• ISSN 1008-505X
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2021年  27卷  第7期

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《增值肥料概论》书评
许秀成
2021, 27(7): 1-2.
摘要:
2021-07期封面+目录
2021, (7): 1-5.
摘要:
不同来源生物质废弃物热解炭化农业应用潜力分析:生物质炭产率、性质及促生效应
柯贤林, 恽壮志, 刘铭龙, 刘晓雨, 卞荣军, 李恋卿, 潘根兴
2021, 27(7): 1113-1128. doi: 10.11674/zwyf.20583
摘要:
  【目的】  中国农业生物质废弃物种类多、数量大,且存在病原菌、农药和抗生素残留等潜在生态和环境风险。热解炭化作为一种废弃物的安全处理方法,其生物质炭的循环得率、性质及其土壤改良和促进作物生长的效应还需系统的比较研究。  【方法】  本研究选取作物生产来源的原生生物质、养殖业来源的次生生物质、食品加工处理的残余生物质等共26种生物质废弃物原料,在同一条件下炭化,分析不同来源原料热解后生物质炭产出率与性质。以小白菜 (Brassica campestris L. ssp.) 为试材进行盆栽试验,研究生物质炭对作物生长及土壤改良效应,进而评估这些废弃物炭化农业循环的应用潜力。  【结果】  供试26种废弃物炭化后的生物质炭产出率介于22%~71%,有机碳循环回收率介于22%~81%,氮素循环回收率介于21%~67%。26种废弃物生物质炭的pH和阳离子交换量差异较小 (变异系数10%左右),总有机碳、氮、水分、灰分含量等差异较大,变异系数在60%~70%;而不同原料生物质炭的电导率和溶解性有机碳含量变化极大,变异系数大于90%。生物质炭盆栽试验中,生物炭添加1%,小白菜生物量提升效应介于–34%~314%,变异系数大于100%;小白菜品质提升效应介于–14%~228%,变异系数为59%;土壤肥力提升效应介于20%~360%,特别是土壤有效磷含量提升幅度在0~24倍,均值为359%。同时,生物质炭产出率与生物质炭中灰分呈显著正相关,生物质炭的碳氮回收率与原料中碳氮含量呈显著正相关;不同原料热解炭化的质量回收率、碳氮回收率与小白菜产量及品质等指标间变化差异较大,在小白菜产量效应和品质效应间,部分生物质炭存在抵消作用,而另一部分生物质炭表现为协同作用。  【结论】  综合考虑热解炭化的生物质炭化循环率及碳氮回收循环率和土壤质量–植物生长协同提升效应,供试26种原料中,蚕砂、稻壳牛粪、骨粉、双孢菇渣、兔粪、羊粪和玉米渣的炭化循环率和土壤质量–植物生长协同提升幅度较高 (> 50%),为优先炭化农业利用的生物质废弃物;而木糖渣、稻壳粉、椰渣、高粱酒渣、核桃皮、蚓粪和红茶渣等废弃物热解炭化,因炭化循环率较低,或者土壤质量–植物生长提升的不一致效应,认为不宜炭化农业利用;而其余废弃物热解炭化后的效应介于上述两类之间,具有较高的炭化循环率和一定程度的土壤质量–植物生长协同提升效应,属于可炭化农业利用的生物质废弃物。
煤矿区复垦土壤中秸秆和生物炭的分解特征
李然, 徐明岗, 邬磊, 申华平, 孙楠, 蔡岸冬, 王斌, 艾天成, 靳东升, 张强, 洪坚平
2021, 27(7): 1129-1140. doi: 10.11674/zwyf.20615
摘要:
  【目的】  研究煤矿区不同复垦年限土壤中秸秆和生物炭的分解特征及其影响因素,为资源合理利用和矿区土壤培肥提供理论依据。  【方法】  依托山西煤矿复垦区试验基地,在复垦年限为1年 (复垦初期阶段,R1)、10年 (复垦中期阶段,R10) 和30年 (复垦长期阶段,R30) 的土壤中进行了有机物料填埋试验。供试有机物料包括:玉米秸秆 (MS)、小麦秸秆 (WS) 和生物炭 (BC),以不添加有机物料为对照 (CK)。3种有机物料按土重 (200 g) 和有机碳比例为100∶4混匀,装于尼龙网袋 (孔径0.38 µm) 内,埋入试验基地15 cm深的土壤中。监测试验期内土壤积温,在埋入土壤后的第 12、23、55、218、281、365天采集尼龙袋内土壤样品,分析有机物料残留量、土壤有机碳 (SOC)、微生物量碳 (SMBC)、微生物量氮 (SMBN)、可溶性有机碳 (DOC) 和可溶性有机氮 (DON) 含量,分析各调查指标与有机物料分解残留率的关系。  