• ISSN 1008-505X
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2021-03期封面+目录
2021, (3): 1-5.
摘要:
生物炭施用下潮土团聚体微生物量碳氮和酶活性的分布特征
张帅, 成宇阳, 吴行, 郑琴, 王秀斌, 张水清
2021, 27(3): 369-379. doi: 10.11674/zwyf.20500
摘要:
  【目的】  探究生物炭配施化肥对不同粒级团聚体中微生物量碳、氮 (MBC、MBN) 含量和胞外酶活性的影响,分析影响团聚体胞外酶活性变化的主控因素,为提升土壤质量提供科学依据。  【方法】  田间微区试验在河南现代农业研究基地进行,供试土壤为石灰性潮土。设置4个处理:不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、单施生物炭 (BC) 和生物炭配施化肥 (BC+NPK),生物炭是以花生壳为原料高温裂解制备而成,仅在试验开始前施用一次,化肥每季均施用。试验开始于2017年小麦季,于2019年9月玉米收获后采集耕层土壤样品,测定土壤养分含量,分析各粒径团聚体MBC、MBN含量和酶活性。  【结果】  与CK相比,NPK处理可显著提高耕层土壤有效磷、速效钾和硝态氮含量,BC处理可显著提高有机碳和全氮含量,BC+NPK处理则显著提高了以上各指标含量。与CK相比,BC处理显著降低了粒径2~0.25 mm团聚体MBN含量,并明显增加了该粒径的MBC/MBN值;BC+NPK处理显著增加了粒径 > 2 mm和0.25~0.053 mm团聚体中MBC含量 (增幅分别为59.57%和34.68%),也增加了耕层土壤、粒径 > 2 mm和2~0.25 mm团聚体中MBN含量 (增幅分别为17.33%、42.24%和19.28%)。与CK相比,NPK、BC和BC+NPK处理均显著增加粒径 > 2 mm团聚体微生物熵,而BC和BC+NPK处理则显著降低了耕层土壤、粒径2~0.25 mm和0.25~0.053 mm团聚体微生物熵。与CK相比,NPK和BC+NPK处理均显著提高了粒径2~0.25 mm和0.25~0.053 mm团聚体中β-葡糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、α-葡糖苷酶和β-木糖苷酶活性;在粒径 > 2 mm团聚体中,仅BC+NPK处理明显提高了该四种酶的活性。与CK相比,NPK和BC+NPK处理均明显提高了粒径 > 2 mm团聚体中脲酶活性及粒径0.25~0.053 mm团聚体中乙酰氨基葡糖苷酶活性,仅BC+NPK处理可显著提高粒径 > 2 mm和0.25~0.053 mm团聚体中亮氨酸氨基肽酶活性。团聚体酶活性变化与MBC、MBN含量以及MBC/MBN值显著相关。粒径 > 2 mm团聚体中酶活性变化与微生物熵、全氮和MBC含量均显著相关,粒径2~0.25 mm团聚体中酶活性变化与MBC/MBN值显著相关,而粒径0.25~0.053 mm团聚体中酶活性变化与MBC含量显著相关。  【结论】  生物炭与化肥配施有利于土壤碳的固存,改善土壤微环境,提升土壤质量,且生物炭添加到土壤中有较长的后效。
复种模式对豫西褐土团聚体稳定性及其碳、氮分布的影响
乔鑫鑫, 王艳芳, 李乾云, 包全发, 尹飞, 焦念元, 付国占, 刘领
2021, 27(3): 380-391. doi: 10.11674/zwyf.20323
摘要:
  【目的】  长期单一的玉米–小麦复种模式会引起土壤结构破坏、农田生产力下降。探究不同复种模式对农田土壤团聚体稳定性及其碳、氮分布的影响,为维持土壤结构稳定,实现农业可持续发展提供科学依据。  【方法】  定位试验在河南洛阳褐土上进行。设置冬小麦–夏玉米 (T1)、冬小麦–夏花生 (T2)、冬小麦–夏玉米||花生间作 (2行玉米间作4行花生,T3) 3个复种模式处理。试验始于2014年6月,2019年10月夏季作物收获后 (共11茬作物),采集0—20和20—40 cm土层土壤样品,利用湿筛法和干筛法分析土壤团聚体组成、团聚体稳定性、有机碳和全氮在不同粒级团聚体中的含量及分配比例。  【结果】  与T1相比,在0—20 cm土层中,T2和T3处理土壤中 > 0.25 mm粒级的机械性团聚体 (DR0.25) 占比分别增加了5.9%和9.9%,> 0.25 mm粒级的水稳性团聚体 (WR0.25) 占比分别增加了50.3%和57.9%,不稳定性团粒指数 (ELT) 分别较T1减少了33.2%和50.6%,土壤团聚体破坏率 (PAD) 分别较T1减少49.3%和51.4%,土壤团聚体平均质量直径 (MWD) 分别较T1增加36.4%和47.0%,几何平均直径 (GMD) 分别较T1增加100.0%和120.0%。在20—40 cm土层中,T2和T3处理土壤中不稳定性团粒指数 (ELT) 分别较T1减少了13.2%和18.0%,土壤团聚体破坏率 (PAD) 分别较T1减少21.4%和28.8%,土壤团聚体平均质量直径 (MWD) 分别较T1增加4.8%和6.0%,几何平均直径 (GMD) 分别较T1增加11.5%和7.7%。各粒级的有机碳和全氮含量均以2~0.25 mm粒级最高,且0—20 cm土层的有机碳和全氮含量高于20—40 cm土层。