长期施肥红壤钾素在有机无机复合体中的分布

【目的】土壤中的有机无机复合体是承载土壤养分的重要结构单元,土壤钾素含量的变化反映在不同粒级有机无机复合体中。本研究选用始于1990年(祁阳)和1986年(进贤)的旱地红壤长期定位试验,研究长期不同施肥对土壤交换性钾、非交换性钾、全钾在不同粒级有机无机复合体中分布的影响。【方法】祁阳和进贤试验点均选择不施肥(CK)化学氮、磷肥配施(NP)、NP基础上施用化学钾肥(NPK)及NPK基础上配施有机肥(NPKM)四个处理,采集0-20 cm深度的土壤样品通过Stokes定律计算各粒级复合体沉降速率,采用虹吸管法分离出不同粒级有机无机复合体。采用1.0 mol/L中性醋酸铵浸提土壤交换性钾,1.0 mol/L沸硝酸浸提土壤非交换性钾,氢氧化钠710℃提取土壤全钾钾离子浓度采用火焰光度计测定。【结果】两试验点土壤96.4%~98.9%的交换性钾、87.9%~96.7%的非交换性钾和95.1%~96.7%的全钾存在0~50μm粒级复合体中,尤其2μm粒级复合体是三种形态钾素的主要贮存库76.3%~92.3%的交换性钾、45.8%~73.7%的非交换性钾和49.4%~70.6%的全钾集中在该粒级。两试验点NP处理与CK相比,2μm粒级复合体中非交换性钾含量降低5.4~8.3 mg/kg.降低幅度为8.2%~16.3%。施钾肥主要改变2 m粒级复合体中交换性钾和非交换性钾含量进贤NPK与NP处理相比分别增加36.7和9.5 mg/kg,增加幅度分别为64.5%和15.7%;而NPKM处理则较NP处理分别增加147.4和91.2 mg/kg增幅分别为258.9%和151.1%。祁阳NPK与NP处理相比,2μm粒级复合体中交换性钾和非交换性钾含量分别增加52.9和20.3 mg/kg增加幅度分别为104.9%和47.6%;NPKM与NP处理相比分别增加219.5和41.3 mg/kg增幅分别为435.9%和96.9%。长期施肥对两试验点各粒级复合体中全钾含量的影响不大。2、2~10及10~50μm粒级复合体三种形态钾素含量较高,是供给植物生长的主要钾源,其中2μm粒级复合体中交换性钾、非交换性钾含量与产量之间均存在显著正相关关系(P0.05)。【结论】2μm粒级复合体是土壤钾素的主要贮存库。在长期不施钾肥条件下土壤2μm粒级复合体中交换性钾和非交换性钾含量降低,施钾有利于该粒级复合体中交换性钾和非交换性钾积累。旱地红壤2、2~10及10~50μm粒级复合体钾素含量高且与产量之间存在显著的正相关关系是植物钾素主要供源。     

用二次曲线拟合表征土壤酸中和能力的研究

以我国7个农田长期(15～29年)施肥试验的历史样品为供试土壤,研究了土壤质子化反应的动力学过程、土壤性质(pH值和SOM)和施肥措施对土壤酸中和能力(ANC)的影响.根据土壤酸滴定曲线,采用二次曲线方程拟合,pH=3.5为参考值,图解法求解土壤ANC.结果表明,土壤质子化过程可视作由质子扩散控制的假二级反应动力学过程:在酸添加后的100 h内,土壤ANC与反应时间的对数值近似线性相关;机械振荡和提高温度可加快土壤质子化反应的进程.土壤ANC在指示土壤酸碱程度上较pH灵敏,但对SOM的变化较土壤酸缓冲容量(ABC)不敏感;土壤ANC受长期施肥措施(施无机氮组＜不施氮肥组≈有机无机氮配施组)的显著影响,影响的程度因各试验点而异.对土壤酸中和能力的研究加深了对农田土壤酸缓冲机制的认识.     

