• ISSN 1008-505X
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2020年  26卷  第6期

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2020年6期封面+目录
2020, 26(6): 1-5.
摘要:
近30年中国稻区氮素平衡及氮肥偏生产力的时空变化
黄晶, 刘立生, 马常宝, 薛彦东, 韩天富, 柳开楼, 刘淑军, 张璐, 李冬初, 都江雪, 张会民
2020, 26(6): 987-998. doi: 10.11674/zwyf.19410
摘要:
  【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/hm2,全国稻区氮肥平均施用量为N 215 kg/hm2。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/ (hm2·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/hm2,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45 kg/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/hm2
长期氮肥减量深施对双季稻产量和土壤肥力的影响
彭术, 王华, 张文钊, 侯海军, 陈安磊, 魏文学, 万勇军, 袁辉忠
2020, 26(6): 999-1007. doi: 10.11674/zwyf.19406
摘要:
  【目的】  合理减少氮肥用量是解决我国当前稻田生态系统氮素损失量大、氮肥利用率低等问题的重要途径。然而,长期减少氮肥投入能否维持水稻产量和稻田土壤肥力还不清楚。以我国南方典型红壤双季稻田为研究对象,系统分析连续7年化肥深施结合不同氮肥用量措施下双季稻产量、氮肥偏生产力、根际土壤速效养分含量和土壤肥力的差异特征,探讨长期氮肥减量的可行性,为制定适宜的双季稻田氮肥管理措施提供科学依据。  【方法】  于2012年,在中国科学院桃源农业生态试验站开始设置氮肥减量深施长期定位试验,以常规施氮 (CF,早、晚稻施氮量均为N 150 kg/hm2,基追肥均为表层撒施) 为对照,基于化肥深施,设置3个氮肥水平 (N1,减氮30%;N2,减氮23%;N3,减氮16%)。每年早、晚稻收获计产,并于2018年早、晚稻分蘖期、拔节期和成熟期采集水稻根际土壤,测定土壤无机氮、有效磷和速效钾含量,同时测定晚稻成熟期根际土壤pH、有机碳和全量养分含量,研究长期氮肥减量深施对双季稻产量和稻田土壤肥力的影响。  【结果】  与CF处理相比,深施条件下,减氮16%~30%处理早、晚稻分蘖期根际土壤无机氮和速效钾含量无显著变化,但减氮23%和30%处理早稻分蘖期根际土壤有效磷含量显著降低;拔节期和成熟期根际土壤NH4+-N和NO3-N含量分别提高了4.26%~109.00%和2.56%~65.50%,有效磷和速效钾含量分别提高了3.10%~32.60%和5.94%~42.40%,保证了双季稻生育中后期氮磷钾养分的稳定供应。在化肥深施基础上,连续7年减少16%~30%氮肥用量提高了氮肥偏生产力,早晚稻增产4.37%~32.70%,并维持土壤有机质和全量养分含量的稳定。  【结论】  结合化肥深施,在常规氮肥用量(150 kg/hm2)基础上减少30%氮肥投入,双季稻根际土壤速效养分含量不会降低,甚至高于撒施。因此,长期减施氮肥结合深施可以维持双季稻的产量和稻田土壤肥力的稳定,显著提高氮肥偏生产力。
连续秸秆–紫云英协同还田对双季稻产量、养分积累及土壤肥力的影响
刘颖颖, 卜容燕, 唐杉, 韩上, 王慧, 李敏, 程文龙, 李晓韦, 武际, 朱林
2020, 26(6): 1008-1016. doi: 10.11674/zwyf.19353
摘要:
  【目的】  水稻秸秆和紫云英是稻田系统重要的原位有机肥源,明确长期连续秸秆–紫云英协同还田后水稻增产趋势、养分积累和土壤肥力变化特征,以便对秸秆和绿肥资源进行综合利用。  【方法】  本试验为3年连续大田试验 (2016―2018年),以双季稻为研究对象,设置3个处理:1)早、晚稻秸秆不还田,冬季不种植紫云英 (CK);2)早、晚稻秸秆全量还田,冬季不种植紫云英,即秸秆单独还田 (T1);3)早、晚稻秸秆全量还田,冬季种植紫云英,即秸秆–紫云英协同还田 (T2)。各处理均施用等量化肥。  【结果】  相对于对照,连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田周年轮作下水稻产量分别增加1.93%~9.15%和1.34%~12.48%,且连续秸秆–紫云英协同还田周年增产效果随着试验年份的增加而增加。不同年份间水稻产量变异系数和可持续性指数分析表明,连续秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田均有利于双季稻持续性高产稳产,其中秸秆–紫云英协同还田效果优于秸秆单独还田。