与T1处理相比,T3处理显著提高了0—20 cm土层各粒级土壤全氮的贡献率和 > 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率,降低了 < 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率;T2处理显著提高了0—20 cm土层除 >2和<0.053 mm粒级外的土壤全氮的贡献率和 > 0.25 mm粒级土壤有机碳的贡献率,降低了0.25~0.053 mm粒级土壤有机碳的贡献率。与T1处理相比,T2和T3处理提升了0—20和20—40 cm土层土壤总有机碳、全氮、有效磷和速效钾的含量,3个处理的土壤容重和pH无显著差异。  【结论】  冬小麦–夏花生、冬小麦–夏玉米||花生复种模式较传统冬小麦–夏玉米复种模式明显增加了土壤大团聚体含量,增强了团聚体的机械稳定性和水稳定性,还可显著提高土壤团聚体 (特别是 > 0.25 mm粒级团聚体) 的碳、氮含量,提高土壤有效磷和速效钾含量,更有利于豫西褐土区农田土壤肥力保持。且冬小麦–夏玉米||花生复种的效果优于冬小麦–夏花生复种。
长江中下游小麦产量、土壤酶活性及微生物群落结构对磷肥减施的响应
陈露, 王秀斌, 朱瑞利, 毛琳琳, 孙静文
2021, 27(3): 392-402. doi: 10.11674/zwyf.20506
摘要:
  【目的】   在“化肥零增长”背景下,探究磷肥减施对小麦产量及土壤质量的影响,为长江流域中下游地区磷肥减施提供科学依据。   【方法】   在湖北和浙江麦区,采用种肥同播技术进行田间试验,设置5个处理:1) 不施磷肥 (CK);2) 习惯施磷量 (FP);3) 习惯施磷量80% (P80);4) 习惯施磷量60% (P60);5) 习惯施磷量60%+解磷菌剂 (PB60)。分别在2019、2020年测定小麦产量,于2020年小麦收获时测定0—20 cm耕层土壤理化性质,微生物量磷、酶活性及磷脂脂肪酸含量。   【结果】   种肥同播情况下,与FP处理相比,第一年湖北麦区磷肥减施处理 (P80、P60) 小麦产量无显著性差异,而第二年产量分别显著下降31.53%和21.51%;浙江麦区P80处理较FP处理连续两年均未显著减产,且施用解磷菌剂可避免小麦产量下降。与FP处理相比,湖北麦区CK、P80和P60处理土壤有效磷含量显著降低,P80和P60处理土壤微生物量磷 (MBP) 含量分别增加37.46%和17.21%。在浙江麦区,与FP处理相比,P80处理土壤有效磷含量无明显变化,P60和CK处理土壤有效磷含量显著降低;P80和P60处理较FP处理的土壤MBP含量无显著性差异。两个麦区的试验结果还显示,与FP处理相比,P80和P60处理土壤磷活化系数和细菌与真菌的比值显著降低,土壤铵态氮和硝态氮含量、参与氮循环的土壤酶活性及真菌相对丰度增加,而土壤pH、有机碳含量、总氮含量、速效钾含量、土壤磷酸酶活性、细菌相对丰度及丛枝菌根相对丰度均无显著变化;与P60处理相比,PB60处理增加了土壤有效磷含量、土壤磷活化系数及丛枝菌根的相对丰度。通过冗余分析发现,MBP是影响湖北麦区土壤微生物群落结构变化的主控因子;土壤铵态氮是影响浙江麦区土壤微生物群落结构变化的主控因子。   【结论】   在种肥同播情况下,不同麦区土壤有效磷、微生物量磷和小麦产量对磷肥减施的响应各异。在土壤有效磷含量较低的湖北麦区,连续减施磷肥易减产,不推荐种肥同播下减量施磷的方法;而在土壤有效磷含量较高的浙江麦区,在保证小麦产量和土壤质量不降低的情况下,较为理想的施肥策略是种肥同播 + 80%习惯施磷量。此外,磷肥减施没有显著影响土壤磷酸酶活性,但显著影响了土壤微生物群落结构,增加了土壤真菌相对丰度以及降低了细菌/真菌比。解磷菌剂在浙江麦区的应用效果优于湖北麦区。
基于宏基因组学方法分析施肥模式对设施菜田土壤微生物群落的影响
马龙, 高伟, 栾好安, 唐继伟, 李明悦, 黄绍文
2021, 27(3): 403-416. doi: 10.11674/zwyf.20486
摘要:
  【目的】  采用宏基因组测序技术,研究施肥对细菌、真菌和古菌群落组成和结构的影响,为设施菜田可持续健康发展提供科学依据。  【方法】  设施蔬菜施肥长期定位试验始于2009年,试验地位于天津市西青区,为春季番茄和秋冬季芹菜轮作体系。在春茬番茄 (第20茬蔬菜) 盛果期,选择定位试验中的6个等氮磷钾投入处理,包括全部使用化肥氮 (4/4CN) 处理和5个有机替代处理 (3/4CN+1/4MN、2/4CN+2/4MN、1/4CN+3/4MN、2/4CN+1/4MN+1/4SN、2/4CN+2/4SN),其中M和S代表猪粪和秸秆。采集0—20 cm土壤样品,测定土壤微生物相关指标。  【结果】  有机替代处理的土壤微生物量碳(MBC) 和微生物量氮(MBN) 含量较4/4CN处理平均分别增加101.5%和134.6%,以2/4CN+1/4MN+1/4SN、2/4CN+ 2/4SN处理的土壤MBC和MBN含量相对较高,较4/4CN平均分别增加158.8%和210.9%。与4/4CN相比,有机替代处理的土壤细菌和真菌丰度平均分别增加8.6%和11.6%,古菌平均降低21.7%;高碳有机替代模式(1/4CN+3/4MN、2/4CN +1/4MN+1/4SN、2/4CN+2/4SN) 土壤细菌和真菌丰度较低碳有机替代模式(3/4CN+1/4MN、2/4CN+2/4MN) 平均分别增加12.3 %和12.0%,古菌丰度平均降低12.9%。