【结果】  1) 秸秆和生物炭的腐殖化系数分别为46.2%和86.6%,秸秆分解速率显著高于生物炭 (P < 0.05),有机物料的腐殖化系数在3种复垦年限土壤间无显著差异。秸秆分解速率在3种复垦土壤间表现出阶段性差异:分解0~12天,秸秆在R30中的分解速率显著高于R1;分解12天后,秸秆分解速率在3种复垦土壤之间无显著差异。2) 由积温方程可知,秸秆和生物炭的易分解有机碳库占比分别为55%和12%,稳定有机碳库占比分别为43%和87%。3) 添加秸秆显著提高了3种复垦土壤SMBC、SMBN、DOC和DON含量,其在R1的增长幅度显著高于R10和R30,后两者的增幅无显著差异;添加生物炭不影响复垦土壤的活性碳氮库。4) 分解0~23天,秸秆分解速率与土壤活性碳氮含量、秸秆木质素含量显著相关;分解23天后,秸秆分解速率与土壤SMBN含量、秸秆木质素含量显著相关。土壤性质不影响生物炭的分解速率。整个分解时期复垦土壤中DOC增加量与秸秆分解速率呈极显著正相关 (P < 0.01)。  【结论】  秸秆和生物炭的腐殖化系数与土壤复垦年限不相关,秸秆分解速率显著高于生物炭,主要是由于秸秆易分解有机碳库占比高于生物质炭。秸秆埋入复垦土壤后,在第12天分解速率达到最大值,土壤活性养分含量显著增加;生物炭性质稳定,分解缓慢,土壤活性养分含量无明显变化。综上,复垦土壤应加强秸秆还田以提高土壤活性碳氮含量,长期复垦土壤宜施用生物炭以稳定复垦土壤碳氮库。
秸秆深度粉碎均匀抛洒还田降低秸秆焚烧率并提高养分归还量
李超, 程凯凯, 廖育林, 郭立君, 周峻宇, 罗先富, 文丽, 唐海明, 汤文光, 汪柯, 肖小平
2021, 27(7): 1141-1150. doi: 10.11674/zwyf.2021088
摘要:
  【目的】  研究粉碎程度与还田方式对减少秸秆焚烧率及其养分损失的影响,以提升秸秆还田的科学性和可行性。  【方法】  水稻秸秆还田田间试验与模拟试验在湖南宁乡进行。田间试验设秸秆传统不粉碎条带还田 (T1)、中度粉碎条带还田 (T2)、深度粉碎均匀抛撒还田 (T3) 3个处理,T1、T2、T3的秸秆还田长度分别为39.0、14.4、5.3 cm,抛撒均匀度分别为37.7%、45.4%、87.4%。模拟试验设置与田间试验T1、T2、T3处理相对应的M1、M2、M3处理,并增加秸秆深度粉碎条带还田 (M4) 处理。早稻收获后,秸秆按照处理进行焚烧后还田,分析秸秆焚烧率,测定焚烧前及焚烧后还田秸秆灰渣的养分含量,计算养分损失量及损失率。在焚烧后第1天及在晚稻成熟期,测定土壤的氮、磷、钾和有机质含量。  【结果】  模拟试验条带还田下,秸秆粉碎程度为M4时,焚烧率显著低于M1和M2,焚烧后M4处理的灰渣中氮含量分别较M1、M2处理显著增加76.5%、73.5%,磷含量分别减少42.0%、39.1%,钾含量分别减少11.1%、10.7%,碳含量分别显著增加37.3%、36.0%。田间试验秸秆 (不含稻茬) 焚烧后,T2处理秸秆中的C、N、P2O5、K2O平均损失量分别为1101.3、34.1、2.7、13.9 kg/hm2,平均损失率分别为91.1%、89.8%、22.4%、16.1%。T3处理秸秆无法焚烧,从而实现了养分理论上全量归还。与焚烧前相比,T1和T2处理平均N、P2O5、K2O的养分归化比分别下降了18.8、3.2、8.2个百分点;与T1和T2处理的平均值相比,T3处理的N、P2O5、K2O的养分归化比分别增加了18.7、3.5、9.1个百分点。经过秸秆焚烧后,T3处理土壤的速效氮、磷、钾含量在晚稻成熟期显著高于T1和T2处理,活性有机质含量3个处理间没有显著差异。  【结论】  秸秆深度粉碎结合均匀抛撒还田可基本防止秸秆焚烧,实现秸秆养分全量归还,降低秸秆焚烧所造成的养分损失,促进双季稻田土壤周年培肥与可持续利用。
传统耕作结合秸秆地膜双元覆盖是提高渭北旱塬春玉米产量和养分吸收的有效措施
赵晶, 刘萌, 付威, 牛育华, 郝明德
2021, 27(7): 1151-1163. doi: 10.11674/zwyf.2021004
摘要:
  【目的】  在干旱半干旱地区,实现雨养农业作物持续增产的关键因素是提高作物养分利用效率。研究黄土高原旱作农业区长期不同耕作、覆盖措施对春玉米产量和养分吸收的影响,为黄土塬区可持续的农田管理提供参考。  【方法】  保护性耕作定位试验位于中国科学院黄土高原农业生态试验站,始于2003年。设有4个传统耕作和4个免耕处理,具体为传统耕作 (CT)、传统耕作+地膜覆盖 (CP)、传统耕作+秸秆覆盖 (CS)、传统耕作+地膜+秸秆覆盖 (CPS)、免耕 (NT)、免耕+地膜覆盖 (NP)、免耕+秸秆覆盖 (NS)、免耕+地膜+秸秆覆盖 (NPS)。调查分析了2007—2016年玉米产量和玉米养分吸收特性。  【结果】  4个传统耕作处理中,CP处理玉米籽粒平均产量比CT处理提高了24.4%,氮素和钾素养分利用效率最高;CS处理玉米平均生物产量比CT处理提高了39.4%,玉米茎秆养分吸收量最高,特别是总吸钾量提高了101.7%;CPS处理籽粒平均产量最高 (9381.6 kg/hm2),总吸氮量和吸磷量分别比CT处理提高了63.2%和123.7%。4个免耕处理中,NP处理籽粒平均产量比NT处理提高了25.8%,NS处理比NT处理降低了3.9%;CPS处理平均籽粒产量、生物产量、植株总吸氮量和总吸磷量最高。相同覆盖处理下,传统耕作的平均籽粒产量、生物产量、氮磷总吸收量均高于免耕。平水年地膜覆盖增产效果最好 (27.0%~37.4%),干旱年秸秆覆盖增产效果最好 (3.5%~8.5%),丰水年则以地膜秸秆双元覆盖增产效果最大 (31.6%~38.1%)。  【结论】  黄土高原旱地条件下,传统耕作对玉米的增产效果好于免耕。采用传统耕作结合地膜秸秆双元覆盖提高了玉米籽粒产量,增加了玉米地上部养分吸收量,在不同气候年份下对玉米增产效果均较好,且年际间变异幅度较小,是渭北旱塬增加玉米养分吸收,提高籽粒产量的最佳田间管理措施。
绿洲灌区春小麦产量和氮素利用率对绿肥还田量的响应
王国璀, 张松茂, 胡发龙, 殷文, 樊志龙, 范虹, 于爱忠, 赵财, 柴强
2021, 27(7): 1164-1172. doi: 10.11674/zwyf.20589
摘要:
  【目的】   西北绿洲灌区小麦多连作种植,存在氮肥投入量大、利用率低等问题。研究麦后复种绿肥对小麦产量和氮素利用的影响,以期为该区小麦氮素高效利用技术的构建提供理论依据。   【方法】   2018—2020年,在河西绿洲灌区开展小麦复种绿肥田间试验,春小麦季设置不施氮肥 (N0) 和传统施氮量180 kg/hm2 (N1)处理,小麦收获后分别设置不复种绿肥 (G0) 和复种毛叶苕子 (Vicia villosa Roth) 且盛花期还田处理,其还田量分别设置为15000 kg/hm2 (G1)、30000 kg/hm2 (G2)、45000 kg/hm2 (G3),研究各处理对次年春小麦吸氮量、籽粒产量和氮肥利用率的影响。   【结果】   绿肥还田显著提高春小麦地上部氮素累积量。在小麦季施氮条件下,G1、G2、G3处理后季小麦氮素积累量较G0处理分别增加8.7%~9.3%、15.3%~16.6%、11.9%~12.3%,不施氮条件下,G1、G2、G3处理较G0处理分别增加3.3%~4.0%、4.6%~5.6%、5.9%~8.4%。施氮结合绿肥还田提高了春小麦营养器官氮素向穗部的转运量、转运率及对籽粒的贡献率,以G2处理提高幅度最大。与G0处理相比,G2处理小麦叶部和茎部氮素向穗部的转运量分别提高38.8%~49.5%和49.1%~64.7%,转运率分别提高8.0%~21.5%和13.0%~14.9%,对籽粒的贡献率分别提高11.0%~26.0%和25.6%~31.3%;在春小麦传统施氮量条件下,G2处理有较高的籽粒产量、氮素收获指数与氮肥利用率,较G0处理分别提高18.4%~27.6%、3.4%~7.2%与82.1%~105.3%。   【结论】   在干旱绿洲灌区,绿肥还田30000 kg/hm2结合施氮180 kg/hm2是提高春小麦产量、氮肥利用率的高效农艺措施。
施磷水平对玉米大豆间作系统氮素吸收与分配的影响
覃潇敏, 潘浩男, 肖靖秀, 汤利, 郑毅
2021, 27(7): 1173-1184. doi: 10.11674/zwyf.20569
摘要:
  【目的】  研究施磷对玉米大豆间作系统氮素吸收、分配和间作优势的影响,为优化玉米与大豆间作系统氮、磷养分管理提供参考。  【方法】  两年盆栽试验设置3种种植方式:玉米单作、大豆单作、玉米与大豆间作;4个P2O5施用水平:0、50、100、150 mg/kg,分别以P0、P50、P100和P150表示。在玉米小喇叭口期、大喇叭口期、孕穗期、成熟期及大豆分枝期、开花期、结荚期、成熟期进行采样,分析玉米、大豆各器官氮素吸收、分配以及氮吸收间作优势对施磷的响应。  【结果】  与单作相比,在P0、P50、P100和P150水平下,2019年间作玉米和大豆籽粒生物量分别显著提高了38.2%~111.8%和22.2%~31.4%,2020年分别显著提高了38.2%~121.1%和13.0%~31.1%。在4个磷水平下,玉米大豆间作土地当量比 (LER) 为1.31~1.72。与P100水平下单作处理相比,在磷肥减施1/2 (P50水平) 条件下,玉米大豆间作并未降低玉米和大豆的籽粒生物量。间作种植提高了玉米与大豆叶、茎、根与籽粒等各器官氮素吸收量,显著提高了间作体系氮素吸收量,并促进了氮素向玉米籽粒的分配,却降低了氮素向大豆籽粒的分配。与P0水平相比,施磷进一步提高了间作体系玉米与大豆各器官的氮素吸收量,提高了间作体系氮吸收量与氮吸收间作优势,并促进了氮素向玉米籽粒的分配。与P100水平的单作相比,间作P50水平不会降低玉米与大豆植株的氮素吸收量与利用率。  【结论】  玉米与大豆间作具有明显的产量优势,土地当量比介于1.31~1.72之间。施磷可显著提高间作玉米和大豆的氮吸收量,并促进氮素向玉米籽粒的分配,具有明显的氮吸收间作优势。施磷水平调节玉米和大豆对养分的竞争能力,适宜的磷肥水平可缓解二者之间对氮素营养的竞争,获得更高的氮肥利用率。
海藻肥对菜心抗旱性的影响及其机理探究
崔丹丹, 杨锦, 耿银银, 陈文康, 沈宏
2021, 27(7): 1185-1197. doi: 10.11674/zwyf.20567
摘要:
  【目的】  结合田间试验和盆栽试验,研究海藻肥对干旱胁迫条件下菜心产量和品质的影响,探讨其提高菜心抗旱性可能存在的机理,为海藻肥在叶菜上的应用提供理论支撑。  【方法】  1) 田间试验以‘碧清菜心’为材料,于2017年分别在广州 (华南主产区) 和宁夏 (供港澳有机蔬菜种植基地) 开展,土壤水分设为正常供水 (70%~75%田间土壤最大持水量) 和干旱 (50%~55%田间土壤最大持水量) 两个水平,设置清水对照 (CK)、海藻提取物 (SE)、水溶化肥 (NPK)、海藻肥 (NPK+SE) 4个处理。在菜心移栽7、14和21天时进行冲施,每次用量10 L/m2。移栽28天后收获,测定海藻肥对菜心经济产量和品质的影响。2) 盆栽试验于2018年在华南农业大学遮荫网室开展,正常供水只设清水对照 (CK),干旱条件下施肥处理同田间试验,施肥量改为100 mL/株。在移栽后14、21和28天时,测定菜心最大叶长、最大叶宽、株高,移栽后28天(收获时)测定叶片相对含水量,叶绿素和自由基含量,抗氧化酶活性和养分吸收量。3) 利用不同孔径的醋酸纤维超滤膜将海藻提取物分为分子量 > 10 kDa、5~10 kDa、3~5 kDa和 < 3 kDa等4种海藻提取物组分,测定其体外自由基清除能力及其对菜心抗旱性的影响。  【结果】  1) 田间试验结果表明,广州试验点正常供水条件下,与NPK处理相比,NPK+SE处理的菜心经济产量差异不显著,但干旱条件下显著增产;宁夏试验点在干旱和正常供水条件下,NPK+SE处理的菜心经济产量均显著高于NPK处理。广州试验点干旱和正常供水条件下,NPK+SE处理的各品质指标均高于NPK处理。宁夏试验点正常供水条件下,NPK+SE处理的菜心可溶性糖和可溶性蛋白含量较CK增加显著,而干旱条件下所有品质指标均显著增加。2) 盆栽试验结果显示,干旱条件下,SE处理的部分菜心品质指标值高于正常供水对照。收获时与NPK处理相比,NPK+SE处理显著提高了菜心株高、最大叶长和叶宽,鲜重显著增加12.60%,菜心叶绿素含量提高了10.24%,抗氧化酶活性提高27.84%~43.40%,叶片自由基含量降低了24.88%~41.56%。此外,NPK+SE处理的菜心氮、磷和钾吸收量分别较NPK处理增加了14.48%、16.41%和35.37%。3) 4个分子量不同的海藻提取物组分中,主要活性成分海藻酸、褐藻多酚、甘露醇在 < 3 kDa组分中的含量高于其他3个分子量组分。对超氧阴离子和羟基自由基的清除能力由大到小依次为< 3 kDa、> 10 kDa、5~10 kDa、3~5 kDa,以 < 3 kDa组分对干旱条件下菜心的促生作用最强。  【结论】  两个试验点的结果都表明,海藻提取物与水溶肥配合冲施可以显著提高菜心的经济产量和品质,干旱条件下的效果更显著。海藻提取物能够提高菜心的叶绿素含量、降低叶片自由基累积、增加氮磷钾的吸收,从而提高菜心抗旱性。< 3 kDa海藻提取物中的活性成分含量最高,因此,分子量 < 3 kDa的海藻提取物的自由基清除能力最强,对菜心的抗旱性提高效果最好。