连续3年6季还田后,秸秆单独还田和秸秆–紫云英协同还田对水稻产量的贡献率分别为6.92%和11.10%,其中秸秆–紫云英协同还田处理比秸秆单独还田处理高76.47%。与产量变化趋势一致,连续秸秆–紫云英协同还田不仅有利于早稻氮、磷、钾养分积累,对晚稻养分积累也有一定的后效作用。与试验初始土壤养分含量相比,2018年晚稻收获后,对照土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别降低了9.03%、11.11%、3.87%和10.57%。而相对于对照,连续秸秆–紫云英协同还田处理土壤有机碳、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了20.51%、25.00%、24.16%和20.37%;相对于秸秆单独还田处理有机碳、全氮和有效磷含量分别增加了2.73%、7.14%和14.19%。  【结论】  在双季稻轮作系统中,连续秸秆–紫云英协同还田有利于早稻和晚稻获得高产和稳产,同时增加早稻氮、磷、钾养分积累,提高土壤有机碳、全氮和有效磷含量,是综合利用秸秆和绿肥资源较好的方式。
有机肥和缓控肥替代部分化肥降低双季稻田综合净温室效应
李桂花, 周吉祥, 张建峰, 杨俊诚
2020, 26(6): 1017-1024. doi: 10.11674/zwyf.19389
摘要:
  【目的】  秸秆还田是我国水稻生产中的常规土壤培肥措施,在此背景下,进一步研究有机肥和包膜尿素替代部分普通尿素,以及施用硅肥和微量元素对土壤固碳效应和温室气体排放的影响及机理,为实现稻田“固碳减排”提供依据。  【方法】  江西高安县的双季稻田间定位试验始于2013年。在秸秆全部还田、早稻施N165 kg/hm2和晚稻施N 195 kg/hm2条件下,设置4个氮素处理: 100%普通尿素氮 (CK);用20%有机肥氮替代普通尿素氮 (N1);在N1基础上增加Si、Zn和S肥 (N2);在N2基础上用30%的包膜尿素氮替代普通尿素氮 (N3)。于收获期测定作物产量和地上部生物量,2016年测定了早稻和晚稻生育期温室气体 (CO2、N2O和CH4) 排放量。  【结果】  与早稻季相比,晚稻季温室气体排放总量较高,其中晚稻季CH4排放量是早稻季的4倍 (P < 0.05),生态系统呼吸增加了7.5%~9.3% (P > 0.05)。同一季节4个处理间生态系统呼吸没有显著差异;N2O排放量以CK 最高,其中早稻季CK处理比N1、N2和N3处理分别增加31.7%、27.2%和43.7%,晚稻季分别增加20.0%、31.5%和40.6% (P < 0.05);与CK处理相比,有机肥替代处理显著增加了CH4的排放量,其中早稻季N1、N2和N3处理分别增加了13.1%、13.9%和21.4%,晚稻季分别增加了19.4%、12.7%和13.7% (P < 0.05)。利用地上部生物量估计当季/年尺度土壤固碳效应,晚稻季有机肥处理 (N1、N2和N3) 与CK相比增加显著 (P < 0.05);2016年早稻产量比晚稻提高30%,所以早稻季综合净温室效应是负值 (碳汇),而晚稻季是正值 (碳源),全年总计为碳源,这表明稻田产生温室效应。与CK处理相比,有机肥和包膜尿素配施处理 (N3) 显著降低了全年综合净温室效应。  【结论】  连续4年的田间试验结果表明,在秸秆还田基础上,用有机肥部分替代普通尿素可显著增加CH4排放,但又显著降低N2O排放且增加土壤固碳效应。综合考虑,有机肥投入会显著降低双季稻田综合净温室效应。使用包膜尿素替代部分普通尿素可有效降低施用有机肥产生的CH4排放,且通过提高产量进一步降低双季稻生产系统的综合净温室效应。而施用中、微量元素肥料对综合净温室效应没有显著正效应。由于晚稻的温室气体排放量高于早稻,因此,通过优化施肥技术提高早稻产量是降低双季稻年度温室气体排放的有效措施。
好氧发酵猪粪部分替代化肥提高夏玉米氮素利用率和土壤肥力
郭校伟, 潘军晓, 张济世, 徐张义, 马东立, 崔振岭
2020, 26(6): 1025-1034. doi: 10.11674/zwyf.19407
摘要:
  【目的】  化肥及畜禽粪便的不合理施用不仅影响作物增产,还严重威胁土壤健康和环境安全。探究不同发酵方式猪粪有机肥及有机肥替代化肥的比例对夏玉米氮素吸收及土壤碳、氮含量的影响,为规模化养猪场粪便快速处理,及制定其与化肥的适宜配比提供理论依据。  【方法】  以‘先玉335’为供试材料,在中国农业大学丰宁动物试验基地进行田间试验。设置5个处理:不施肥 (CK),100%化肥氮 (CF),100%自然堆肥猪粪氮 (PM),100%好氧发酵猪粪氮 (PC),50%好氧发酵猪粪氮 + 50%化肥氮 (FM)。分析猪粪不同发酵方式及有机氮替代比例对夏玉米氮素吸收及土壤碳氮的影响。  【结果】  在等氮条件下,与CF处理相比,FM处理产量、穗粒数、千粒重均以FM处理最高,其中FM处理显著增产13.2%,PC、PM处理与CF处理差异均不显著。FM处理玉米氮素积累量最高,两年平均为304.6 kg/hm2,较CF处理氮素累积量显著提高15.5%;PC、PM处理与CF处理氮素积累量差异不显著。