与4/4CN处理相比,低量、中量有机替代模式(3/4CN+1/4MN、2/4CN+2/4MN)土壤细菌、真菌Shannon指数没有显著增加,而有机替代模式古菌Shannon指数平均增加了9.0%,高碳有机替代处理古菌Shannon指数平均增加了11.9%。与4/4CN处理相比,有机替代模式提高了土壤细菌中变形菌门相对丰度,降低了放线菌门、绿弯菌门相对丰度;提高了土壤真菌中子囊菌门、壶菌门和球囊菌门相对丰度,降低了担子菌门相对丰度;提高了古菌中的广古菌门和深古菌门相对丰度,降低了奇古菌门相对丰度。主成分分析表明,土壤细菌和真菌群落结构组成对施肥模式的响应弱于古菌。冗余分析表明,有机碳和硝态氮分别解释土壤细菌群落结构变异的22.3%和16.1%,解释真菌群落结构变异的10.4%和8.9%,解释古菌群落结构变异的36.0%和34.7%。  【结论】  同等养分投入量下,以有机肥、秸秆氮替代部分化肥氮可提高土壤细菌和真菌丰度,降低古菌丰度,改变土壤优势菌群的组成,增加微生物多样性。土壤硝态氮和有机碳含量是影响土壤细菌、真菌和古菌群落结构的共同因素,古菌对施肥模式的反应强于细菌和真菌。其中,以2/4化肥+1/4猪粪+1/4秸秆施肥模式可获得最多样的微生物群落结构。
覆盖作物对猕猴桃园土壤氨氧化微生物丰度和群落结构的影响
张玲玲, 李青梅, 贾梦圆, 张艳军, 赵建宁, 杨殿林, 王华玲, 王慧
2021, 27(3): 417-428. doi: 10.11674/zwyf.20361
摘要:
  【目的】  果园行间播种覆盖作物有利于改善土壤理化性状,改变氮循环过程中的氨氧化微生物群落结构。因此,我们分析不同覆盖作物下猕猴桃园土壤氨氧化微生物的群落结构和基因丰度,以探究其与土壤硝化作用的关系。  【方法】  选择湖北十堰的一个5年生猕猴桃果园进行了种植多年生覆盖作物试验,供试覆盖作物有白三叶草 (Trifolium repens L,W)、毛苕子 (Vicia villosa Roth,V)、黑麦草 (Lolium perenne L,R) 和高羊茅 (Festuca elata Keng ex E. Alexeev,F)。设置单种 (W)、两种混种 (WR)、3种混种 (WRV)、4种混种 (WRVF) 和清耕对照 (CK) 共5种试验处理。在覆盖作物种植后的第2年,取0—20 cm土层样品,利用荧光定量PCR (fluorescence quantitative PCR)、限制性末端片段长度多态性 (terminal restriction fragment length polymorphism, T-RFLP) 以及克隆测序技术,测定了土壤中氨氧化古菌 (ammonia-oxidizing archaea, AOA) 与氨氧化细菌 (ammonia-oxidizing bacteria, AOB) 基因丰度、群落多样性及组成。  【结果】  4种覆盖作物处理的果园地上部生物量没有显著差异。除两种混种处理显著提高了土壤含水率、铵态氮和硝态氮含量和降低了土壤pH外,其他3个处理的土壤理化指标之间也没有显著差异。与清耕对照相比,单种处理的AOA-amoA基因丰度显著提高了2.85%,单种和两种混种处理的AOB-amoA基因丰度分别显著提高了4.95%、6.42%。不同 T-RFs 所代表的AOA在不同种植模式中所占比例发生变化,但AOA群落结构未发生明显改变;不同T-RFs所代表的AOB在不同种植模式下发生改变,其AOB群落结构可能发生变化。两种混种处理显著降低了AOA的多样性指数,两种混种和4种混种处理显著降低了AOA均匀度指数,而3种混种和4种混种处理显著提高了AOB的多样性指数。4个处理土壤中,AOA的优势菌属为Nitrososphaera (44.2%) 和Nitrosotalea (45.8%),AOB的优势菌属为Nitrosospira (96.98%) 和Nitrosomonas (3.02%)。Pearson相关分析和冗余 (RDA) 分析表明,土壤pH、含水率、铵态氮和硝态氮含量是影响氨氧化微生物群落结构及丰度的主要环境因子。  【结论】  土壤pH、含水率、铵态氮和硝态氮含量是影响氨氧化微生物群落结构及丰度的主要环境因子。白三叶草和黑麦草混种模式 (WR处理) 可显著提升土壤的水分含量、铵态氮和硝态氮含量,降低土壤pH,但是不同覆盖作物对土壤中AOA和AOB的群落结构尚未显现出显著影响。
蚯蚓磨浆发酵产物减轻苹果连作障碍的机制
潘凤兵, 姜伟涛, 陈冉, 徐明娜, 陈学森, 沈向, 尹承苗, 毛志泉
2021, 27(3): 429-439. doi: 10.11674/zwyf.20415
摘要:
  【目的】  探究蚯蚓磨浆发酵产物防控苹果连作障碍的可行性。  【方法】  蚯蚓 (Eisenia foetida) 用湿法磨碎后,加入枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis) 和黑曲霉菌 (Aspergillus niger) 发酵,发酵物用于试验。盆栽试验土壤采自27年龄的苹果园,供试作物为平邑甜茶幼苗。蚯蚓发酵物施入土壤,在苹果幼苗生长4个月后,调查苹果幼苗的生长状况,分析土壤中总微生物量、致病成分含量和有害真菌数量。  【结果】  施用蚯蚓磨浆发酵产物有效提高了苹果连作土壤中的细菌、放线菌数量,显著降低了真菌数量。与连作土对照相比,施用蚯蚓磨浆发酵产物处理连作土壤尖孢镰孢菌、层出镰孢菌、腐皮镰孢菌和串珠镰孢菌这4种有害真菌分别降低了65.6%、13.9%、84.2%和24.1%;有效降低了连作土壤中酚酸类物质的含量,其中根皮苷、根皮素和对羟基苯甲酸含量分别降低了74.2%、48.9%和67.0%;显著促进了植株根系的生长,提高了根系呼吸速率和抗氧化酶活性,根系呼吸速率、SOD、POD和CAT活性分别提高了69.4%、81.2%、81.1%和161.5%。蚯蚓磨浆发酵产物的添加极大促进了平邑甜茶幼苗植株的生长,植株干重是连作对照CK的2.58倍;同时提高了植株叶片的光合效率及叶绿素含量,其中光合效率比对照提高了46.5%,叶片叶绿素a和叶绿素b含量分别是对照的1.38和1.65倍。  【结论】  蚯蚓磨浆发酵产物的施入可有效提高土壤中细菌、放线菌数量,显著降低真菌数量和有害成分,改善苹果连作果园土壤环境,促进苹果幼树的生长,从而降低苹果连作障碍造成的危害。
不同类型有机物料的有机磷组成及生物有效性
刘娜, 马旭东, 慕君, 范庭, 王旭东
2021, 27(3): 440-449. doi: 10.11674/zwyf.20302
摘要:
  【目的】  研究不同有机物料的有机磷组成及其作为磷源施用后的供磷能力,为化肥磷的有机替代奠定理论基础。  【方法】  供试有机物料包括粪肥类 (猪粪、羊粪)、绿肥类 (豌豆、苜蓿和绿豆)、秸秆类 (小麦秸秆、玉米秸秆和油菜秸秆)。分析了8种有机物料的全磷、有机磷含量和C/P值,采用Bowman-Cole方法测定了有机磷中的活性 (LOP)、中活性 (MLOP)、中稳性 (MROP) 和高稳性有机磷 (HROP) 4个组分的含量。用供试的8种有机物料进行了小麦盆栽试验,分析了土壤速效磷含量、小麦吸磷量与不同有机物料的有机磷组成、碳/磷 (C/P) 值之间的关系。  【结果】  粪肥、绿肥和秸秆中的全磷含量分别为5.49~5.52、1.19~2.59、0.57~1.07 g/kg,有机物料中有机磷含量占全磷的比例在31.3%~55.2%,除绿豆秸秆外,有机磷含量小于无机磷。有机磷中LOP、MLOP、MROP和HROP的平均比例分别为8.5%、45.2%、41.5%和4.9%。LOP平均含量以粪肥类 (175.5 mg/kg) > 绿肥类 (67.03 mg/kg) > 秸秆类 (25.8 mg/kg);以猪粪、绿豆秸秆的MLOP含量相对较高;MROP含量羊粪 > 猪粪 > 苜蓿秸秆 > 绿豆秸秆 > 豌豆秸秆 > 玉米秸秆 > 油菜秸秆 > 小麦秸秆;HROP在粪肥中的含量显著高于其他类型物料。施用绿肥和粪肥显著增加了小麦的吸磷量和生物学产量,而施用秸秆则不同程度降低了小麦的吸磷量和生物学产量。小麦吸磷量与土壤速效磷含量呈线性正相关关系,与有机物料C/P值呈极显著负相关关系,与LOP、MLOP、MROP呈极显著正相关关系,与HROP相关性不显著;土壤速效磷与有机物料C/P值呈负相关关系。  【结论】  供试有机物料中的全磷含量以粪肥类 > 绿肥类 > 秸秆类,无机磷含量均大于有机磷含量 (绿豆秸秆除外),有机磷以中活性和中稳性有机磷为主。绿肥类和粪肥类物料中含磷量高、且C/P值较低,作为肥料使用能显著增加土壤速效磷含量、小麦生物学产量和吸磷量,可以有效替代一定比例的磷肥。而秸秆类有机物料含磷量较低,且C/P值较高,不适宜作为化肥磷的有机替代物料。
长期不同施肥对黄壤磷素吸附–解吸特性的影响
刘彦伶, 李渝, 张萌, 张雅蓉, 黄兴成, 蒋太明, 张文安
2021, 27(3): 450-459. doi: 10.11674/zwyf.20321
摘要:
  【目的】  磷吸附–解吸特性对土壤磷素有效性和环境流失风险有重要影响。研究长期不同施肥对黄壤旱地磷吸附–解吸特性的影响,可为黄壤区合理施用磷肥提供理论依据。  【方法】  供试黄壤肥力长期定位试验位于贵阳,始于1995年。设有对照 (CK)、施氮钾肥 (NK)、施氮磷钾肥 (NPK)、单施有机肥 (M) 和有机肥化肥配施 (MNPK) 5个处理。采用恒温平衡方法,研究了磷最大吸附量 (Qm)、磷吸附常数 (K)、磷吸附自由能 (|ΔG|)、磷最大缓冲容量 (MBC)、磷吸附饱和度 (DPS)、磷固定量 (PI)、磷解吸率 (DR),不同施肥处理土壤对外源磷的吸附和解吸特征,并分析土壤磷吸附解吸特征参数与土壤理化性质之间的关系。  【结果】  M和MNPK处理显著降低了土壤中的黏粒含量,提高了有机质含量和pH,提高了土壤全磷和有效磷及微生物量磷含量;NK和NPK处理对土壤黏粒含量没有显著影响,但是降低了有机质和pH,NK处理降低了土壤的磷含量和有效性。Langmuir吸附等温线方程能很好地拟合土壤吸附磷和相应的平衡溶液磷浓度曲线 (R2为0.9532~0.9950,P < 0.01)。