应用多酚–叶绿素仪监测棉花氮素营养状况研究
殷星, 侯振安, 冶军, 闵伟, 刘凯, 王方斌, 廖欢, 甘浩天, 刘少华, 孙嘉璘
2021, 27(7): 1198-1212. doi: 10.11674/zwyf.20617
摘要:
  【目的】  通过田间试验,研究使用多酚–叶绿素仪对棉花进行快速无损氮素营养诊断适宜的指标。  【方法】  田间试验在新疆石河子市进行,设3个施氮处理,分别为施纯N 0、180和240 kg/hm2,分别用N0、N180和N240表示。所有氮肥分5次随滴灌施入,每次施肥后3天,利用多酚–叶绿素仪 (Dualex-4) 和SPAD叶绿素仪分别测定20株棉花叶片的氮平衡指数 (NBI)、Chl值和SPAD值,同步采样测定棉花叶片全氮含量,及0—20 cm、0—40 cm和0—60 cm土层硝态氮含量。  【结果】  随着施氮量的增加棉花叶片全氮含量和土壤硝态氮含量均显著增加。其中,0—40 cm土层硝态氮含量与棉花叶片全氮含量关系最密切。增加氮肥施用量,棉花叶片氮素营养诊断指标NBI、Chl值和SPAD值均显著增加。棉花叶片NBI、Chl和SPAD与叶片全氮含量均呈极显著正相关关系,且相关系数 (r) 均达到0.8以上。相关性模型校验结果表明,棉花叶片全氮含量实测值与预测值的平均相对误差 (RE) 分别为–4.0% (NBI)、–3.1% (Chl) 和–5.7% (SAPD)。其中,氮平衡指数 (NBI) 模型对棉花叶片全氮含量的预测精度最高,与实测值的相关系数达到了0.9143,平均绝对百分比误差 (MAPE) 为6.91%;标准均方根误差 (nRMSE) 为8.21%。棉花叶片NBI、Chl和SPAD与土壤硝态氮的模型决定系数表现为NBI > Chl > SPAD。模型校验分析表明,NBI模型与0—40 cm土层硝态氮实测含量的相关性最高,相关系数为0.9116,预测值与实测值的MAPE和nRMSE分别为14.11%和17.88%。  【结论】  应用多酚–叶绿素仪监测棉花氮素营养,氮平衡指数 (NBI) 与棉花叶片氮含量和0—40 cm土层硝态氮含量的相关性最高,预测值与实测值的误差仅为6.91%和14.11%,可以满足膜下滴灌条件下棉花氮素营养的快速诊断需求。
葡萄叶片组织结构高光谱响应特征及相关性分析
胡钰炜, 卢艳丽, 杨俐苹, 杨国顺, 刘昆玉, 王磊
2021, 27(7): 1213-1221. doi: 10.11674/zwyf.20571
摘要:
  【目的】  研究不同葡萄品种叶片组织结构特征及其光谱响应差异,揭示葡萄叶片光谱反射率差异的主要影响因素,为提高葡萄叶片营养光谱诊断精度提供参考。  【方法】  在河北廊坊葡萄园,采集夏黑、意大利、红宝石、秋黑4个葡萄品种的叶片,用Fieldspec FR2500光谱仪测定叶片光谱数据,常规化学方法测定叶片含氮量,通过扫描电镜 (SU8010) 冷冻传输技术观察和测量叶片组织结构,进行不同葡萄品种的叶片光谱与叶片组织结构的相关分析。  【结果】  葡萄叶片气孔主要分布在叶片反面,是正反面光谱反射率产生差异的主要原因,在可见光波段范围内,叶片反面光谱反射率皆高于叶片正面光谱反射率,在近红外波段范围,叶片正面光谱反射率普遍高于叶片反面光谱反射率;不同葡萄品种叶片表面气孔数量和分布不同,栅栏组织细胞厚度以及海绵组织厚度存在差异,在叶片含氮量相近条件下,不同品种的光谱反射率曲线有差异,主要是叶片组织结构和形态差异所致;叶片正面光谱的红边参数λred (在660~770 nm波长范围内,当光谱反射率的一阶微分值达最大时所对应的波长) 与不同品种叶片厚度相关性均达到显著或极显著水平,光谱红边参数与其它叶片结构参数也有较强相关性,其中栅栏组织和海绵组织的厚度在不同品种的光谱响应中是不可忽略的因素。  【结论】  明确了叶片正反面表皮细胞形态、叶片内部结构差异及其与光谱特征的相关性,不同葡萄品种叶片厚度变化均可以用红边参数λred来反映,但若考虑品种因素,还可以针对每个品种选择相关性更好的参数,这为后期葡萄叶片营养光谱诊断模型的建立和优化提供了依据:为提高叶片营养光谱诊断模型的精度,在利用光谱技术进行叶片营养诊断时需要考虑叶片结构因素的影响。
模拟凋落物添加与氮磷沉降对红松凋落物生态化学计量特征的影响