与CF 处理相比,FM处理的氮素当季回收率、氮素农学利用率和偏生产力两年平均分别显著提高85.9%、59.5%和13.2% (P < 0.05),PC、PM处理与CF 处理之间无显著差异。在玉米拔节期和抽穗期,FM处理0—40 cm土壤无机氮含量均最高,与 CF 无显著差异;在成熟期,FM处理土壤无机氮含量较CF处理显著增加41.8%,而PC和PM处理与CF处理无显著差异。此外,施用有机肥可不同程度地增加土壤有机碳和全氮含量,与CF处理相比,PC和FM处理使有机碳含量分别显著提高13.3%和9.8%;FM处理土壤全氮含量显著提高33.4%。  【结论】  在等氮条件下与单施化肥相比,50%好氧发酵猪粪氮 + 50%化肥氮配施不仅显著提高了夏玉米产量和氮素累积吸收量,还提升了土壤全氮和有机碳含量以及0—40 cm土层土壤无机氮含量。单独施用自然堆肥、好氧发酵猪粪及化肥在产量和氮素积累方面没有显著差异,但可增加土壤全氮和有机碳含量,有利于土壤培肥,而施用好氧发酵猪粪的效果又优于施用自然堆肥。
增密减氮提高夏玉米产量和氮素利用效率
程前, 李广浩, 陆卫平, 陆大雷
2020, 26(6): 1035-1046. doi: 10.11674/zwyf.19392
摘要:
  【目的】  适宜密植是获得高产的关键栽培因子,氮肥高效施用是农业绿色可持续发展的重要环节。探讨不同密度和施氮量组合对夏玉米产量及氮素吸收利用的影响,以期为夏玉米的高产高效栽培提供理论与技术支撑。  【方法】  本研究以‘江玉877’为供试品种,在江苏省宿迁市、盐城市和扬州市3个试验点进行试验,设置60000株/hm2 (D1)、82500株/hm2 (D2) 2个种植密度及不施氮 (N0)、常规肥N 300 kg/hm2 (N1)、常规肥N 225 kg/hm2 (N2)、缓释肥一次性基施N 225 kg/hm2 (N3) 4个施氮方式。研究夏玉米产量、干物质及氮素积累与分配、氮素利用率对不同密度和施氮方式组合的响应。  【结果】  不同种植密度条件下,4个施氮方式对夏玉米产量及氮素吸收利用具有显著影响。相同施氮量下,2个种植密度单株籽粒产量表现为D2 < D1,但群体产量表现为D2 > D1。D1种植密度下,N1和N3的平均群体产量比N2分别提高11.3%和10.9%,D2种植密度下比N2分别提高7.4%和9.0%,且相同密度条件下N1和N3的群体产量差异不显著。宿迁点D2N3的群体产量 (9214 kg/hm2) 在所有处理中最高。群体氮素积累量和转运量D2高于D1。D1种植密度下,N3和N1处理的群体干物质和氮素积累总量差异不显著,均显著高于N2处理;D2种植密度下N3处理的群体干物质积累总量显著高于N1处理,群体氮素积累总量差异不显著。各施氮处理的玉米收益在D2种植密度下均显著高于D1种植密度下,D2N3组合在所有处理中收益最高。  【结论】  综合3个试验点产量与氮素吸收利用的结果,在82500 株/hm2种植密度下结合缓释肥N 225 kg/hm2一次性基施,可协同提高江苏省夏玉米产量和氮素利用率,同时降低生产成本,提高玉米种植收益。
磷肥减量结合硫酸铵配施提高西北地区旱地春玉米磷素利用效率
马琴, 刘小雨, 冉瑾怡, 刘金山, 张翔, 周景云
2020, 26(6): 1047-1058. doi: 10.11674/zwyf.19420
摘要:
  【目的】  西北旱地春玉米种植区磷肥过量施用,磷肥利用效率偏低。本研究旨在探究春玉米磷肥减施的可行性以及实现磷素高效利用的优化施肥方式,以期为该地区春玉米磷肥高效利用提供参考。  【方法】  在西北典型雨养农业区设置3年的定位田间试验,共设5个处理:对照 (CK,不施磷肥)、农户模式 (FP,磷用量P2O5 120 kg/hm2,撒施)、减磷撒施 (RP,磷用量P2O5 70 kg/hm2,撒施)、减磷条施 (BF,磷用量P2O5 70 kg/hm2,条施)、硫酸铵模式 (SA,采用硫酸铵氮肥替代尿素氮肥,其他同减磷撒施处理)。在玉米四叶期、五叶期以及成熟期采集植物和土壤样品 (根际土和非根际土),测定玉米根系、地上部生物量及其磷含量,土壤碱性磷酸酶活性、pH、有效磷、丛枝菌根侵染率,并采用WinRHIZO根系扫描系统测定根长、根表面积、根体积等指标。  【结果】  三年试验结果表明,RP、BF、SA处理玉米籽粒产量、生物量与FP处理无显著差异 (P > 0.05),但磷肥偏生产力显著提高,平均增幅68.0%。RP、BF、SA处理成熟期玉米籽粒磷含量较FP处理降低7.1%~12.9%,磷累积量降低了8.8%~17.0%,其中RP和BF处理降低幅度达到显著水平,但SA处理籽粒磷含量和磷累积量与FP处理相当。与FP处理相比,RP和SA的磷肥回收利用率均有提高,其中SA处理显著提高7.2个百分点;RP、BF、SA处理均有促进春玉米苗期根系生长的趋势,其中SA处理根长、根表面积以及细根长 (直径小于0.50 mm) 分别提高13.9%~37.9%、8.6%~46.1%、12.2%~43.0%。此外,与FP处理相比,RP和SA处理提高了玉米苗期根系丛枝菌根侵染率,增幅在16.2%~21.7%;SA处理非根际土碱性酶活性有增加趋势,五叶期差异达显著水平,BF处理非根际土有效磷含量提高了18.8%~56.3%。  【结论】  在西北旱地春玉米种植区,磷肥施用量由现在的P2O5 120 kg/hm2减少至70~75 kg/hm2仍可保证玉米稳产。在此基础上,用生理酸性肥料硫酸铵代替尿素可促进玉米根系生长以及丛枝菌根侵染,促进玉米对磷素的吸收利用。