两种钢渣源调理剂对水稻生长及氮磷钾吸收量的影响

钢渣富含硅、钙等养分,是优良的土壤调理剂原料,但其肥效和合理施用量在很大程度上取决于钢渣的养分含量和组分,本研究选取白色钢渣调理剂(W)和黄色钢渣调理剂(Y)2种性质不同的钢渣调理剂,通过盆栽试验研究其不同施用量(W调理剂0.74、1.47、2.94、5.88 g·kg~(-1)和11.76 g·kg~(-1);Y调理剂1.47、2.94、5.88、11.76 g·kg~(-1)和23.52 g·kg~(-1))对水稻生长的影响。研究结果表明,与单施NPK相比,添加W调理剂对水稻生长无显著促进作用,而Y调理剂施用量为11.76 g·kg~(-1)和23.52 g·kg~(-1)时可提高晚稻籽粒产量20%,且当Y调理剂施用量为5.88~23.52 g·kg~(-1)时显著提高晚稻秸秆产量24.02%~35.23%。施用Y调理剂促进了晚稻对氮、磷、钾素的吸收,提高幅度分别为12.61%~21.55%、7.63%~38.31%、11.89%~54.13%。综合结果表明,在弱酸性水稻土(pH 6.51)上,添加W钢渣源调理剂未促进水稻生长,而施用Y调理剂对晚稻生长和氮磷钾养分吸收具有一定的促进作用。     

中国稻田土壤有效态中量和微量元素含量分布特征

基于全国282个水稻土监测点,分析土壤有效态中、微量元素含量及区域特征(东北、长三角、长江中游、西南、华南),结合丰缺标准,揭示中、微量元素丰缺程度。结果表明:东北水稻土交换性镁和有效硼含量高于其他地区,有效锌含量最低;长三角有效锰含量最高、有效硫含量最低;长江中游有效铜含量最高,有效态铁、锰和钼含量最低;西南交换性钙含量高于其他地区,有效铜含量则低于其他地区;华南有效态铁、钼含量均高于其他地区,而交换性钙、镁含量低于其他地区。中国水稻土交换性钙、镁及有效铁、锰、铜含量整体丰富;长三角和华南缺硫水稻土比例分别为42.2%和41.8%;东北、长三角、长江中游、西南和华南缺锌水稻土比例分别为75.0%、52.3%、31.9%、53.2%和10.4%,缺硼分别为38.5%、65.2%、92.2%、88.6%和78.3%,缺钼28.6%、60.4%、82.6%、42.0%和33.4%。可见,东北和长三角水稻土以缺锌为主;长江中游以缺硼、钼为主;西南以缺硼为主;华南以缺硼为主。研究可为全国和区域尺度水稻土中微量元素的管理和合理施用提供依据。     

有机肥替代化学氮肥提升红壤抗酸化能力

  【目的】  长期过量施用化学氮肥加剧了红壤区农田土壤酸化,严重制约着该区域农业的可持续发展。施用石灰和有机肥是防治红壤酸化的主要措施,我们研究了有机无机肥配合提高红壤抗酸化能力的作用与机理。  【方法】  本研究基于2009年在湖南祁阳中国农业科学院红壤站开展的有机肥替代化学氮肥长期定位试验,其中4个处理分别为单施化肥(由于酸化严重,于2018年底添加石灰改良)、有机肥替代化肥氮20%、40%和60%,供试有机肥为猪粪。采集2018和2020年的土壤样品,分析各施肥处理红壤pH、交换性酸铝、阳离子交换量、有机质、酸缓冲能力等指标的变化及相互关系。  【结果】  至2018年,单施化肥处理较试验之初土壤pH降低了0.48个单位,交换性酸、铝分别增加了2.74和1.06 cmol/kg;添加石灰改良后,土壤pH升高了0.58个单位,交换性酸、铝分别降低了2.62和1.45 cmol/kg。有机肥替代化肥氮40%和60%处理均可有效防治红壤酸化,其中以替代60%处理效果最佳;至2020年60%有机替代处理土壤pH较初始值提高了0.78个单位,交换性酸和交换性铝分别降低了1.10和1.25 cmol/kg。有机肥替代化肥氮40%和60%处理较单施化肥处理显著提高了土壤阳离子交换量,而石灰改良前后土壤阳离子交换量无显著变化。土壤酸缓冲曲线表明,土壤交换性铝含量随着pH的降低而显著升高,单施化肥、有机肥替代化肥氮20%、40%和60%处理的斜率分别为2.71、2.42、1.93和0.16;土壤交换性铝对pH响应斜率与土壤pH、交换性镁、阳离子交换量、交换性钾、有机质含量呈极显著或显著负相关关系。  【结论】  有机肥替代40%以上化学氮肥既能防治红壤酸化,又能提升红壤抗酸化能力。土壤阳离子交换量和有机质可能是导致土壤交换性铝对pH响应差异的主要因素,即阳离子交换量和有机质含量高的土壤pH降低1个单位时,交换性铝增幅较小,但其作用机理还有待进一步研究。     