郭绮雯, 段文标, 陈立新, 刘玉萍, 李常准, 于颖颖, 李少然, 李亦菲
2021, 27(7): 1222-1233. doi: 10.11674/zwyf.20592
摘要:
  【目的】   探究红松 (Pinus koraiensis) 凋落物和氮 (N) 磷 (P) 沉降量、小气候因子、降水化学成分和地形对各层凋落物生态化学计量的影响,为红松林管理提供科学依据。   【方法】   本研究对阔叶红松混交林 (天然林) 和红松纯林 (人工林) 进行了为期712 天的原位观测试验,模拟氮磷沉降与凋落物添加处理后,测定不同凋落物层次和林型的碳(C)、N、P含量,并对未分解层 (L层)、半分解层 (F层)、粗腐殖质化的枯枝落叶层 (H层) 生态化学计量学进行分析。   【结果】   1) 凋落物添加量的差异导致其生态化学计量在各层凋落物中的含量显著不同。营养物质的周转速度在H层最快,其C∶N、C∶P、N∶P也较L、F层小。2) 组成较复杂的高量凋落物在氮磷添加和凋落物添加处理下会抑制N、P富集,但有利于C的沉积;组成较单一的低量凋落物虽在N、P添加和凋落物添加处理下也会产生C沉积,但N、P的变化特征却与高量凋落物完全相反,表现为促进N富集和P富集。3) 小气候因子和降水化学成分与生态化学计量呈正相关关系,尤其是温度和降水pH。   【结论】   本研究揭示了阔叶红松混交林和红松纯林中凋落物C、N、P生态化学计量特征及其随季节变化的动态趋势,推断阔叶红松混交林和红松纯林凋落物的分解主要受磷素限制,同时磷素可能是红松生长的限制因子。
杉木紫色酸性磷酸酶基因ClPAP18b的克隆及表达分析
周梦岩, 赵铭臻, 李亚超, 裴志阳, 张健, 马祥庆, 李明
2021, 27(7): 1234-1246. doi: 10.11674/zwyf.20631
摘要:
  【目的】  以速生丰产型杉木无性系洋023、洋036、洋6421和拟南芥为材料,研究杉木中紫色酸性磷酸酶 (PAPs) 的功能作用,以筛选具有磷素高效利用特性的杉木无性系。  【方法】  采用PCR技术克隆PAP18b基因,分析其序列特征和同源性,并对杉木无性系洋023、洋036、洋6421进行正常供磷 (1.0 mmol/L KH2PO4) 和低磷胁迫 (0.1 mmol/L KH2PO4,0.9 mmol/L KCl) 砂培盆栽处理0、10、15、30和60天,测定酸性磷酸酶活性及全磷含量,定量分析根和叶中ClPAP18b基因表达量、磷含量及酸性磷酸酶活性的关系,并将ClPAP18b基因过表达至拟南芥,进行该基因的功能验证。  【结果】  成功克隆获得杉木PAP18b基因CDS序列 (1 212 bp),命名为ClPAP18b,该基因编码404个氨基酸,亚细胞定位于胞间区,这表明ClPAP18b基因可能发挥调控酸性磷酸酶分泌至胞外的功能。酸性磷酸酶活性测定结果表明,30天磷处理后,正常供磷和低磷处理下,杉木洋036和洋6421无性系根中的酸性磷酸酶活性均高于叶,而根中酸性磷酸酶活性低磷处理下高于正常供磷处理;洋023的根和叶中酸性磷酸酶活性在低磷胁迫诱导下多高于正常供磷条件下根和叶中酸性磷酸酶活性。磷含量分析结果表明,杉木洋023、洋036和洋6421无性系的地上部磷含量高于地下部,不同水平供磷处理后,不同杉木无性系或同一杉木不同组织磷含量存在差异。RT-qPCR 结果显示,低磷胁迫诱导杉木ClPAP18b基因表达。低磷条件下,ClPAP18b过表达拟南芥植株长势优于对照组,且过表达植株中的酸性磷酸酶活性叶高于对照组,但花青素积累量低于对照组。此外,相比于正常供磷处理植株,过表达ClPAP18b拟南芥中PHT1; 2PHT1; 8AtPAP26等与磷胁迫相关的基因表达量显著高于对照组,而AtPAP12AtPAP17基因表达量明显降低。  【结论】  低磷胁迫诱导杉木ClPAP18b基因表达和酸性磷酸酶活性增强,但不同杉木无性系对磷缺乏的适应性存在明显差异,过表达ClPAP18b基因可促进拟南芥植株耐低磷胁迫,ClPAP18b基因可能在杉木低磷胁迫调节机制中发挥调控作用,可作为改良杉木耐低磷的重要候选基因。
氮素敏感时期水稻分蘖芽的转录分析
黄星瑜, 刘小红, 匡志明, 骆乐, 徐国华
2021, 27(7): 1247-1257. doi: 10.11674/zwyf.20627
摘要:
  【目的】  氮素影响水稻分蘖芽的发育,从而影响水稻株型和产量。探究水稻分蘖芽在氮素敏感时期的基因表达情况,揭示氮素对水稻分蘖芽调控的可能途径。  【方法】  以水稻品种‘日本晴’为试验材料,萌发后用1/2MS培养基培养一周,之后用2.5 mmol/L的氮素溶液培养,待幼苗长至三叶期,进行0和2.5 mmol/L氮素溶液处理,培养至五叶期。对不同氮素浓度下分蘖芽的生长进行分析,确认水稻材料的氮素敏感时期,并于根茎结合处取样,提取RNA,进行氮素敏感时期水稻分蘖芽的转录组分析,包括差异表达基因的挖掘以及GO功能富集分析、KEGG通路分析、蛋白互作网络分析。  【结果】  缺氮条件下,水稻分蘖芽生长受到抑制,转录分析结果显示,不同供氮条件下842个基因存在显著的表达差异,其中586个基因缺氮时上调,256个基因缺氮时下调。GO功能富集分析发现绝大多数差异表达基因属于胞内 (cell)、胞内成分 (cell part) 和细胞器 (organelle) 的类别。在差异表达基因的KEGG通路分析中,植物激素信号传导途径是最显著富集的通路,氮代谢途径次之,说明植物激素通路和氮代谢通路在水稻分蘖芽的生长过程中具有重要作用。差异表达基因主要涉及生长素、细胞分裂素、脱落酸、水杨酸、茉莉酸等相关激素的合成代谢途径以及参与氮代谢的硝酸还原酶。蛋白互作分析推测硝酸还原酶可能会与植物激素相互作用。  【结论】  通过对氮素敏感时期水稻分蘖芽相关基因的转录分析,发现缺氮条件下,激素信号传导途径和氮代谢途径中相关基因的表达量均受到影响。其中,与硝酸还原酶和植物激素脱落酸合成相关的基因表达量上调,而影响分蘖芽生长的细胞分裂素和生长素基因表达均下调。
专题综述
机理Ⅰ植物铁营养的吸收转运及信号调控机制研究进展
张林琳, 刘星星, 祝亚昕, 金崇伟
2021, 27(7): 1258-1272. doi: 10.11674/zwyf.20210
摘要:
铁是植物正常生长发育必需的微量元素之一。在通气良好的碱性或石灰性土壤中,常常因铁有效性低而难以满足植物生长发育所需,缺铁已成为继缺氮和缺磷之后农业生产所面临的又一重要的营养障碍因子。与机理Ⅱ植物相比,机理Ⅰ植物更易缺铁,因此全面了解机理Ⅰ植物的铁吸收及利用机制是分子育种改良此类植物铁营养的重要基础。基于国内外的相关研究进展,从机理Ⅰ植物的根际铁活化、根系铁吸收、木质部和韧皮部中的铁运输以及胞外和胞内铁的再利用等几方面进行综述;在此基础上,从bHLH和MYB转录因子调控网络、蛋白的泛素化修饰以及小分子化学信号调控途径等几方面,重点阐述机理Ⅰ植物铁营养吸收、转运及稳态平衡过程的调控机制;同时,对研究中存在的部分问题及未来研究方向进行简要的讨论分析。
根系对酸胁迫的应激反应及硼调控耐酸机制的研究进展
程锦, 闫磊, 曾钰, 曾紫君, 侯佳玉, 张雅茹, 姜存仓
2021, 27(7): 1273-1281. doi: 10.11674/zwyf.20521
摘要:
过量施用氮肥在提高作物产量的同时加速了土壤酸化进程,近20年间我国农田土壤pH下降了0.42个单位。过多的H+可破坏根系细胞壁结构稳定性,诱导细胞死亡,进而抑制根系伸长,降低其对养分和水分的吸收,限制农产品产量和品质的提高。因此,探究植物对酸胁迫的应激反应机制,对制定缓解酸胁迫措施十分必要。本文综述植株内部调控和耐受酸胁迫的响应,以及硼提高植株耐酸性的机制。通常,植物通过Ca2+和K+通道进行的信号传导可感应介质pH的改变,并同时在基因和蛋白水平进行调控,从而快速响应酸胁迫;近期多项研究表明,硼可调控植物根系有机酸分泌,通过改变细胞壁特性来维持细胞壁结构稳定,并通过刺激乙烯和Ⅲ类过氧化物酶 (CIII Prxs) 代谢等共同作用缓解植物酸胁迫。目前,对植物酸胁迫的研究逐步深入,但酸胁迫下植物根系代谢产物变化及诱导机制尚不清楚,响应低pH的特定基因尚不明确,仍需进一步研究。
研究简报
秸秆还田下寒地水稻实现高产高氮肥利用率的氮肥运筹模式
孔丽丽, 侯云鹏, 尹彩侠, 李前, 张磊, 赵胤凯, 徐新朋
2021, 27(7): 1282-1293. doi: 10.11674/zwyf.20614
摘要:
  【目的】  秸秆还田是东北寒地水稻种植区培肥土壤的重要措施,研究调整水稻基蘖氮肥与穗氮肥比例,为促进寒地水稻氮肥的合理施用提供科学依据。  【方法】  田间试验于2016、2017年在吉林省进行,供试水稻品种为吉粳511。上一季水稻收获后,秸秆9000 kg/hm2粉碎至10 cm左右,翻压还田。在总施氮 (N) 量200 kg/hm2不变的前提下,设置5个基蘖肥与穗肥比例处理5∶5 (N 5∶5)、6∶4 (N 6∶4)、7∶3 (N 7∶3)、8∶2 (N 8∶2) 和9∶1 (N 9∶1),以不施氮肥 (N0) 为对照。在水稻6个生育期调查植株生物量和氮素含量,成熟期测定产量及产量构成因素。计算了氮素积累与转运特征,以及氮素利用效率。  【结果】  与N0处理相比,施氮提高了水稻穗数、穗粒数和结实率,进而显著提高了产量,以N 8∶2处理的水稻产量最高。水稻返青期至拔节期,氮积累量随基蘖氮肥占总施氮量比例的增加而增加,而齐穗期至成熟期阶段则表现为随基蘖氮肥占总施氮量比例的增加先增后减,氮素积累总量以N 8∶2处理最高。施氮显著提高了氮素转运量和齐穗后积累氮素对籽粒氮积累量贡献率,其中氮素转运量随基蘖氮肥占总施氮量比例的增加而增加,而齐穗后积累氮素对籽粒氮积累量贡献率随基蘖氮肥占总施氮量比例的增加先增后降,以N 8∶2处理最高。随基蘖氮肥占总施氮量比例的提高,氮素回收率、农学利用率、偏生产力和生理利用率均呈现先增后减趋势,均以N 8∶2处理最高。相关分析结果表明,水稻齐穗期前后氮素积累量与水稻产量均呈显著或极显著正相关 (r = 0.8943~0.9476),其中水稻齐穗后氮积累量与产量的相关性高于齐穗前。  【结论】  在秸秆还田条件下,基蘖氮肥与穗氮肥比例为8∶2最有利于提高水稻齐穗期至成熟期氮积累量,促进氮素向籽粒的转运,使水稻产量和氮素利用效率协同提高。因此,在本试验条件下,总施氮量200 kg/hm2,基蘖肥与穗肥比例为8∶2的施氮制度是优化水稻氮素积累特性及获得高产的理想运筹模式。
我国苹果园施肥现状、土壤剖面氮磷分布特征及减肥增效技术
刘占军, 祝慧, 张振兴, 赵家锐, 侯立耀, 翟丙年, 徐新朋, 雷秋良, 朱元骏
2021, 27(7): 1294-1304. doi: 10.11674/zwyf.20601
摘要:
  【目的】  全面认知我国苹果园施肥现状,明确苹果园土壤剖面氮磷分布特征,探究减肥增效和地力提升的果园管理技术,为我国苹果产业高质量发展提供理论依据和技术支撑。  【方法】  基于文献资料,制定我国苹果合理化肥施用量;采用实地调查和文献数据相结合的方法,明确和评价我国苹果主产区化肥施用现状;通过田间采样与室内分析,明晰灌区和非灌区苹果园土壤硝态氮和Olsen-P剖面变化特征;基于文献资料,集成苹果园减肥增效、地力提升和优质高产的管理技术。  【结果】  我国苹果园化肥合理施用量为N 150~420 kg/hm2、P2O5 90~330 kg/hm2和K2O 120~420 kg/hm2。目前我国苹果园化肥平均施用量分别为N 905 kg/hm2、P2O5 570 kg/hm2和K2O 675 kg/hm2,氮、磷、钾过量施肥现象普遍且较为严重;施肥结构上,重化肥轻有机肥现象明显,有机肥养分占比仅7.0%。旱作体系下,8年生苹果园土壤与农田相比,0—600 cm土壤剖面硝态氮含量差异不显著,25年生苹果园土壤在20—500 cm土层硝态氮含量显著高于农田,且在120 cm土层出现215 mg/kg的硝态氮峰值;灌区25年生苹果园0—800 cm土壤剖面硝态氮含量均高于100 mg/kg,在380 cm土层出现265 mg/kg的硝态氮峰值,且140—600 cm土层硝态氮含量显著高于旱作25年生苹果园土壤。土壤Olsen-P含量整体表现为0—100 cm土层下降、100—400 cm土层增加和400—600 cm土层基本稳定的趋势;旱作体系下,土壤Olsen-P含量在0—60 cm土层表现为25年生苹果园土壤 > 8年生苹果园土壤 ≈ 农田土壤,而在60—600 cm土层Olsen-P含量差异不显著;灌区25年生苹果园在60—120 cm土层土壤Olsen-P含量高于旱作25年生苹果园,且在80—100 cm土层出现一个14.5 mg/kg的峰值,460—560 cm土层也表现为灌溉果园的Olsen-P含量高于雨养果园的趋势。水肥一体化和推荐施肥是现实苹果园减肥增效的关键技术,有机无机肥配施、果园生草、施用生物炭是提高苹果园肥料利用效率及土壤肥力的重要途径。  【结论】  我国苹果园过量施肥和不平衡施肥问题严重;高量施肥背景下长期苹果种植导致土壤深层剖面硝态氮和有效磷累积,无效化风险高,且灌溉加剧了氮、磷的淋溶风险;水肥一体化和苹果养分专家系统等推荐施肥,以及有机无机肥配施、果园生草、施用生物炭等是实现我国苹果园减肥增效和地力提升的关键技术,在今后苹果园管理方面,应加强不同生态区适宜的综合技术研究。