黑土长期施肥及养分循环再利用的作物产量及土壤肥力质量变化Ⅱ、养分在作物体内分配

根据黑土长期肥料试验1985－1995年期间的作物分析资料,研究了施肥和作物生长状况对大豆、玉米、小麦3种作物体内养分浓度、养分在籽实和秸秆中分配比以及形成1000kg籽实产量的收获养分量等参数的影响,结果表明,在本试验的正常施肥条件下,上述参数十分稳定,受施肥和作物生长状况的影响不大,可直接用于这一地区养分收支的估算。     

黑土长期施肥及养分循环再利用的作物产量及土壤肥力质量变化Ⅲ.土壤养分收支

许了1985－1999年试验期间各模拟施肥模型的作物移出养分量和施肥输入养分量,结果表明,施用N肥可加剧土壤P收支赤字,而施用N,P肥则加剧土壤K收支赤字,实验展示了我国在20世纪70年代大面积贫P土壤和80年代大面积缺K土壤出现的原因,保持养分循环再利用可缓解土壤养分收支赤字,但不能满足丰产作物的养分需求,在保持养分循环利用基础上根据土壤肥力适当施用化肥,可满足丰产作物的养分需求和平衡土壤养分收支,不致发生大量过剩N进入环境。     

黑土长期施肥及养分循环再利用的作物产量及土壤肥力质量变化Ⅰ.作物产量

在一丰P黑土(Olsen P25.8mg·kg^-1)上进行13年中长期田间试验的结果表明,氮肥平均增产率为275%,年增产粮食(大豆、玉米、小麦混合)724kg·hm^-2,1kgN增产粮食9.4kg;磷肥前期增产不明显,13年平均增产率为7%,年增产粮食241kg·hm^-2,1kgP增产粮食12.7kg.每年施用循环回田猪圈肥(以处理区收获产品的80%喂猪、垫圈经堆制而成),粮食平均年增产量在不施化肥、施N、施NP基础上,分别为268、258、255kg·hm^-2,相应的增产率为9.8%、7.6%和7.0%.试验期间循环回田猪圈肥的增产效果有逐渐增长趋势,表明存在着猪圈肥残效的叠加效应.     

辽西褐土施肥及养分循环再利用中长期试验Ⅳ.土壤肥力变化

经12年田间试验,各施肥处理耕层土壤的肥力变化表明,在保持农业系统养分循环再利用基础上,施用适量化肥以平衡土壤养分收支,不仅可实现作物高产,减少过剩养分进入环境,并可改善土壤肥力,表现为明显提高了耕层的有机C,N浓度,不过,在本例中欲保持较高的土壤有效P水平,恐需在平均土壤P收支基础上适当增加P肥施用量。     

辽西褐土施肥及养分循环再利用中长期试验Ⅲ.磷和氮在堆腐过程中的循环率及有机肥料中养分利用率

9年的试验结果表明 ,农产品中N、P经堆腐后损失率平均为 30 % .在丰产条件下 ,6 0 %的收获产品直接堆腐回田 ,可循环回田的养分量为N 5 5～ 70kg·hm-2 、P 9～ 11kg·hm-2 ,相当于这一系统中每年化肥N用量的 37%～ 4 7%和P肥用量的 36 %～ 4 4 % .有机肥料中N和P的表观利用率随施肥年限延长而有增长趋势 ,表明有残效叠加效应存在 .有机肥料中N和P的当季表观利用率 8年平均分别为 2 3%～5 0 %和 37%～ 6 5 % .通过此项研究可以证明 ,农业生态系统养分的循环再利用是保持土壤肥力 ,提高养分利用效率 ,减少化学肥料消费的重要措施 .     