与CK相比,NK、NPK处理Qm分别显著增加了39.2%、40.9%,M处理Qm显著降低了20.0%,MNPK处理Qm无显著差异,说明施用化肥可增加土壤对磷素的吸附位点,而施用有机肥则减少了土壤对磷素的吸附位点,有机无机肥配施时则吸附位点无显著变化;各处理K、|ΔG|、MBC、PI表现为MNPK≤ M < CK < NPK < NK,DPS则表现为MNPK > M > NPK > CK > NK,DR均值表现为MNPK>M>CK>NPK>NK。当加入外源磷浓度 < 10 mg/L时,NK和NPK处理的磷固液比为85.8~100.3,CK为4.2~28.8,M和MNPK处理为2.5~7.7,说明当施用的外源磷浓度较低时,长期施用化肥处理中的磷大部分被土壤吸附,难以被作物利用,而长期施用有机肥处理中磷则大部分留存在液相中,有利于作物的吸收利用。相关分析表明,QmK、|ΔG|、MBC、PI等磷吸附特征参数与土壤黏粒含量、pH、有机质相关系数基本大于与土壤磷的相关系数,说明土壤黏粒含量、pH和有机质对土壤磷素吸附解吸特性的影响大于土壤磷素水平的影响。  【结论】  黄壤磷素吸附–解吸特性受磷肥性质的影响大于施磷量,长期施用有机肥可降低土壤对磷素的吸附,促进土壤磷素解吸,提高土壤磷素有效性,长期施用化肥效果则相反。长期有机无机肥配施可综合有机肥和化肥优势,在土壤磷浓度较低时,可降低土壤对磷的吸附,促进磷素解吸,提高土壤磷素的有效性;在土壤磷浓度较高时,可以降低土壤磷素解吸率,减小磷素环境流失风险,是黄壤旱地上最佳的施肥模式,但本研究中MNPK处理施磷量过高导致土壤磷素大量累积,磷素流失风险较大。
长期施肥棕壤有机硫矿化特征及其驱动力
韩萌, 杨劲峰, 谢芳, 李娜, 戴健, 王月, 鲁豫, 韩晓日
2021, 27(3): 460-469. doi: 10.11674/zwyf.20406
摘要:
  【目的】  探究长期不同施肥对土壤有机硫矿化量、动力学特征和酶活性的影响,揭示玉米–大豆轮作体系中棕壤有机硫矿化特征及其主要驱动因子。  【方法】  沈阳农业大学长期定位试验于1979年建立,为玉米–玉米–大豆 (一年一熟) 轮作模式。试验设置15个处理,本研究选取了其中7个处理,分别为:CK (不施肥)、N1 (低量化学氮肥)、N2 (高量化学氮肥)、N1P (低量化学氮肥+磷肥)、N1PK (低量化学氮肥+磷钾肥)、M1 (低量有机肥) 和M1N1PK (低量有机肥配施化学氮磷钾肥)。不同作物有机肥投入量相同,氮磷钾化肥投入量不同。选取2014和2015年的耕层 (0—20 cm) 土壤样品,测定土壤基本理化指标 (pH、有机碳和全氮含量)、有机硫矿化量、土壤中性蛋白酶及土壤芳基硫酸酯酶活性。同时,进行矿化培养试验,分析不同温度下有机硫矿化特征。于玉米、大豆收获后测定产量。  【结果】  长期施肥处理均提高了土壤有机硫的矿化量,7个处理总体表现为M1N1PK > M1 > N1PK、N1、N2 > N1P > CK。单施化肥条件下,增加氮肥用量对有机硫矿化作用无显著影响;单施有机肥或有机肥与化肥配施均可明显促进土壤有机硫矿化。与CK相比,M1N1PK处理有机硫矿化量提升幅度最大,提高了57.30%。利用一级动力学方程进行拟合,长期施肥均提高了有机硫矿化势,无机肥处理 (N1、N2、N1P和N1PK) 的提升幅度均较低,提升效果最优的是M1处理,比CK提高了45.27%。环境温度和作物种类均显著影响有机硫矿化量和矿化势,随着环境温度的升高,有机硫的矿化量和矿化势均明显增加;玉米种植季有机硫矿化量和矿化势均高于大豆种植季。土壤中性蛋白酶活性和芳基硫酸酯酶活性均以M1N1PK处理最高,与单施化肥相比分别提高了96%~220%、264%~986%。有机硫累积总矿化量在种植玉米的年份与土壤有机碳 (r = 0.7693) 含量和全氮 (r = 0.7554) 含量呈显著正相关 (P < 0.05)。  【结论】  土壤的有机碳和全氮含量是棕壤有机硫矿化的主要驱动力。只施用无机肥对土壤有机硫的矿化没有显著影响,而有机无机肥配合施用可显著提高土壤芳基硫酸酯酶、中性蛋白酶活性,进而提高有机硫矿化势和矿化量。玉米因其较高的生物量也成为有机硫矿化的主要驱动力。
施肥对云南洱海流域蒜田土壤氨挥发和大蒜产量的影响
沈仕洲, 杨艳, 王瑞琦, 吴凡, 胡玉康, 王风, 张克强
2021, 27(3): 470-479. doi: 10.11674/zwyf.20362
摘要:
  【目的】  探究不同施肥措施及施氮量对大蒜产量的影响以及蒜田的氨挥发排放特点,实现在保证效益的前提下的最小环境代价。  【方法】  田间试验在云南省大理市进行,试验设不施肥 (CK);常规施肥 (N、P2O5、K2O分别为675、180、150 kg/hm2,CF);减少20%的CF处理化肥用量 (N、P2O5、K2O分别为540、144、120 kg/hm2,T1);T2处理是将 T1 处理中的氮以有机肥替代;T3处理是将T1 处理中的磷以有机肥替代;T4处理是按有机肥当季矿化率 25% 折算,以有机肥替代 T1 处理中的氮投入; T5处理是按有机肥当季矿化率 25% 折算,以有机肥替代 T1 处理中的磷投入;T6处理是以控释肥替代 T1 处理中的化肥氮,共8个处理。T2和T4处理为单施有机肥,总氮投入量分别为540和2160 kg/hm2;T3和T5处理为有机无机肥配合,总氮投入量分别为540和1224 kg/hm2。每季大蒜施肥4次,每次施肥后,采用密闭室间歇通气法吸收、分析田间氨挥发排放量,在收获期对大蒜进行测产。  