长江流域冬小麦氮磷钾肥增产效应及其影响因素
黄晓萌, 徐新朋, 何萍, 王秀斌, 杨兰芳, 仇少君, 赵士诚, 周卫
2020, 26(6): 1059-1068. doi: 10.11674/zwyf.20103
摘要:
  【目的】  分析长江流域施用氮、磷、钾肥对小麦产量的增产效应及主要影响因素的贡献率,旨在明确不同条件下施用氮、磷、钾肥对小麦产量的影响,为优化长江流域的小麦养分管理提供科技支撑。  【方法】  数据来源于国际植物营养研究所在我国长江流域开展的小麦田间试验,以及在中国知网通过检索到的有关施肥增产效应的文献,检索关键词为“冬小麦”、“冬小麦 + 产量”、“冬小麦产量 + 肥料利用率”,符合Meta分析标准的氮、磷和钾数据分别有724、624和658组。以不施某种养分处理为对照,以反应比作为该养分的增产效应值,采用Meta分析方法,定量分析施用氮、磷、钾肥对小麦产量变化的贡献,并分别分析施肥水平、基础地力水平、种植区域、土壤有机质、pH及土壤养分对产量效应的影响。  【结果】  与不施氮、磷或钾肥处理相比,长江流域冬小麦施用氮、磷和钾肥分别可显著增加小麦产量66.0%、17.9%和10.0%,以氮肥增产效应最高。基础地力对氮、磷、钾肥的增产效应均具有显著影响,氮、磷、钾肥均在低肥力土壤 (产量< 2.0 t/hm2) 上的增产率最高,分别为134.2%、30.0%和12.1%,氮、磷肥的增产效应与基础地力呈负相关关系。长江流域不同种植区域冬小麦氮、磷、钾肥的增产效应差异显著,以重庆市的氮效应最高,为136.1% [ln(R) = 0.859],以浙江省的磷效应最高,为39.1% [ln(R) = 0.330],贵州省的钾效应最高,为19.1% [ln(R) = 0.175]。氮、磷、钾肥均在酸性土壤的增产效果最好,增产效应随着土壤pH升高呈降低趋势,增产率分别为95.2%、29.4%和14.0%。土壤有机质含量对磷效应影响显著,对氮和钾效应影响不显著。当土壤全磷 > 1.0 g/kg、全钾 > 20.0 g/kg、碱解氮 < 80.0 mg/kg、速效磷 > 25.0 mg/kg及速效钾 < 90.0 mg/kg时,施氮增产效应最显著;在土壤全磷 < 0.7 g/kg和土壤速效磷 < 15.0 mg/kg时,施磷增产效应最显著;在土壤速效钾 < 90.0 mg/kg时,施钾增产效应最显著。  【结论】  长江流域冬小麦施用氮、磷、钾肥的增产率分别为66.0%、17.9%和10.0%,氮肥仍是影响长江流域冬小麦增产的最重要养分因子。基础地力决定着施肥效应,产量 < 2.0 t/hm2的土壤施肥的增产潜力最高。土壤肥力因素中,pH、有机质和矿质养分含量应作为肥料投入的依据。
小麦根蘖发育和产量对耕作和追氮方式以及施氮量的响应
梅晶晶, 周苏玫, 徐凤丹, 黄源, 申冠宇, 陈旭, 宋淼, 杨习文, 贺德先
2020, 26(6): 1069-1080. doi: 10.11674/zwyf.19374
摘要:
  【目的】  黄淮平原小麦生产中大量施用氮肥,探讨不同耕作和施肥方式对小麦根蘖发育的影响,以期实现减氮不减产并提高氮肥利用率的目标。  【方法】  2016—2018年连续两个种植年度,以半冬性中熟小麦品种矮抗58为材料,采用裂裂区设计试验方法,主区为施氮量 (240 、180 kg/hm2),副区为耕作方式 (旋耕、深耕),副副区为追肥方式 (撒施、隔行开沟追肥、隔二行开沟追肥),研究了小麦根系生长和生理活性、主茎和分蘖发育动态与成穗、籽粒产量和氮肥利用率。  【结果】  小麦不同生育时期单株次生根数、根系活力、单位面积茎蘖数、叶面积指数 (LAI) 均随施氮量降低而降低。与旋耕相比,深耕条件下小麦生育中、后期单株次生根数和单位面积茎蘖数增多、根系活力提高、LAI增大。生育后期,隔行开沟追肥的单株次生根数、根系活力、单位面积茎蘖数和LAI最高,撒施次之,隔二行开沟追肥最低。减量施氮较常规施氮籽粒产量降低了2.41%,氮肥偏生产力、氮肥吸收效率和氮肥内在利用率分别增加了29.67%、25.69%和2.29%。与旋耕相比,深耕条件下籽粒产量增加了5.60%,氮肥偏生产力和氮肥吸收效率分别提高了4.48%和8.47%。不同追肥方式中,隔行开沟追肥的籽粒产量最高,氮肥偏生产力和氮肥吸收效率显著提高,较撒施分别提高了3.62%、3.98%和7.38%,较隔二行开沟追肥分别提高了5.93%、6.34%和12.93%。  【结论】  深耕可提高生育中、后期小麦单株次生根数、根系活力和单位面积茎蘖数。常规施氮 (纯氮240 kg/hm2) 结合深耕 (深度25~30 cm)、隔行开沟追肥,可获得最高小麦产量;减施25%氮肥 (180 kg/hm2) 会导致籽粒产量降低,但结合深耕并采用隔行开沟施肥方式,可显著提高氮肥利用率,部分降低减氮所造成的产量损失,是获得高产高效的最佳组合。