黑土长期施肥及养分循环再利用的作物产量及土壤肥力变化Ⅳ.有机碳组分的变化

应用长期定位试验研究了中国东北黑土长期施肥及养分再循环的土壤有机碳组分的变化.20年间变化趋势如下：不施肥处理黑土总有机碳(TOC)含量下降了7.83%;施用化肥N和NP处理,黑土TOC含量分别下降了4.56%和1.61%,NPK处理上升了0.33%.单一的循环处理下降了5.56%;N+循环、NP+循环和NPK+循环分别提高了0.35%、1.05%和0.64%.证明了无肥、单纯的氮、磷化肥和原始的有机农业循环方式不能保持黑土TOC,呈下降趋势;合理施用化肥和化肥加有机肥模式能保持黑土TOC稳定或略有增加.黑土易氧化有机碳含量(ROC)表现为施肥高于无肥,其增加幅度为8.64%～28.4%,循环加化肥处理ROC均高于对应的化肥处理,与秸秆产量关系Y=19032 X-7950.6 (R²=0.759),与TOC关系Y=14.192 X+23.9 (R²=0.802).轻组有机碳(LF-C)变化与ROC趋势相同.黑土非活性有机碳库胡敏酸和富里酸无论在何种施肥方式下均呈下降趋势或在一定范围内上下波动,与试验前土壤相比,胡敏酸下降幅度在1.64%～26.23%之间;富里酸下降幅度在2.33%～28.68%之间,化肥配施循环猪圈肥能够减缓二者的下降速度甚至能够稍有增加.     

农业生态系统养分循环再利用作物产量增益的地理分异

通过４个地点中长期田间试验联网比较获得以下结果,农业生态系统养分循环再利用的作物产量增益受气候的热量因素、化肥施用和养分循环再利用持续时间的长短等因素影响．在不施化肥情况下,保持０．８循环率养分循环再利用的平均粮食增产量自北向南分别是：温带黑龙江海伦２５３ｋｇ·ｈｍ－２（１０年平均）、暖温带辽宁沈阳１１２２ｋｇ·ｈｍ－２（６年）和喀左１３３２ｋｇ·ｈｍ－２（８年）、亚热带湖南桃源２８８４ｋｇ·ｈｍ－２（７年）;在施用ＮＰ化肥基础上保持养分循环再利用则分别为海伦２２５、沈阳６９４、喀左７８６、桃源１３２１ｋｇ·ｈｍ－２．循环回田的农家肥养分对作物增产有着明显的残效叠加作用,在施用ＮＰＫ化肥基础上保持养分循环再利用的作物增产率在试验期间的前３年平均为５％,后３年平均可上升至１４％．     

农业生态系统养分循环再利用的作物产量增益

在辽西褐土上进行8年的田间试验结果表明,在不同化肥基础上,每年以60％的收获产品堆腐后循环回田,平均分别可获得29．6％（不施化肥）、15．2％（N肥）、11．1％（NP肥）和9．2％（NPK肥）的增产率,或分别每年增产粮食1.33、0．99、0．79、0．64t·hm－2．养分循环再利用的作物增产效益在试验的8年中有着逐年增长趋势,表明以堆肥形式循环回田养分对作物的增产作用存在着明显的残效叠加效应,因此,只有通过长期田间试验方能准确评估农业系统中养分循环再利用的作物产量增益．     

长期施肥对农田黑土微生物群落功能多样性的影响

为了研究长期不同施肥对农田黑土微生物群落功能多样性的影响,采用Biolog ECO微平板培养法,对已经连续施肥35年的农业部哈尔滨黑土生态环境重点野外科学观测试验站4种处理(CK、NPK、M、MNPK)的两个土层(0～20、20～40 cm)微生物群落功能多样性进行研究.结果表明: 在0～20 cm土层,有机无机肥(MNPK)配施能够显著提高土壤微生物对碳源的利用能力以及群落代谢功能的丰富度、多样性和优势度,而在20～40 cm土层则低于单施化肥(NPK)处理,两个土层单施化肥均降低土壤微生物群落代谢均匀度.不同施肥处理土壤微生物对6种碳源的利用率在0～20和20～40 cm两个土层间存在差异,而在每个土层的处理间差异显著(P<0.05),但各处理间的变化规律在两个土层中不一致.典范对应分析(CCA)结果表明,各处理土壤微生物群落代谢功能在0～20和20～40 cm土层间存在差异,且在两个土层的处理间也存在差异,而土壤养分含量对各处理土壤微生物群落代谢功能的影响规律在两个土层中较为相似.长期不同施肥会对耕层及以下土壤微生物群落功能多样性产生影响,在20～40 cm土层中单施化肥对微生物群落功能多样性的影响较大.     

