生物炭对农田土壤氨挥发的影响机制研究进展

降低土壤氨挥发量是农田生态系统中减少土壤氮素损失、提高氮肥利用率的关键途径之一。生物炭具有独特的理化性质,施入土壤后可改变土壤理化性状,影响土壤氮素循环,并对农田土壤中氨挥发产生重要的影响。本文首先介绍了稻田和旱田两种土地利用方式下农田氨挥发过程及其影响因素(气候条件、土壤环境、施肥管理等);其次,重点综述了生物炭对农田生态系统氨挥发影响的研究进展,并从物理吸附机制、气液平衡机制、生物化学过程调节机制等方面探讨了生物炭介入下农田土壤氨挥发的响应机制,认为土壤氨挥发减排的响应主要是基于生物炭表面含氧官能团对土壤NH₄⁺和NH₃的吸附作用及促进土壤硝化作用;而生物炭增加土壤氨挥发排放主要与生物炭提高土壤pH值和透气性、增强土壤有机氮矿化微生物活性有关。最后,对生物炭减少土壤氨挥发、提高氮肥利用率的研究方向进行了展望。     

生物炭配施氮肥对典型黄河故道区土壤理化性质和冬小麦产量的影响

探讨典型黄河故道区生物炭配施氮肥对耕层土壤理化性质和作物产量的影响,阐明生物炭配施氮肥后土壤碳氮含量和理化性质的变化规律,可为合理培肥土壤、提升耕地质量、提高冬小麦产量提供科学依据。本研究以黄河故道典型区域潮土和中性生物炭为供试材料,连续两年进行田间定位试验,开展不同生物炭用量(0、15、30 t·hm^-2)配施氮肥(N 270、330 kg·hm^-2)对土壤理化性质的影响研究。结果表明: 生物炭施入2年后,土壤广义土壤结构指数(GSSI)增大、土壤三相结构距离指数(STPSD)减小,显著改善了土壤三相比,其中在30 t·hm^-2施炭量条件下土壤三相比最接近理想状态;土壤紧实度和容重降低,土壤总孔隙度和毛管孔隙度增加,田间持水量和透水透气性增大,土壤板结状况得到缓解;>0.25 mm粒径团聚体显著增加(增幅70.6%～94.4%),团聚体平均重量直径(MWD)增大(增幅24.0%～48.0%),土壤团聚体结构得到改善。施加生物炭可显著增加土壤有机碳含量(增幅15.8%～67.0%),并可调节土壤C/N,降低氮素释放强度,提高氮肥利用率,显著增加土壤肥力,但未提高土壤pH值,其中10～20 cm土层土壤pH值呈显著下降趋势。在相同施氮条件下,施用生物炭比不施用处理的冬小麦产量2年平均增加9.6%～25.6%,增产效果显著;在相同生物炭施用量下,高氮处理比常规氮处理的冬小麦平均增产2.5%～4.4%,但差异不显著。综上,生物炭配施氮肥能够改善土壤微生态环境,提高土壤肥力,增加作物产量。从改善土壤理化性质、作物增产效果和投入成本等方面综合考虑,推荐在黄河故道区耕作层施入生物炭30 t·hm^-2并配施氮肥330 kg·hm^-2较为适宜。     

川西亚高山人工林碳氮分配格局及其随凋落叶分解的释放规律

对四川西部亚高山地区连香树、糙皮桦、云南松和云杉4种主要人工林生态系统的生物量、土壤及林木器官C、N含量进行了测定.结果表明：林木体内C的分布与器官年龄的关系不明显,而N和C/N的分布与年龄的关系较为密切.幼嫩器官中的N含量大于老化器官,老化器官中的C/N比值大于幼嫩器官,且针叶林地枯落叶中的C/N比值大于阔叶林地.C、N在土壤表层具有明显的富集作用,在整个人工林生态系统(包括林木、枯落物和土壤0～40 cm)中的积累量分别达 176.75～228.05 t·hm^-2和 11.06～16.54 t·hm^-2,在土壤-枯落物分室和林木分室中的分配比例为C （1.9～3.3）∶1,N （15.6～41.5）∶1,且针叶林的“C汇”功能大于阔叶林.阔叶林地的凋落叶分解速率一般大于针叶林地,周转期分别为2.2～3.7 a和3.9～4.2a;在凋落叶分解过程中,C在所有林地均呈超速释出态势,周转期为1.9～3.4 a;N在连香树和糙皮桦林地呈超速释出态势,周转期为1.9～3.2 a,在云南松和云杉林地呈慢速释出态势,周转期为6.7～8.5 a.     