【结果】  CF处理的大蒜产量最高,且显著高于其他所有处理,除对照外,其他6个处理的大蒜产量之间没有显著差异。蒜田氨挥发主要发生在每次施肥后的7 天内,整个生育期氨挥发速率峰值变化范围为2.21~9.83 kg/(hm2·d)。不同时期氨挥发累积排放量也存在差异,基肥期氨挥发损失量为4.93~27.77 kg/hm2,第1次追肥损失量为3.24~19.55 kg/hm2,第2次追肥损失量为2.80~18.57 kg/hm2,第3次追肥损失量为3.60~15.29 kg/hm2。CF、T1、T2、T3、T4、T5和T6处理的氨挥发累积量分别为71.76、52.30、30.56、53.65、44.67、59.95和40.22 kg/hm2,氨挥发损失分别占施氮量的10.63%、9.48%、5.50%、9.72%、2.02%、4.80% 和7.30%。CF处理的氨挥发量和氨挥发损失比例明显高于其他6个处理;在其他6个处理中,氨挥发量的顺序为T2 < T4 ≈ T6 < T1 ≈ T3 < T5 (P < 0.05)。  【结论】  洱海地区常规施肥获得的大蒜产量显著高于减量和有机肥替代施肥模式,但其氨挥发量和损失率也明显高于其他模式。T1~T6处理中,大蒜产量没有显著差异,但是氨挥发量和损失率却不同。有机肥施用量大也会显著增加氨挥发量和氮损失率,在高量有机肥中配合尿素显著增加了氨挥发量和氮素损失率。因此,氮素施用量决定着氨挥发损失量。综合考虑农学和环境效益,在洱海流域,减少常规氮肥用量的20%,并以有机肥氮替代全部化肥氮为适宜的施肥方式。
基于养分专家系统的西北旱地冬小麦推荐施肥效应研究
苑爱静, 于杰, 蒋龙刚, 邱炜红, 王朝辉
2021, 27(3): 480-490. doi: 10.11674/zwyf.20348
摘要:
  【目的】   本研究调查了养分专家系统 (Nutrient Expert, NE) 推荐施肥在西北旱地冬小麦生产上的应用效果,以明确该方法在西北旱地小麦推荐施肥中的可行性。   【方法】   在陕西渭北旱塬两年共布置15个田间试验,所有试验均设置两个处理:养分专家系统推荐施肥 (NE) 和农户习惯施肥 (FP)。在小麦成熟期采集小麦样品和0—100 cm土层土壤样品,测定植株氮磷钾养分含量和土壤硝态氮含量,调查分析小麦产量及其构成要素、经济效益和肥料偏生产力。   【结果】   NE推荐的N施用量平均为158 kg/hm2,较FP处理 (N 192 kg/hm2) 减少了18%;P2O5施用量平均为62 kg/hm2,较FP处理 (134 kg/hm2) 减少了54%;而K2O用量为40 kg/hm2,较FP处理 (28 kg/hm2) 增加了43%。NE处理的冬小麦平均籽粒产量为5171 kg/hm2,与FP处理 (5111 kg/hm2) 籽粒产量接近,经济效益提高了7.8%,氮肥偏生产力提高25.1%,磷肥偏生产力提高了139.8%。与FP相比,NE处理的土壤0—100 cm土层硝态氮残留量无显著差异。   【结论】   相比农户习惯施肥,基于养分专家系统推荐的施肥方案减少了18%的氮肥和54%的磷肥用量,增加了43%的钾肥用量,冬小麦产量保持稳定,氮肥和磷肥的偏生产力和经济效益均显著提升,具有较好的化肥减施和增收效果,可在旱地冬小麦生产中推广应用。
有机肥替代20%化肥提高黑钙土养分有效性及玉米产量
季佳鹏, 赵欣宇, 吴景贵, 孟庆龙, 关华建, 牛岸秋
2021, 27(3): 491-499. doi: 10.11674/zwyf.20357
摘要:
  【目的】  化肥减量并配施有机肥是减少肥料损失、提高化肥利用率的有效途径。研究在秸秆条带还田下化肥减量配施不同有机肥对东北地区黑钙土速效养分和玉米产量的影响,以实现玉米高效和可持续生产。  【方法】  于2018和2019年,连续两年在农安试验基地黑钙土上进行玉米田间试验。本试验在秸秆条状还田下,共设置4个处理,即当地常量施肥 (T1)、化肥减量20% (T2)、化肥减量20%配施鸡粪2988 kg/hm2 (T3) 和化肥减量20%配施牛粪5098 kg/hm2 (T4),T1、T3和T4处理的总氮投入量相同。在玉米拔节期和收获期,分别测定土壤pH、有机碳和速效氮磷钾含量,在收获期测产。  【结果】  与T1处理相比,T2处理连续两年玉米产量均未显著降低,土壤有机碳和速效氮磷钾含量与常量施肥处理大体接近;T3和T4处理显著增加了土壤有机碳和速效养分含量。其中,T3处理2018年土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别较T1增加了15.20%、12.20%、16.70%、7.75%,2019年分别增加了13.0%、18.5%、34.2%、18.5%。玉米产量连续两年均以T4处理效果最优,2018和2019年分别较T1增产5.6%和20.8%,T3处理的增产幅度分别为3.75%和15.40%。  【结论】  在秸秆条状还田下,化肥减量配施有机肥可以增加土壤中有机碳和速效氮、磷、钾含量,可实现玉米增产增收。在黑钙土上配施鸡粪的效果优于牛粪。
不同铁效率玉米品种苗期适应低铁胁迫的根系特征与铁积累差异
任云, 刘静, 李哲馨, 李会合, 李强
2021, 27(3): 500-510. doi: 10.11674/zwyf.20396
摘要:
  【目的】  石灰性土壤高pH和高重碳酸盐含量严重影响土壤中有效铁含量,导致作物缺铁黄化、减产,铁高效玉米品种的推广应用是实现石灰性土壤玉米高产稳产的重要途径。 本研究探讨不同铁效率玉米品种适应低铁胁迫的根系特征与铁积累差异,旨在为铁高效玉米品种的推广应用提供科学依据。  【方法】  试验以铁高效玉米品种正红2号 (ZH2)、正大619 (ZD619) 和铁低效玉米品种川单418 (CD418)、先玉508 (XY508) 为材料,设置极低铁处理 (Fe0,Fe浓度为0 μmol/L)、低铁处理 (Fe10,Fe浓度为10 μmol/L) 和正常供铁 (Fe100,Fe浓度为100 μmol/L) 3个处理,通过砂培试验,研究不同铁效率玉米品种适应低铁胁迫的根系形态特征、干物质重、铁积累及铁吸收利用差异。  【结果】  低铁胁迫下,玉米幼苗的根干重、单株干重、铁积累量、根系相对铁吸收效率均显著降低,而根冠比与铁素生理效率均显著升高,且随胁迫程度的增加变幅加大;总根长、根表面积、根体积和根直径则表现出明显的品种差异,与正常铁处理 (Fe100)相比,低铁处理下铁低效品种的总根长、根表面积和根体积显著降低,根直径显著增加,而铁高效品种的总根长和根表面积差异不显著,根体积显著增加,根直径在极低铁处理(Fe0)下显著降低,低铁处理 (Fe10)下差异不显著;铁高效品种总根长、根表面积、根体积、根干重、单株干物重、铁积累量和根系铁吸收效率的降幅及根冠比的增幅均明显低于铁低效品种,而铁生理效率的增幅高于铁低效品种。相关性分析结果表明,玉米幼苗铁积累量与总根长、根表面积、根体积和根干重均呈显著正相关,而与根冠比呈负相关,其中与总根长 (R2 = 0.8546) 和根表面积 (R2 = 0.8983) 相关性最强。  【结论】  与铁低效玉米品种相比,铁高效玉米品种低铁胁迫下具有较优的总根长、根表面积及较高的根系铁吸收效率与铁生理效率,促进了其对铁的高效吸收与利用,提高了其对低铁环境的适应能力。
外源谷胱甘肽喷施对缺硫胁迫下小白菜谷胱甘肽代谢的影响
王丹, 汪宽鸿, 杨静, 朱祝军, 祝彪
2021, 27(3): 511-519. doi: 10.11674/zwyf.20355
摘要:
  【目的】  硫是植物生长发育过程中所必需的营养元素,缺硫会阻碍植物生长发育,研究外源谷胱甘肽 (GSH) 对缺硫胁迫下小白菜GSH代谢的影响,为利用外源GSH减轻缺硫胁迫对植物造成的伤害提供理论依据。  【方法】  以小白菜为试验材料,采用营养液栽培方法,设正常供硫并喷施蒸馏水对照 (CK)、缺硫喷施蒸馏水(H2O)、缺硫喷施25 mg/L的还原型谷胱甘肽 (GSH) 和缺硫喷施25 mg/L的氧化型谷胱甘肽 (GSSG) 4个处理。喷施处理在缺硫培养17 天时进行,在喷施处理后0、2、4、8、24 h,取样测定小白菜GSH合成关键基因BcGSH1表达量;在喷施处理0、24、48、72 h后,取样测定γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶 (γ-ECs) 活性、内源GSH和GSSG含量及GSH还原酶 (GR)、GSH过氧化物酶 (GPx) 和GSH硫转移酶 (GST) 活性。  【结果】  与CK相比,缺硫显著降低了小白菜BcGSH1表达量、GSH含量及γ-ECs、GR和GST活性,提高了GPx活性;外源喷施GSH能够显著提高缺硫胁迫下小白菜BcGSH1表达量、GSH含量及γ-ECs、GR、GPx和GST活性;外源喷施GSSG后,缺硫胁迫下小白菜GSH含量、GSSG含量和γ-ECs活性仅短暂上升,GR和GST活性显著增强,GPx活性最终减弱。  【结论】  缺硫胁迫下,小白菜能够吸收外源喷施的GSH和GSSG,并诱导GSH合成酶活性增强,外源喷施GSH还会诱导细胞内GSH代谢3个关键酶GR、GPx和GST活性增强,显著缓解缺硫胁迫对小白菜造成的损伤;而外源喷施GSSG则诱导GR和GST活性增强,GPx活性降低,维持细胞不被继续氧化,一定程度上缓解因缺硫胁迫对机体造成的损伤。
γ-Fe2O3纳米材料与甲基营养型芽孢杆菌对大豆生长及产量的协同促进机制
张辰弛, 马扬旸, 曹雪松, 王震宇
2021, 27(3): 520-530. doi: 10.11674/zwyf.20493
摘要:
  【目的】  探究氧化铁纳米材料 (γ-Fe2O3 NMs) 与甲基营养型芽孢杆菌叶面配施对大豆生长、产量及籽粒品质的影响及其协同作用机制,为γ-Fe2O3 NMs在农业生态系统中的应用提供新思路及理论支持。  【方法】  以大豆为供试作物,纳米材料处理组设置0、1、10、30和50 mg/L 5个浓度,纳米材料与甲基营养型芽孢杆菌复合处理组中包含甲基营养型芽孢杆菌悬液以及对应4个浓度的纳米材料,施用方式为叶面喷施,大豆生长至40天时测定光合作用参数,在成熟期测定植株生物量、植株总糖含量、产量等参数。利用LB平板体外培养实验及分光光度法 (OD600)测定γ-Fe2O3 NMs对甲基营养型芽孢杆菌生长的影响,利用单颗粒电感耦合等离子质谱仪测定甲基营养型芽孢杆菌对γ-Fe2O3 NMs生物可利用性的影响。  【结果】  γ-Fe2O3 NMs促进了大豆光合作用,显著提高了大豆生物量,且30、50 mg/L γ-Fe2O3 NMs明显提高了大豆产量及籽粒碳水化合物含量。