下辽河平原农业生态系统不同施肥制度的土壤养分收支

本试验是在潮棕壤上进行了10年的定位试验,研究了在养分循环再利用的基础上采取不同施肥制度下作物养分移出量,并结合施肥量计算出土壤中N,P,K养分收支。结果表明,在保持农业系统养分循环再利用的基础上,根据养分供给力设计化肥施用量,不仅可实现作物主产,而且可平衡土壤养分收支,避免土壤中肥料养分过剩（主要是N）进入环境,并揭示了我国我国在20世纪70年代以前大面积农田土壤缺P和80年代农田土壤大面积缺K的原因。     

长期施肥条件下黑土有机碳、氮组分的分配与富集特征

研究不同管理措施下黑土有机碳、氮组分的变化特征是深刻认识和理解黑土固碳的基础.本文以黑龙江省农业科学院31年的长期定位试验为基础,采用物理分组法对土壤不同粒径颗粒进行分离,分析6种不同施肥处理31年后,黑土表层(0～20 cm)及亚表层(20～40 cm)土壤有机碳、氮在粗砂粒、细砂粒、粉粒及黏粒中的分配与富集特征.结果表明： 长期施用有机肥可显著提高土壤有机碳、全氮在粗砂粒和黏粒中的分配比例.在表层土壤,有机无机配施（NPKM）处理下粗砂粒有机碳和全氮的分配比例比对照分别提高191.3%和179.3%,单施有机肥（M）处理下黏粒组分的有机碳和全氮的分配比例分别提高45%和47%.亚表层土壤施用有机肥处理各粒级有机碳、氮含量的提高比例低于表层土壤.在表层和亚表层的粉粒组分中,贮存的有机碳占总储量的42%～63%和48%～54%,全氮占总储量的34%～59%和41%～47%.表层土壤施用有机肥可显著增加粗砂粒中有机碳、氮的富集系数,其中有机肥配施化肥（NPKM）处理富集系数最高（2.30和1.88）,而黏粒组分的有机碳、氮富集系数对长期施肥无响应.
     

长期施肥对东北黑土酶活性的影响

在中国科学院海伦农业生态实验站长期定位试验基础上,研究了长期施用化肥和有机肥对黑土0～20cm和20～40cm土层土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶和转化酶活性及土壤全碳和全氮的影响.结果表明：长期施用化肥和有机肥均不同程度地提高了0～20cm和20～40cm土层土壤磷酸酶、脲酶和转化酶活性,特别是化肥和有机肥配合施用显著增加了该3种土壤酶的活性,增幅分别为43.6%～113.2%、25.9%～79.5%、14.7%～134.4%（0～20cm）和56.1%～127.2%、14.5%～113.8%、16.2%～207.2%（20～40cm）,长期施用化肥对土壤过氧化氢酶活性影响不大.随着土层深度的增加,土壤磷酸酶、脲酶和转化酶活性均有所降低;长期施用氮肥对土壤脲酶、施用磷肥对土壤磷酸酶有明显的促进作用;长期施肥对土壤全C、全N含量及C/N也有明显影响.     

不同施肥黑土微生物量氮变化特征及相关因素

研究长期施用两种不同量有机肥(M2、M4)和化肥(NPK)的黑土微生物量N在作物生长季的变化特征．结果表明,施用有机肥黑土微生物量N显著高于施用化肥(NPK)和不施肥(CK),微生物量N季节波动小．微生物量N为M4 25．52～239．12mg·kg^-1,M2 10．40～94．31mg·kg^-1．NPK6．27～87．04mg·kg^-1,CK9．15～69．81mg·kg^-1,同一处理最大值与最小值相差7～14倍．M2、NPK处理微生物量N最大值出现在抽雄吐丝期,M4处理最大值出现在拔节期,CK处理最大值出现在播种期;不同处理微生物量N的差异并未因季节变化及玉米生育时期影响而明显改变．微生物量N的动态变化与极少数黑土生物、理化特性指标动态变化显著相关;微生物量N与黑土生物、理化特性,植物氮、磷、钾有极显著的正相关关系,与土壤含水量、籽粒粗蛋白含量呈显著正相关关系．     

