK和1.5MNPK)显著降低微生物生物量氮含量,但显著提高了微生物生物量磷的含量。相对于撂荒处理,即使长期配施化肥磷处理(NP、PK、NPK),其土壤有机磷降低显著。对于C∶N比而言,化肥配施有机物料处理(秸秆或有机肥)的土壤C∶N比、有机质C∶N及微生物生物量C∶N比均显著低于化肥处理(N、NP、PK和NPK)。对于C∶P比而言,相对于撂荒处理,26年施用磷肥(化肥磷或有机磷)显著降低了土壤C∶P比和微生物生物量C∶P比,而CK和偏施化肥处理(N、NP和PK)显著降低了土壤有机质C∶P比。对于土壤N∶P比而言,撂荒处理土壤N∶P比显著高于其他处理,而撂荒处理土壤有机质N∶P比显著高于CK和化肥处理,表明不施肥或化肥条件下作物种植加剧了土壤有机质中氮素的消耗。微生物生物量C∶N、C∶P、N∶P比的内稳性指数H分别为0.24、0.75、0.64,不具有内稳性特征。微生物生物量C∶N、C∶P、N∶P比分别与土壤C∶N、C∶P、N∶P比呈显著正相关关系,但与土壤有机质碳氮磷化学计量比之间无显著相关性。表明土壤碳、氮、磷元素的改变会直接导致微生物生物量碳、氮、磷化学计量比的改变,但微生物生物量碳氮磷化学计量比对土壤有机质碳氮磷化学计量比无显著影响,土壤有机质的碳氮磷计量比可能更多是受到作物和施肥等养分管理措施的影响。