翻压山黧豆绿肥与氮肥减施对水稻生长及其养分吸收与产量的影响

为探明种植翻压山黧豆绿肥与减施氮肥下的水稻生产潜力,通过3年田间定位试验,设置冬闲+不施肥(NF)、山黧豆绿肥(GM)、冬闲+常规氮肥(100%N,CK)、山黧豆绿肥+80%常规氮肥(GM+80%N)、山黧豆绿肥+70%常规氮肥(GM+70%N)、山黧豆绿肥+60%常规氮肥(GM+60%N)6个处理,研究不同处理对水稻生长、养分吸收及产量的影响。结果表明：(1)与CK相比,翻压山黧豆绿肥并减施氮肥处理均能够显著提升水稻株高、增加水稻分蘖数、提高水稻干物质积累量,其中以GM+70%N施肥处理提升效果最为明显。(2)GM+70%N施肥处理下,不同生育时期水稻株高、有效分蘖数分别较对照常规施肥(100%N)提升了13.32%~ 15.73%和33.98%~59.47%,水稻干物质积累量提高了23.19%~144.18%,且随着生育时期的推进增加速率依次降低。(3)种植翻压山黧豆绿肥并减施氮肥处理下水稻产量均有所提高,其中GM+70%N和GM+80%N处理显著提高,增产分别达13.84%,7.25%,且GM+70%N处理下水稻植株和籽粒养分吸收更为全面。研究发现,种植翻压山黧豆并适量减施氮肥能有效促进水稻生长和养分的吸收积累,显著提高水稻产量,说明翻压山黧豆绿肥可替代稻田30%~40%的氮肥施入量,并可在避免水稻旺长的同时实现水稻高产,是四川水稻种植较好的耕作措施。     

不同硝化抑制剂对红壤氮素硝化作用及玉米产量和氮素利用率的影响

本研究分析添加不同种硝化抑制剂及其组合的高效稳定性氯化铵氮肥对红壤硝化作用、玉米产量和氮肥利用率的影响,旨在筛选出适合酸性红壤的高效稳定性氯化铵态氮肥。在氯化铵中分别添加硝化抑制剂2-氯-6-三甲基吡啶(CP)、3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)和双氰胺(DCD)及其组合,制成6种高效稳定性氯化铵态氮肥,以不施氮肥(CK)和施氯化铵(N)为对照,进行等氮量玉米盆栽试验。结果表明: 与N处理相比,CP+DMPP和DMPP+DCD处理红壤中铵态氮含量提高56%～62%,显著高于CP、DMPP和DCD处理;土壤表观硝化率显著降低33%～34%。添加硝化抑制剂及其组合的6个处理均显著提高了玉米生物量和氮肥吸收利用率。与N处理相比,单独添加硝化抑制剂处理生物量均显著高于硝化抑制剂组合处理,平均提高1.3倍;添加DCD处理效果最显著,玉米籽粒产量、吸氮量和氮肥吸收利用率分别显著提高4.1、6.3和4.4倍。为了达到既能低成本又能提高产量和氮肥利用率的效果,在红壤上添加硝化抑制剂DCD是最佳选择。     

农田土壤固碳措施的温室气体泄漏和净减排潜力

农田土壤固碳措施作为京都议定书认可的大气CO2减排途径受到了广泛关注.研究表明,农田土壤固碳措施在主要农业国家和全球都具有很大的固碳潜力.但是,实施农田土壤固碳措施有可能影响农业中化石燃料消耗和其他农业投入的CO2排放和非CO2温室气体排放.这些土壤碳库以外的温室气体排放变化可能抵消部分甚至全部土壤固碳效果,构成了农田土壤固碳措施的温室气体泄漏.因此,将土壤固碳和温室气体泄漏综合计算的净减排潜力成为了判定土壤固碳措施可行性的首要标准.综述总结了目前较受重视的一些农田措施(包括施用化学氮肥、免耕和保护性耕作、灌溉、秸秆还田、施用禽畜粪便以及污灌)的土壤固碳潜力,温室气体泄漏和净减排潜力研究成果.结果表明,温室气体泄漏可抵消以上措施土壤固碳效益的-241%～660%.建议在今后的研究中,应该关注土壤碳饱和、气候变化及土地利用变化对农田固碳措施温室气体泄漏和净减排潜力的评估结果的影响.     