农业系统中磷肥残效及磷循环研究Ⅱ.磷及其他养分在作物体内分配

土壤P供应状况及作物生长好坏可明显影响高粱、玉米、大豆籽实及秸秆中的P浓度、P在籽实及秸秆中的分配比和形成单位籽实产量的P收获量。P供应充分,作物生长良好(产量高),籽实中的P浓度高,籽实P/秸秆P的分配比大,每形成单位籽实消费的P量高。     

杨树主要营养元素内循环及外循环研究Ⅱ.落叶前后养分在植株体内外的迁移和循环

杨树落叶时N、P的迁移主要发生在叶和干枝根之间,落叶时叶中2/3的N和1/2的P可迁移至干枝根的皮层和木材之中。皮层和木材中的K在落叶时可能部分向体外排出,叶中的K贮量则几乎保持不变。落叶前后杨树体内N的总循环率可高达62—67％,且以内循环为主;P的总循环率为31—36％,内外循环各占一半,K、Ca、Mg、Si的总循环率均为50％左右,几乎全部为外循环。     

辽西褐土施肥及养分循环再利用中长期试验Ⅴ.不同降水年景作物产量对施肥的反应和水肥交互作用

通过比较平水年 ( 1996年 ,作物生长期降水 4 5 6mm)和丰水年 ( 1998年 ,作物生长期降水 5 98mm)作物对施肥的增产反应 ,初步估算了辽西半湿润 半干旱地区水肥交互作用对作物增产的贡献 .结果表明 ,施氮肥并增加水分供给 (降水增加 ) ,作物增产 (玉米、大豆 ) 30 5 6kg·hm-2 ,其中 1996kg·hm-2 来自水肥交互作用 ,占 6 5 .3% .施NP和堆肥并增加水分供给 ,作物增产 4 70 3kg·hm-2 ,其中 15 5 4kg·hm-2 来自水肥交互作用 ,占 33% .     

长期不同施肥处理对苹果产量、品质及土壤肥力的影响

通过连续7年(2003-2010年)的田间定位试验,研究了不同施肥处理\[不施肥对照,CK;不施N肥只施PK肥,PK;不施P肥只施NK肥,NK;不施K肥只施NP肥,NP;单施NPK化肥,NPK;单施有机肥(猪粪),M;化肥有机肥配施(化肥有机肥氮各占一半),NPKM\]对渭北旱塬富士苹果产量、品质及果园土壤养分含量变化的影响.结果表明: 施肥可以提高苹果产量,连续7年不同施肥处理苹果平均产量较对照提高14.4%～63.8%,各处理苹果年平均产量顺序为:NPKM＞NPK≥M＞NP≥NK＞PK＞CK.NPKM、M、NPK处理随着试验时间的推移,果实可溶性糖、维生素C、可溶性固形物含量呈上升趋势,NPKM、M处理不同年际间波动相对较小;NPKM处理糖酸比5年较对照提高了30.9%,维生素C含量提高了17.5%.长期合理施肥有利于提高土壤有机质,NPKM、M处理0～20 cm土层有机质含量提高幅度最大,分别提高了28.8%和29.3%. NPK、NPKM、M处理土壤各层速效氮、有效磷、速效钾含量较试验前均有显著提高,NPK处理0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层速效氮含量分别提高了22.7%、37.3%和53.4%.与NPK处理相比,NPKM处理的土壤速效磷含量提高了18.7%,且不同处理土壤速效磷含量上层显著大于下层.
     