小麦成熟期产量及钾效率相关性状的全基因组关联分析
徐易如, 赵艳艳, 孙福来, 郭营, 赵岩, 李斯深, 孔凡美
2020, 26(6): 1081-1090. doi: 10.11674/zwyf.19395
摘要:
  【目的】  探明不同钾供应条件下控制产量及钾效率相关性状的稳定的显著关联分子标记位点,为小麦产量及钾效率相关性状的遗传控制机理研究及相关基因的克隆提供参考。  【方法】  利用134个小麦品种 (系) 组成的群体为试验材料,设置正常供钾 (T1) 和不施钾 (T2) 两个处理,进行了2年田间试验 (E1、E2)。对小麦成熟期株高、穗长、穗粒数及钾吸收、利用效率等23个性状进行了表型鉴定,分别定义了同年同一处理和同一处理两年平均共6个环境平均值。采用GLM+Q一般线性模型和MLM+K+Q混合线性模型相结合的方法,利用群体差异SNP分子标记 (90K SNP芯片) 对小麦产量和钾效率相关性状进行全基因组关联分析。  【结果】  与正常钾处理相比,不施钾处理条件下籽粒钾利用效率显著升高,单株钾累积量、单株钾含量及总小穗数等性状显著降低。供试小麦各性状的群体变异系数为6.98%~350.38%,有14个性状的遗传力在50%以上,以株高的遗传力最高 (92.03%)。利用保留的7485个多态性好的群体差异 (SNP) 进行了全基因组关联分析,共检测到1420个分子标记位点与供试23个性状在P ≤ 0.001水平存在显著关联,分布在21条染色体上。有1097个 (77.25%) 分子标记位点仅在一个关联分析环境中被检测到;能在至少两个关联分析环境中被检测到的相对稳定分子标记位点有323个,其中113个位点与钾效率相关性状有关,Tdurum_contig26281_139Kukri_c307_2053等分子标记位点可以提高钾吸收效率,Ex_c19038_571BS00039148_51等分子标记位点能够提高钾利用效率。在至少4个关联分析环境中被检测到的位点有22个,分别与株高、千粒重、穗粒数等5个性状相关。与株高和千粒重显著关联的分子标记位点RFL_Contig4069_2628BS00003632_51可同时在全部6个关联分析环境中检测到,平均贡献率为9.59%和13.66%,环境稳定性非常好,与株高的降低和千粒重的提高显著关联。  【结论】  不同钾供应水平下与产量及钾效率相关性状显著关联的分子标记位点存在显著差异,77.25%的分子标记位点仅在特定环境下被检测到。但也有22个显著关联分子标记位点 (涉及9个产量及钾效率相关性状) 在至少4个关联分析环境 (共6个环境) 下被检测到,形成高频表达分子标记位点。其中与株高和千粒重分别显著关联的两个分子标记位点在所有6个关联分析环境中均稳定被检测到,能显著降低株高和提高千粒重。这些分子标记位点的相关基因对相关性状的调控效应受钾处理环境影响小,具有较高的理论和应用价值,值得深入研究。
天津市设施菜地施肥现状及减施潜力和对策
石生伟, 刘衎, 郭利娜, 任天婧, 李彤, 刘云, 段碧华, 李玉娥
2020, 26(6): 1091-1105. doi: 10.11674/zwyf.19375
摘要:
  【目的】  设施菜地存在施肥量过大、肥料利用率低、环境污染等问题。通过对天津市设施菜地施肥现状调查,明确设施菜地施肥现状和存在问题,为制定科学合理的施肥方案提供依据。  【方法】  本研究对天津市193个设施蔬菜地块施肥现状展开调查,明确设施菜地施肥特征,估算肥料总养分和化肥养分减施潜力。  【结果】  天津市日光温室平均养分施用总量为N 775.6 kg/hm2、P2O5 715.5 kg/hm2和K2O 524.9 kg/hm2,显著大于塑料大棚对应养分平均施用总量N 670.9 kg/hm2、P2O5 584.5 kg/hm2和K2O 425.3 kg/hm2 (P < 0.05)。有机肥是设施菜地养分的主要来源,对日光温室和塑料大棚N、P2O5和K2O各自施用总量的贡献均超过50%。日光温室和塑料大棚中,化肥对磷 (P2O5) 施用量的贡献分别为44.2%和48.8%。从养分施用方法看,N、P2O5和K2O基施比例日光温室分别为79.4%、80.2%和73.5%,塑料大棚分别为70.2%、78.2%和67.4%,P2O5基施比例大于N和K2O。日光温室和塑料大棚平均养分施用比例 (N∶P2O5∶K2O) 分别为1.00∶0.92∶0.69和1.00∶0.87∶0.63。相比推荐施肥量,天津市设施蔬菜N和P2O5普遍施用过量,甘蓝和白菜K2O投入不足。设施菜地总养分 (N + P2O5 + K2O) 减施潜力在31.5%~65.0%,化肥养分减施潜力在22.4%~66.6%。  【结论】  天津市设施菜地养分以基施为主,其中化肥基施比例偏高,追肥养分比例过低,养分总量过量施用现象普遍。设施菜地基施化肥和追肥中P2O5比例偏高,养分结构不合理。主要设施蔬菜中,茄子、番茄和芹菜的N和P2O5施用总量远超过各自推荐施肥量,化肥养分减施潜力较大,是设施蔬菜肥料减施关注的重点。
猪粪和秸秆替代部分化肥提高番茄营养品质及挥发性风味物质种类和数量
孙娜, 王丽英, 孙焱鑫, 邹国元, 黄绍文