不同氮肥基追比例对高温胁迫下小麦籽粒产量和品质的影响

选用强筋小麦品种济麦20、烟农19、藁麦8901做试验材料,设置不同氮肥基追比例和籽粒灌浆中后期高温胁迫处理,研究了不同氮肥基追比例对高温胁迫条件下小麦籽粒产量和品质的影响.研究结果表明,追氮比例由50%增加到70%,3个品种的千粒重、籽粒产量、粗蛋白含量、湿面筋含量、醇溶蛋白含量、谷蛋白含量、HMW-GS含量、LMW-GS含量、HMW-GS/LMW-GS比值显著提高.济麦20和烟农19的谷蛋白大聚合体含量、谷蛋白大聚合体体积加权平均粒径和表面积加权平均粒径因追氮比例提高而升高, 藁麦8901则无显著变化.济麦20和烟农19的面团形成时间、面团稳定时间因追氮比例提高而延长, 藁麦8901基本不受影响.追氮比例由50%增加到70%,3个品种的籽粒支链淀粉/直链淀粉比值显著降低,淀粉糊化高峰黏度、低谷黏度、稀懈值、最终黏度和反弹值相应降低.总之,提高氮肥追施比例可在一定程度上缓解灌浆期高温胁迫对小麦粒重和蛋白质质量的不利影响,但对淀粉质量产生负面效应,且品种间存在差异.     

大气CO2浓度升高对稻季土壤中麦秸降解及氮素分趋的影响

利用中国唯一的稻麦轮作FACE(free-air carbon dioxide enrichment,开放式空气CO2浓度增高)试验平台,研究大气CO2浓度升高对稻季土壤中小麦秸秆降解速率及其氮素分趋的影响.试验设置Ambient(目前空气对照)和FACE(Ambient+200 μmol·mol-1)两个CO2浓度以及低氮处理(LN,150 kg·hm-2)和高氮处理(HN,250 kg·hm-2)两个氮肥水平,在稻季之初按标记麦秸/土壤重量比0.3%添加15N标记小麦秸秆,根据水稻生长时期依次采样测定秸秆降解速率,并通过分析土壤全氮、植株全氮及其15N丰度来观察已降解秸秆的氮素分趋情况.结果发现,大气CO2浓度升高对高氮处理土壤中小麦秸秆降解速率没有显著影响,但显著促进了低氮处理土壤中小麦秸秆的降解(p < 0.05),使其提高到与高氮处理土壤相当水平;大气CO2浓度升高显著增加了已降解秸秆中氮素的流失,在高氮处理土壤中尤为严重,而对植物吸收已降解秸秆中的氮素没有显著影响.结果表明,大气CO2浓度升高在土壤氮素相对不足时会加速土壤中小麦秸秆的降解,而在土壤氮素相对充足时又会加大降解秸秆中氮素的流失.     

两种供氮水平下水稻生长后期相关性状的QTL定位

以特青为母本与Lemont杂交,然后用特青为轮回亲本回交,建立特青背景下的染色体片段置换系（CSSL）群体。在正常和低氮条件下分别在生长后期对株高（PH）、单株穗数（PN）、叶绿素含量（CC）、地上部干物重（SDW）和单株籽粒产量（YD）等性状进行了QTL分析,共检测到31个QTL。其中在正常供氮水平下控制PH、PN、CC、SDW和YD的QTL数目均为3个;在低氮水平下检测到5、4、5和2个影响PH、PN、CC和SDW的QTL,在低氮水平下没有检测到控制YD的位点。大部分QTL集中在第2、3、7、11和12染色体上,影响不同性状或在两种供氮水平下影响同一性状的QTL在染色体上成串或成簇分布。其中RM30-RM439、RM18-RM478、RM309-RM270、RM235-RM17等区域同时检测到控制两个以上性状的QTL,表现出明显的一因多效现象。推测仅在低氮水平下检测到的QTL可能跟水稻对低氮胁迫耐性有一定的关联。     

不同发育时期追施氮肥对冬小麦旗叶中光合酶活性的影响

小麦开花后,随着旗叶的衰老,旗叶中1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（RuBPC）、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和乙醇酸氧化酶（GO）活性呈下降趋势。随着追施氮肥时期的推迟,光合酶活性呈增加趋势,这意味着氮肥追施时间后移有利于提高小麦光合速率。在旗叶衰老后期,大穗型品种小麦旗叶中光合酶活性略高于多穗型品种小麦。