基于Illumina MiSeq测序平台分析长期不同施肥处理对黑土真菌群落的影响

【目的】不合理施肥所引发的土壤环境问题逐渐成为制约我国农业可持续发展的重要因素之一,土壤真菌作为一类重要的土壤微生物,研究长期施肥对土壤真菌多样性及群落分布格局,探讨其理化因子对真菌群落结构的影响具有一定意义。【方法】本研究以东北黑土玉米田长期定位施肥试验(1984–2017)为基础,通过常规分析和Illumina Mi Seq高通量测序技术,分析长期施肥对黑土玉米田土壤养分含量和真菌群落结构变化的影响。【结果】长期施用氮肥明显降低土壤p H,却增加了玉米产量,秸秆与化肥配施可以增加土壤有机质和全氮的含量。稀释曲线结果表明长期施肥降低了土壤真菌序列的丰度和均匀度,并且在秸秆与化肥配施中序列数最低;在优势菌群中,共检测出5个已知真菌门,分别是子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、接合菌门(Zygomycota)、球囊菌门(Glomeromycota)和壶菌门(Chytridiomycota),子囊菌门占总序列平均值的57.0%,并且在氮磷钾配施高量秸秆有机肥(NPK+S0.5)的土壤中,子囊菌门丰度高达70.35%。在土壤真菌属水平的物种丰度分析中,共检测出109个已知真菌属,Humicola、Fusarium、Verticillium、Mortierella这4个菌属为优势菌属;Chaetomium、Trichocladium、Podospora、Preussia 4个菌属在秸秆与化肥配施处理中丰度较高,并同属一个分支聚类。从多样性指数分析得出,秸秆与化肥配施可以增加物种丰度和群落多样性;从热图分析可知,施用氮肥和不施用氮肥处理间真菌群落组成存在明显差异。RDA分析中,土壤理化性质影响着土壤真菌群落结构,尤其是土壤的p H、全量氮磷钾(T-N、T-P、T-K)、有效磷钾(A-P、A-K)和铵态氮(NH4+-N)浓度是重要环境因素。【结论】因此,施用氮肥虽然增加了产量,但也造成土壤酸化,真菌数量增加,其丰富度和多样性明显降低。而秸秆与化肥配施可以维持土壤健康生态环境和真菌群落多样性。     

长期施肥对黑土团聚体分布和碳储量变化的影响

用干筛与湿筛2种方法测定了22年长期田间定位试验地土壤风干及水稳性团聚体含量,研究了施肥对黑土团聚体组成、有机碳含量及有机碳库储量的影响。试验设不施肥（CK）、无机肥（NP、NPK）和无机-有机肥配施（NPK+OM）4个处理。结果表明,黑土团聚体以0.25～1 mm团聚体为主。经过湿筛法土壤各粒级水稳性团聚体含量重新分配,表现为以0.25～1 mm粒级为中心,大团聚体含量减少,微团聚体含量增加。与长期不施肥比较,长期施用化肥及有机-无机肥配施显著增加了>2 mm大团聚体含量和0.05～0.25 mm微团聚体含量,各级团聚体有机碳含量显著增加,总有机碳及各级团聚体储量增加,有机质积累,土壤结构得到改善,固碳潜力增加,有机-无机配施效果更加明显。     

长期不同施肥下水稻产量及土壤有机质和氮素养分的变化特征

利用开始于1982年的湖南祁阳官山坪水稻长期(1982-2010年)定位试验,研究不同施肥条件下水稻产量及土壤有机质、氮素养分的动态变化特征,试验设置NPK、NPKM(M为牛粪)、 NPM、NKM、PKM、M和CK等7个处理.28年长期不同施肥处理结果表明：肥料的施用均能提高土壤有机质、全氮、碱解氮含量和水稻产量.氮、磷、钾化肥+有机肥(NPKM)处理的水稻产量一直保持最高水平,氮、磷、钾化肥(NPK)处理随着试验年限的延长呈下降趋势,其水稻产量逐渐低于其他施肥处理.单施有机肥或有机无机肥配施各处理土壤有机质含量在试验开始后的前16年有一个快速增加的过程,之后略有下降,然后仍保持增长趋势;NPK化肥处理土壤有机质含量仅在试验开始后的前8年增加较快,之后在一个相对稳定的范围内波动.各施肥处理在试验开始后的前8年内土壤全氮含量均呈快速积累趋势,以NPKM处理增幅最大.各施肥处理土壤碱解氮含量在试验开始后的前12年增加较慢,平均每年增加0.66～2.25 mg·kg^-1,1994-1998年增加较快,平均每年增加6.45～32.45 mg·kg^-1;1998年之后,各施肥处理土壤碱解氮含量均略有下降,其中,有机无机肥配施处理增加较快,单施化肥处理增加较慢.表明有机肥的施用是红壤性水稻土有机质和氮素营养水平稳定提升的关键措施,是红壤稻田土壤可持续利用的重要保障.