湘南丘陵区水田改旱地后土壤磷的有效性及淋失风险

【目的】研究不同母质发育的水稻土改旱地后土壤有效磷变化特征及主要影响因素,为红壤区磷素高效利用提供依据。【方法】采集3种母质(石灰岩、第四纪红色黏土和砂页岩)发育的水稻土及相邻的水田改旱地土壤样品,分析了土壤全磷、有效磷、水溶性磷和无机磷组分(Al-P、Fe-P、Ca-P和O-P)的变化特征,通过主成分分析(PCA)和随机森林分析,探究水田改旱地后土壤磷素有效性变化的主要驱动因子。【结果】水田改为旱地后,石灰岩、砂页岩发育的土壤有效磷含量分别增加了20.48和17.60 mg/kg (P<0.05),但水溶性磷含量均低于磷素环境阈值;土壤磷活化系数分别提高了2.67和2.22个百分点;Al-P含量分别增加了46.07和51.28mg/kg;石灰岩发育的土壤Fe-P含量增加了62.11 mg/kg。相关分析表明,水田改旱地后,Fe-P、Al-P与磷活化系数呈显著或极显著正相关,PCA和随机森林分析结果表明Fe-P、Al-P是土壤磷素有效性变化的主要驱动因子。【结论】湘南红壤丘陵区水田改为旱地后,第四纪红色黏土发育的红壤磷素有效性未发生显著变化,石灰岩和砂页岩发育的土壤磷素有效性由于...     

长期施肥对红壤旱地团聚体特性及不同组分钾素分配的影响

基于祁阳红壤旱地长期施肥定位试验,选取CK(不施肥)、NP(氮磷肥配施)、N P K(氮磷钾肥配施)、N P K M(氮磷钾肥和猪粪配施)和N P K S(氮磷钾肥和秸秆半量还田)处理,于试验26年(2016年)玉米收获后采集不同施肥处理原状土壤(全土),分析土壤团聚体组分中全钾、非交换性钾和交换性钾含量变化,并进一步探讨土壤团聚体组分钾对全土钾的贡献率及其与作物吸钾量的相关关系。结果表明:(1)在所有处理中,NPKM处理下2 mm、1~2 mm和0.5~1 m m的团聚体组分比例最高,但0.0 5 3~0.2 5 m m和0.0 5 3 m m的团聚体组分比例则显著低于其他处理,而NPKS处理下2 mm、1~2 mm和0.5~1 mm的团聚体组分比例则无显著增加。(2)与NPK处理相比,NPKM处理各团聚体组分中非交换性钾和交换性含量分别增加24.37%~49.04%和82.02%~176.3%,且NPKM处理下较大的团聚体组分(0.5 mm)中全钾、交换性钾和非交换性钾对全土全钾、交换性钾和非交换性钾的贡献率显著增加(增幅分别为6.25%~31.97%、5.72%~43.16%和6.33%~41.98%),而在较小粒级团聚体组分(0.25 mm)中则呈下降趋势(降幅分别为14.37%~21.44%、17.04%~33.66%和34.40%~43.84%)。(3)NPKS处理各团聚体组分的非交换性钾和交换性钾含量以及各团聚体组分钾对全土钾的贡献率均与NPK处理无显著差异。(4)线性回归分析表明,当0.25 mm团聚体组分钾对全土钾的贡献率增加1%时,作物吸钾量相应增加9.92~11.89 kg hm-2。长期化肥配施猪粪可显著改善红壤旱地的团聚体组分,进而提高团聚体组分钾对全土钾的贡献能力,促进作物对钾素的吸收。     

长期不同施肥对土壤各粒级组分中氮含量及分配比例的影响

土壤培肥过程中氮素的积累和在各级土壤颗粒中的分配对了解土壤氮素积累机制和氮素的可持续管理具有重要意义。本研究以红壤旱地长期定位试验为基础,采用离心法分离土壤颗粒,通过分析氮素在土壤不同颗粒中的含量,研究长期施肥对土壤中不同粒级土壤氮的分配的影响。结果表明,施肥二十年后,在020 cm土层,施肥处理的全氮含量在1.19~1.98 g/kg 之间,施肥处理全氮含量显著高于不施肥处理（CK）。在2040 cm土层,土壤全氮含量分布在0.59~0.84 g/kg之间,显著低于表层土壤氮含量; 在020 cm土层,与氮磷钾化肥配施处理（NPK）相比,单施或者配施有机肥的土壤与砂粒、 粗粉粒、 细粉粒、 粘粒结合的氮含量分别提高220%、 84%、 46%和26%。而在2040 cm土层,与NPK处理相比,有机肥的施用仅提高了与细粉粒、 粘粒结合的氮含量,降低了与粗粉粒结合的氮含量; 在020 cm土层中,红壤氮素主要分布在粘粒中。2040 cm土层CK、 NPK和氮磷钾配施加秸秆还田处理（NPKS）表现为与粗粉粒结合的氮的分配比例最高,而施用有机肥的处理氮素分布仍以粘粒占比例最高。相关分析表明,土壤表层＜5 m粒级的土壤颗粒中氮含量和作物的经济产量呈显著性正相关。长期施用有机肥可以显著提高表层土壤全氮及与各个颗粒结合氮的含量,不同处理的氮主要保存在粘粒中。而亚表层土壤中,施化肥或者秸秆还田加速了粘粒结合态氮的耗竭,配施有机肥促进了氮在粘粒中的积累,也更有利于土壤全氮的积累,是可持续的氮素管理措施。     