与同浓度纳米处理组 (30、50 mg/L γ-Fe2O3 NMs) 相比,甲基营养型芽孢杆菌与γ-Fe2O3 NMs共施用的大豆产量分别增加了31.5%及13.4%。甲基营养型芽孢杆菌施用后相较于对照组显著提高了大豆根尖数,γ-Fe2O3 NMs单独处理对大豆根尖数没有显著影响,而γ-Fe2O3 NMs与甲基营养型芽孢杆菌共施用处理组中大豆的根尖数明显多于甲基营养型芽孢杆菌单独处理。甲基营养型芽孢杆菌发酵液明显降低了γ-Fe2O3 NMs的团聚作用。10、30和50 mg/L γ-Fe2O3 NMs均能够促进甲基营养型芽孢杆菌的生长,且能够使细菌发酵液中吲哚乙酸含量从3.8 mg/L增加至7.6~8.8 mg/L。γ-Fe2O3 NMs与甲基营养型芽孢杆菌配合施用,相较于对照组显著提高了大豆养分吸收及籽粒中营养元素 (Fe、Mn、S、Mg等) 的含量。  【结论】  γ-Fe2O3 NMs对光合作用的促进是其促进大豆生长、提高大豆产量的主要机制。γ-Fe2O3 NMs与甲基营养型芽孢杆菌配施后,两者对大豆生长、产量及果实品质呈现协同促进作用。其主要机制包括:1) 甲基营养型芽孢杆菌代谢产物能够有效降低γ-Fe2O3 NMs的团聚,增加了γ-Fe2O3 NMs的生物可利用性;2) γ-Fe2O3 NMs显著促进甲基营养型芽孢杆菌生长,提高其代谢产物中吲哚乙酸的含量。
专题综述
土壤紧实胁迫下根系–土壤的相互作用
张方博, 侯玉雪, 敖园园, 申建波, 金可默
2021, 27(3): 531-543. doi: 10.11674/zwyf.20318
摘要:
  【目的】  土壤紧实胁迫破坏土体理化性质,阻碍作物根系生长,降低作物产量,是限制农业生产力提高的世界性难题。根系形态结构决定了植物对土壤资源的探索能力及其对胁迫环境的适应性。讨论紧实胁迫下植物根系–土壤的相互作用,综述国内外关于根系通过形态和生理改变等根系生物学潜力的发挥提高对紧实胁迫适应性的研究进展。  主要进展  土壤紧实胁迫增加根系穿透阻力,限制根系对土壤水分和养分的获取。植物根系会从形态和解剖结构方面对土壤紧实胁迫做出一系列适应性改变,充分利用土壤中的孔隙拓展生长空间。此外,根系也会对紧实胁迫做出生理响应,通过大量释放分泌物,影响根际土壤微结构,改变根土界面微域环境,降低根系生长的机械阻力。  展望  土壤紧实胁迫作为产量限制因素被长期忽视。通过发挥根系自身的生物学潜力,提高根系在紧实土壤中的适应性,对于最大限度地保证其在紧实胁迫下的正常生长非常关键,作为应对土壤紧实胁迫的有效策略具有重要的现实意义。未来的研究方向与重点包括:揭示紧实胁迫下根系分泌物与微生物的“对话机制”,探明紧实胁迫下根系–土壤–微生物的互作关系和作用机制,为发挥根系生物学潜力,强化关键根系/根际性状,塑造健康土壤结构,提高土壤紧实胁迫下的农业生产力提供科学依据。
研究简报
长期施肥红壤性稻田和旱地土壤有机碳积累差异
李文军, 黄庆海, 李大明, 柳开楼, 叶会财, 肖国滨, 张文菊, 徐明岗
2021, 27(3): 544-552. doi: 10.11674/zwyf.20313
摘要:
  【目的】  提高土壤有机碳水平对提升农田生产力有重要意义。基于长期定位施肥试验,比较施肥影响下相同成土母质发育的红壤性稻田和旱地土壤的总有机碳 (TOC) 及其组分的积累差异,以深入理解红壤有机碳的固持及稳定机制。  【方法】  稻田和旱地长期施肥试验分别始于1981和1986年,包含CK (不施肥对照)、NPK (施氮磷钾化肥) 和NPKM (有机无机肥配施) 3个处理,在2017年晚稻和晚玉米收获后,采集两个试验上述处理的耕层 (0—20 cm) 土样,通过硫酸水解法分离土壤活性与惰性有机碳,测定并计算土壤中TOC及其组分的含量及储量,并利用Jenny模型拟合试验期间耕层土壤TOC含量的变化动态,估算土壤固碳潜力。  【结果】  与CK相比,长期施肥可提高稻田和旱地土壤各有机碳组分的含量,且NPKM处理的效果优于NPK处理。相比于稻田土壤,施肥对旱地土壤各有机碳组分含量的提升更加明显。NPK和NPKM处理下,旱地土壤活性有机碳组分Ⅰ、活性有机碳组分Ⅱ、惰性有机碳含量的增幅分别是稻田土壤的2.7、2.7、5.8倍和2.0、1.4和2.5倍。不论施肥与否,稻田土壤TOC的固存量和固存潜力均显著高于旱地土壤。施肥促进土壤固碳,在稻田和旱地土壤上,NPKM处理的TOC固存量分别是NPK处理的1.7和25.5倍,TOC固存潜力则分别是NPK处理的1.4和5.8倍。长期不同施肥均显著提高稻田和旱地土壤年均碳投入量,线性拟合方程表明,随碳投入量增加,土壤活性有机碳储量的累积对稻田、旱地土壤TOC储量累积的贡献率分别达64.7%、44.6%。不同处理间稻田与旱地土壤活性有机碳 (包括活性有机碳组分Ⅰ与活性有机碳组分Ⅱ) 含量的差异可解释其TOC含量差异的52.9%~60.0%。  【结论】  与施氮磷钾化肥相比,有机无机肥配施可更好的促进土壤固碳,且在旱地土壤上的促进作用比在稻田土壤上更为明显。与稻田土壤相比,旱地土壤各有机碳组分含量的变化对长期施肥的响应更敏感,且在施氮磷钾化肥条件下表现更为明显。红壤性稻田和旱地土壤TOC积累的主要贡献组分分别为活性有机碳和惰性有机碳。红壤植稻虽有利于有机碳固持,但红壤性稻田土壤的活性碳占比较高,可能易因不当管理而发生损失。