2020, 26(6): 1106-1116. doi: 10.11674/zwyf.19372
摘要:
  【目的】  研究猪粪和秸秆替代部分化肥对番茄果实营养品质和挥发性风味物质的影响,为番茄优质栽培提供参考。  【方法】  在等氮磷钾条件下,将猪粪 (M)、秸秆 (S) 单独或配合替代化肥中1/4和1/2的氮素。在日光温室进行9年定位试验后,于2018年取番茄果实样品,分析不同施肥处理对果实营养品质、果实中挥发性物质种类和含量的影响。  【结果】  单独施用猪粪或者秸秆替化肥的处理不同程度地降低了番茄果实中果糖、葡萄糖和番茄红素含量,但是对果实中硝酸盐、Vc和可滴定酸含量没有显著影响;秸秆和猪粪配合替代1/2的化肥氮,不会降低果实的营养品质,而且可改善果实的风味。配合猪粪处理的果实中水果香味和花香味的挥发性物质的种类和含量增加,如2-异丁基噻唑、β-紫罗兰酮、3-甲基-丁醇和3-甲基-丁醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮;部分风味物质3-甲基-丁醇、6-甲基-5-庚烯-2-酮、3-甲基-丁醛、2-异丁基噻唑、β-紫罗兰酮和E-2-己烯醛含量随着猪粪替代比例的提高呈逐渐增加趋势。  【结论】  在长期等氮磷钾施肥条件下,猪粪和秸秆配合替代1/2的化肥氮素,不会降低番茄的营养品质,还可提高番茄风味品质。猪粪有助于具有水果香味和花香味的挥发性物质在果实内的积累,如2-异丁基噻唑、β-紫罗兰酮、3-甲基丁醇和3-甲基丁醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮,且积累量以化肥、猪粪和秸秆配施效果最佳。在30余种挥发性物质中,有12种挥发性物质受不同处理的影响超过预期平均贡献,以E, E-6,10,14-三甲基-5,9,13-十五碳三烯-2-酮和2-甲基-4-戊烯醛最为显著。
有机培肥显著提升矿区复垦土壤活性有机碳含量
安永齐, 王小利, 靳东升, 郜春花, 张强, 洪坚平, 徐明岗
2020, 26(6): 1117-1125. doi: 10.11674/zwyf.19521
摘要:
  【目的】  土壤有机碳作为土壤肥力的核心,其不同组分间具有高度异质性。研究不同施肥措施对煤矿区复垦土壤有机碳及其各组分提升的差异特征,可为煤矿区土壤修复提供理论依据。  【方法】  田间试验在山西煤矿复垦区进行,复垦始于2014年,种植作物为大豆 (1年) 和玉米 (2年) 轮作,采样时 (2018年) 种植作物为玉米。试验共设5个处理分别为未复垦自然恢复 (ZH)、不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、单施有机肥 (M) 和有机肥配施化肥 (MNPK)。使用物理‒化学联合分组方法,将土壤有机碳分为游离活性、物理保护、化学保护和生物化学保护4个组分,分析了不同施肥处理下土壤各组分有机碳的含量,计算了各组分有机碳与总有机碳含量间的相关关系。  【结果】  相较于自然恢复处理,CK、NPK、M、MNPK处理中土壤总有机碳含量分别提高了11.8%、24.0%、49.3%和38.8%,有机肥处理又显著高于CK和NPK处理。M、MNPK处理下,游离活性有机碳含量分别为2.11 和1.68 g/kg,物理保护有机碳含量分别为0.70 和0.49 g/kg,均显著高于CK和NPK处理;化学保护和生物化学保护组分的有机碳含量在各处理间差异不显著。除了微团聚体内的轻组和粘、粉粒外,各组分质量比例在不同施肥处理间均存在显著差异,施用有机肥主要增加了大团聚体 (游离活性态和物理保护态) 的质量比例,改善了土壤结构。相关分析表明,游离态的粗颗粒和细颗粒有机碳及物理保护有机碳与总有机碳含量间呈现极显著正相关关系 (P < 0.01),其中拟合方程的斜率表示组分碳含量随单位总有机碳含量增加而引起的变化值,最高的为游离粗颗粒有机碳组分,达到39.7%,游离细颗粒和物理保护有机碳组分的变化率分别为18.6%和21.7%;而化学保护粘、粉粒和生物化学保护粘粒组有机碳与总有机碳含量无显著相关性。  【结论】  施肥和轮作与自然恢复状态相比,短期可显著提高土壤有机碳含量,施用有机肥效果好于单施化肥。单施或者与NPK配合施有机肥主要促进了土壤大团聚体中游离活性态和物理保护态有机碳含量的提升,单施有机肥效果更佳。由于新增的土壤有机碳活性高,需要长时间持续投入才可能恢复土壤有机碳的稳定性。
煤矿复垦区不同有机物料的分解特征
陈兵, 王小利, 徐明岗, 李然, 李建华, 靳东升, 段英华, 孙楠
2020, 26(6): 1126-1134. doi: 10.11674/zwyf.19478
摘要:
  【目的】  研究不同有机物料在矿区复垦土壤中的分解速率及养分释放特征,为合理利用有机资源培肥矿区复垦土壤提供科学依据。  【方法】  在山西黄土丘陵区矿区复垦长期试验点进行大田填埋分解试验。采用尼龙网袋法,将供试的4种有机物料小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪烘干后过2 mm筛,均按等有机碳量 (8 g) 称取后装入尼龙网袋埋入试验地15 cm深。在填埋后的第12、23、55、218、280、365天采样,分析4种有机物料的干物质残留量和氮、磷、钾及半纤维素、纤维素、木质素含量,计算C/N值和木质素(Lignin)/N值。  【结果】  秸秆和粪肥在矿区复垦土壤中的分解速率均在第12天达到最大,然后迅速下降,分解第365天时,小麦秸秆、玉米秸秆、牛粪和猪粪的质量残留率依次为49.8%、55.1%、79.2%和54.0%,有机碳残留率依次为48.8%、53.4%、63.9%和51.8%。供试有机物料的养分释放率存在差异,在最初分解的第23天,玉米秸秆的氮、磷养分出现了明显富集,氮、磷养分残留率分别达到了131.0%和152.7%,小麦秸秆、牛粪和猪粪的氮素残留率依次为93.0%、81.3%和67.8%,磷素的残留率依次为92.5%、98.8%和84.3%,分解第365天时,小麦秸秆中养分释放速率大小表现为钾 > 磷 > 氮,其他3个物料中养分释放速率大小均表现为钾 > 氮 > 磷。从整个分解过程来看,玉米秸秆中氮素和磷素在矿区复垦土壤中表现出先富集再释放的模式,其他3个物料中氮素和磷素均表现为直接释放模式。采用地积温方程能较好地拟合有机物料的分解过程,由方程可知,秸秆和粪肥的分解速率常数 (K) 大小顺序为猪粪 > 小麦秸秆 > 玉米秸秆 > 牛粪。有机物料的分解速率与养分和木质素等成分的含量相关,全磷、半纤维素含量越高分解越快,木质素含量、C/N和Lignin/N越高分解越慢。  【结论】  秸秆和粪肥在山西矿区复垦土壤中的分解速率在填埋后第12天达到最大值,之后分解速率减缓。与秸秆相比,粪肥的有机碳残留率较高,氮、磷养分释放快,其中以牛粪的分解速率最慢,有机碳残留率最高,因此,牛粪可作为矿区复垦土壤培肥的首选有机物料。
营养液中添加氯化钠降低硫浓度对韭菜硝酸盐累积的减控效应
王俊玲, 王梅, 高露, 高爽, 薛占军, 武占会, 高志奎
2020, 26(6): 1135-1145. doi: 10.11674/zwyf.19408
摘要:
  【目的】  韭菜易于吸收和累积硝酸盐,研究营养液中添加氯化钠 (NaCl) 和降低硫含量减少韭菜硝酸盐累积的效果,并从氮代谢途径初步探讨其减少硝酸盐累积的机理。  【方法】  采用新型韭菜专用营养液架床栽培系统进行了韭菜水培试验。在营养液中添加NaCl 12 mmol/L的同时,硫浓度设定为3、2、1和0 mmol/L 4个水平,分别用NaCl+S3, NaCl+S2, NaCl+S1 和 NaCl+S0表示。韭菜生长30天后,取样分析了不同硫水平下韭菜中的硝酸盐含量及主要氮代谢途径中的氨基酸含量。  【结果】  在营养液硫供应水平3 mmol/L下,与营养液中不添加氯化钠处理 (CK) 相比,NaCl+S3处理的韭菜硝酸盐累积降低了32.60%,地上部干重、可溶性糖和可溶性蛋白质含量、根系活力显著增加;NaCl+S1处理的韭菜硝酸盐累积降低了53.30%,地上部干重、可溶性糖和可溶性蛋白质含量、根系活力显著增加。NaCl+S1处理较NaCl+S3处理更有利于降低硝酸盐含量。韭菜地上部的全氮含量无显著变化 (NaCl+S3处理) 或略有增加 (NaCl+S1处理),表明添加低浓度氯化钠并未限制氮素吸收。NaCl+S3和NaCl+S1处理下,硝态氮还原活性 (硝酸还原酶NR) 和转氨活性 (谷氨酸草酰乙酸转氨酶GOT、谷氨酸丙氨酸转氨酶GPT) 增加,尤其是初级同化活性 (谷氨酰胺合成酶GS) 分别大幅增加了43.57%和71.43%。NaCl+S3和NaCl+S1处理下,丝氨酸途径的游离氨基酸代谢和天冬氨酸途径的蛋白质合成得到增强,韭菜的游离氨基酸总量基本保持不变或略有增加,而蛋白质水解氨基酸总量显著增加。  【结论】  韭菜专用营养液中添加NaCl 12 mmol/L并将硫浓度降低到1 mmol/L,可显著提高根系和氮代谢关键酶活性,在一定程度上改变游离氨基酸代谢途径和蛋白质合成途径,进而在显著增加韭菜干物质的同时,大大降低硝酸盐累积。
专题综述
氮循环过程的微生物驱动机制研究进展
林伟, 李玉中, 李昱佳, 周晚来, 张冬冬, 戚智勇
2020, 26(6): 1146-1155. doi: 10.11674/zwyf.20143
摘要:
氮循环在生物地球化学中具有重要地位,与人类生活密切相关。氮循环在很大程度上依赖微生物驱动的氮素转化,而在转化过程中必然会造成不同形式氮的同位素效应。为更好地了解和溯源氮循环过程,本文从氮循环的物质通量、微生物作用及氮同位素效应等角度进行系统地论述,并对氧化亚氮 (N2O) 分子内的特异同位素值区分微生物过程做了详细介绍。结果表明,人为固氮是环境中活性氮增加的主要原因,也进一步促进了氮素转化的各个环节。通过解析氮素循环中微生物过程的形成机理和评估每个过程的同位素效应,为进一步探索微生物的功能基因和氮素同位素效应的内在联系提供依据,对阐明氮循环过程中微生物驱动的分子机制具有重要意义,而两者的结合也为解决自然条件下氮素转化各过程的溯源难题指明了方向,也将成为今后研究的热点,并在揭示氮素转化机制中发挥越来越大的作用。
研究简报
水钠锰矿提高红壤性水稻土N2O释放速率和氨氧化细菌amoA基因丰度