有机肥的碱度及其减缓土壤酸化的机制

采用元素分析法计算了我国主要有机肥种类的平均碱度,并与相关文献进行对比,讨论了有机肥碱度的影响因素及其减缓土壤酸化的机制。结果表明,不同种类的有机肥碱度范围为58.1～372.8 cmol/kg,碳酸钙当量为29.0～186.4 g/kg,其大小顺序为:谷物秸秆 豆科秸秆 绿肥 新鲜粪便 普通堆肥 高温堆肥 厩肥。有机肥的碱度与其钙含量呈极显著正相关（r =0.98, P 0.001,n =32）,与其碳含量呈显著负相关（r =－0.64, P 0.001,n =32）,主要取决于其中有机酸盐的当量浓度。农产品移除和有机肥投入对于农田土壤酸化是互逆的两个过程,长期有机肥投入可弥补农产品移除引起的土壤盐基矿物损失。施用碱度较高的有机肥（如高温堆肥或厩肥）可有效控制农田土壤酸化,并可节约施用成本,提高有机肥的资源利用率。     

土壤有机碳储量与外源碳输入量关系的建立与验证

  【目的】  土壤有机碳是土壤肥力的核心，外源碳的输入量是影响土壤有机碳的主要因素之一。建立外源碳输入量与土壤有机碳储量的内在联系，对深入了解土壤有机碳的形成和土壤肥力的定量提升具有重要意义。  【方法】  利用我国南方红壤典型农田长期 (25年) 和短期 (8年) 定位试验平台，选择25年长期施肥试验中CK (不施肥)、NP (氮磷化肥配施)、NPK (氮磷钾化肥配施)、NPKM₁ (NPK与有机肥配施)；1.5NPKM₁ (1.5倍NPKM₁) 和M₂ (单施有机肥) 6个处理的数据，建立外源碳输入量与土壤有机碳储量的变化量及土壤有机碳储量的关系；选择8年短期施肥试验中T₀ (氮磷钾配施)、T₁ (NPK与15 t/hm2有机肥配施)、T₂ (NPK与30 t/hm2有机肥配施) 和T₃ (NPK与45 t/hm2有机肥配施) 4个处理的数据，对长期试验建立的关系进行验证。  【结果】  与CK相比，长期施用化肥 (NP和NPK) 处理下年均根茬碳输入量显著增加了0.45～0.75 t/hm2；长期单施有机肥 (M₂) 及有机肥配施化肥 (NPKM₁和1.5NPKM₁) 处理下年均根茬碳输入量为1.59～9.36 t/hm2，显著高于CK、NP和NPK处理 (P < 0.05)；而短期化肥 (T₀) 和有机肥配施化肥 (T₁、T₂和T₃) 处理间年均根茬碳输入量没有显著差异。长期NP、NPK、NPKM₁、1.5NPKM₁和M₂处理下，土壤有机碳储量均能达到稳定值 (即有机碳储量不再随试验年限的增加而变化)，分别为24.01、25.16、48.44、48.46和49.83 t/hm2。长期不同施肥处理下土壤有机碳储量的矿化量平均为4.69 t/hm2，维持初始土壤有机碳储量需要累积外源碳输入的量为8.52 t/hm2；通过长期土壤有机碳储量的变化量与外源碳输入量的关系来预测土壤有机碳储量时存在17%的误差，并低估了土壤有机碳储量的增加量；在考虑初始土壤有机碳储量存在差异的情况下，通过土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系来预测土壤有机碳储量时仅存在3%的误差；根据土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系，维持初始有机碳储量 (SOC_a) 所需外源碳的量为54.35 × [34.62/(48.71 ? SOC_a) ? 1]，提升土壤有机碳储量到SOC_b时所需外源碳的量为1881.60 × (SOC_b ? SOC_a) / [(48.71 ? SOC_b) × (48.71 ? SOC_a)]。  【结论】  根据初始土壤肥力状况，通过土壤有机碳储量与外源碳输入量的关系，可以准确量化土壤有机碳提升所需外源碳输入量。