邢志强, 左继超, 付庆灵, 胡红青, 朱俊
2020, 26(6): 1156-1164. doi: 10.11674/zwyf.20002
摘要:
  【目的】  土壤中的氧化亚氮 (N2O) 来源于硝化与反硝化作用,锰可与硝化或反硝化作用产物反应产生N2O或氮气,已有研究表明土壤中锰含量高会影响硝化作用。因此,本试验以水钠锰矿 (KMnO2·H2O) 与土壤硝化作用与反硝化作用的生物化学耦合反应为切入点,研究水钠锰矿的添加对土壤N2O释放速率及微生物的影响,进一步认识N2O释放与土壤环境因子的相互关系。  【方法】  以红壤性水稻土为供试土壤,通过微宇宙培养试验,在土壤中添加不同质量百分比的水钠锰矿 (0%、0.1%、0.3%、0.7%、1.5%),预培养7 天后,加入硫酸铵N 100 mg/kg继续培养14天。在培养第1、3、7、14天,采用气密性注射器抽取10 mL气体样品,气相色谱仪测定N2O含量;同时取土壤样品,比色法测定铵态氮与硝态氮含量。培养结束时,测定土壤pH,采用实时荧光定量PCR测定土壤16S rDNA与氨氧化细菌 (AOB) amoA基因拷贝数,高通量测序技术分析微生物群落组成及多样性。  【结果】  水钠锰矿提高了土壤N2O释放速率,增加了土壤N2O累积释放量,以添加0.1%水钠锰矿的N2O累积释放量最高,添加1.5%的最低。土壤铵态氮含量随培养时间的延长而迅速降低,硝态氮含量则迅速增加。水钠锰矿显著提高了土壤pH与表观N2O产量 (N2O-N/NO3-N),pH随着水钠锰矿添加量的增加整体提高,N2O-N/NO3-N则随着水钠锰矿添加量的增加呈降低趋势。适量水钠锰矿显著增加了土壤细菌16S rDNA与氨氧化细菌 (AOB) amoA基因拷贝数,并显著提高了土壤16S rDNA与AOB amoA基因拷贝数的比值,但随着水钠锰矿添加量的增加,细菌16S rDNA和AOB amoA基因拷贝数的增加量整体降低;放线菌、变形菌与拟杆菌是所有处理中的优势菌门,通过非度量多维尺度分析发现不同处理间的微生物群落结构差异显著,未添加水钠锰矿处理与添加水钠锰矿1.5%处理的微生物群落结构差异最大,其他处理的微生物群落结构介于两者之间。  【结论】  土壤中添加0.1%质量比的水钠锰矿,可以通过增加AOB的数量促进红壤性水稻土N2O的释放,显著影响微生物物种丰度与群落结构。但水钠锰矿高添加量处理对AOB的刺激作用减弱,因此,应将土壤锰含量作为影响土壤N2O释放的因素加以考虑。
牛粪好氧发酵添加聚天冬氨酸固持氮素的机理
徐荣, 朱凌宇, 王守红, 张家宏, 王桂良, 寇祥明, 唐鹤军, 韩光明, 吴雷明, 毕建花
2020, 26(6): 1165-1178. doi: 10.11674/zwyf.19295
摘要:
  【目的】  为有效控制堆肥过程中氮素流失,采用聚天冬氨酸 (PASP) 作为氮素固持材料,分步研究牛粪好氧发酵添加聚天冬氨酸固持氮素的效果及机理。  【方法】  首先,采用干湿分离牛粪为原料,设置不同PASP添加量处理 [0 g/t (CK)、120 g/t (A)、240 g/t (B)] 进行堆肥试验,并针对堆体理化性质、氮素含量及腐熟度指标进行定期监测;其次,依据后期制备生物炭中PASP的担载量,设置堆肥过程空白生物炭 (BC-80 g/kg)、生物炭担载PASP (BP-80 g/kg) 添加处理,堆肥初始时 (第1天) 及高温期结束时 (第22天) 时,采用扫描电镜 (SEM) 观察PASP形貌、傅里叶红外变换光谱 (FTIR) 表征官能团变化,X射线光电子能谱 (XPS) 表征氮素结合形态。  【结果】  堆肥初始时,相较于BC,BP表面出现颗粒化特征形貌;高温堆肥22天处理后,BP表面该形貌特征进一步被强化,且结合PASP添加组的堆体pH持续高于CK,表明堆肥过程中PASP未被完全分解;综合堆体理化指标、氮素含量变化及微观表征结果分析发现,PASP通过侧链—COOH与铵态氮形成络合结构,增加高温期堆体特别是堆肥第5~10天铵态氮含量 (P < 0.05) 的同时,增加了微生物对铵态氮的利用难度,导致其高温期积温较CK降低40.0℃~91.9℃,并促使其提前4.0~4.6天进入后腐阶段 (P < 0.05),有效控制了高温期氮素的流失风险;堆体DOM (水溶性有机物) 红外光谱分析结果表明,PASP促使堆体相对芳香化程度增强 (P < 0.05),且基于其在高温期对氮素的固持作用,提升降温期微生物水溶性总氮供应能力,间接降低矿化作用强度,促进含氮有机物与芳香物质合成腐殖质,控制降温期的氮素损失风险;并最终表现为堆肥第39天时,PASP处理氨气累积挥发量显著降低26.62%~37.02% (P < 0.05),其全氮含量较堆前增加7.09%~13.64% (CK下降1.23%,P > 0.05)。  【结论】  PASP通过侧链—COOH与铵态氮络合作用及对堆体腐殖化程度的提升作用,综合控制氮素损失风险。同时,添加PASP可降低高温期积温,促使堆体提前4.0~4.6天进入后腐阶段,这也是其控制高温堆肥氮素流失的主要机制。对干湿分离牛粪好氧堆肥而言,PASP在120 g/t低用量时可获得较为理想的氮素截留效果。