为了探讨施氮和冬种绿肥下稻田重金属含量的响应机制, 通过设计紫云英翻压量和施氮量 4×4 双因素试验,研究施氮和冬种绿肥对稻田土壤重金属含量的影响, 探讨土壤重金属含量与土壤养分、土壤生物学性状之间的相关性,对稻田环境质量状况进行综合评价研究.结果表明: (1)对照处理、单施氮肥区组、处理M3N3(紫云英翻压100%+施氮100%)和M1N0(紫云英翻压30%+不施氮)的土壤Cd含量高于国家土壤环境质量标准(0.25 mg·kg-1), 其中处理M0N2(紫云英不翻压+施氮60%)达到最大值, 是背景值的2.53倍, 处理M1N3(紫云英翻压30%+施氮100%)含量最低.各处理的土壤Hg含量均高于国家土壤环境质量标准(0.20 mg·kg-1), 处理M0N1(紫云英不翻压+施氮30%)达到最大, 是背景值的6.49 倍, 处理 M2N3(紫云英翻压 60%+施氮 100%)最低.(2)通过分析土壤养分、微生物数量、酶活性与重金属含量的相关性, 表明土壤 Pb 与过氧化氢酶、脲酶、转化酶均呈正相关, 且与脲酶呈极显著相关.Cr 与过氧化氢酶、脲酶、转化酶之间的相关性也呈正相关, 但相关性不显著.但 Cd、As、Hg 与过氧化氢酶、脲酶、转化酶呈负相关, 相关性表现不显著.因此, 施氮和冬种绿肥有利于缓解土壤重金属污染, 但要注意选择绿肥翻压量和施氮量, 其中紫云英翻压30%+施氮100%和紫云英翻压60%+施氮100%表现较好.

研究华北冬绿肥二月兰对不同供氮水平的响应特征,确定实现绿肥高产高效的土壤适宜供氮量,可为华北集约化农田最大化发挥绿肥生态效应和优化春玉米/冬绿肥轮作体系氮素管理提供理论依据和技术参考.选取多年不施肥试验地设置供氮梯度试验,研究了不同供氮水平对冬绿肥二月兰翻压前地上部生物量累积、氮素吸收、土壤无机氮残留和冬绿肥季土壤氮素平衡的影响.结果表明:在土壤无机氮含量较低(0～90 cm土层15 kg·hm-2)条件下,施氮显著提高二月兰生物量和吸氮量.其中,施氮90 kg·hm-2处理表现最高,绿肥生物量(干质量)和吸氮量分别为2031.0和42.0 kg·hm-2;土壤无机氮残留量随施氮量增加而增加,且在施氮量高于60 kg·hm-2后呈现快速增加趋势;随施氮量增加二月兰生长季的表观氮平衡表现出由亏缺到盈余的变化特征,在施氮量为60～90 kg hm-2条件下氮收支基本平衡.土壤供氮量(绿肥播前O～90 cm土壤无机氮含量与施氮量之和)与二月兰生物量、吸氮量和绿肥翻压前土壤无机氮含量的关系可以分别用二次、线性加平台和指数方程进行模拟,依据模型计算二月兰生物量最高值(2010 kg· hm-2)时的播前土壤供氮量和绿肥翻压前土壤无机氮残留量分别是136和78 kg·hm-2;而在二月兰吸氮量最高值40 kg·hm-2时,二月兰生物量为1919 kg· hm-2,相当于最高生物量的95％,绿肥翻压前土壤残留无机氮降低至57 kg· hm-2,与之对应的播前土壤供氮量为105 kg·hm-2,该值与目前华北地区优化施氮下玉米收获后土壤残留无机氮推荐含量(100 kg·hm-2)基本相当.综合考虑绿肥的农学和环境效应,春玉米/冬绿肥轮作体系中二月兰播前土壤供氮量应控制在100～ 105 kg·hm-2.

揭示长期不同施肥制度对稻田土壤微生物的影响,为农田优化施肥和耕作制度提供理论依据.采用Illumina MiSeq高通量测序平台和荧光定量PCR技术,研究湖南省双季稻区连续8年不施肥(CK)以及冬种紫云英不还田条件下3种氮肥水平(N0、N100、N200)对紫云英盛花期土壤微生物群落数量和结构的影响.结果表明,与CK相比,冬种紫云英不还田配施氮肥显著降低土壤pH、硝态氮及土壤碳氮比(C/N),显著提高稻田土壤全氮、有机质和铵态氮含量.稻田土壤微生物数量在1.66× 108～1.23× 1010拷贝数·g-1干土,施肥均增加16S rDNA基因丰度,N0、N100、N200三种施肥水平处理的16S rDNA基因拷贝数分别是CK的1.0、74.4、32.6倍.3种氮肥水平处理的多样性指数(香农指数与辛普森指数)以及物种丰富度指数(Ace与Chao1)均高于CK,其中多样性指数最高的是N200,物种丰富度最高的是N100.不同样品16S rDNA的门水平分类的3个主要类群是变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae),分别占总OTU比例的33％～44.4％、17％ ～22.3％和9％ ～ 10％;N0、N100和N200土壤样品中变形菌门(Proteobacteria)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)的相对丰度均低于CK,而N0、N100和N200土壤样品中绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度分别是CK的1.2、1.3和1.2倍.相关性分析表明,细菌16SrDNA基因拷贝数与土壤有机质、土壤总氮和铵态氮含量显著相关;土壤细菌菌群与多数土壤化学指标间存在密切的相关性.综上,冬种紫云英不还田施氮肥显著增加水稻产量和紫云英盛花期土壤微生物数量,改变土壤微生物菌群结构,改善了土壤化学性质,对湖南双季稻区科学合理种植绿肥具有指导意义.

紫云英是南方稻田重要的绿肥作物,研究紫云英还田配施氮肥对土壤有机碳及其活性的影响,有助于优化稻田施肥管理和培肥土壤,为南方稻田农业可持续发展提供理论依据.本研究采用紫云英-水稻周年轮作田间试验,设置冬闲+不施氮(CK)、单种紫云英返田、紫云英+减量施氮、紫云英+常规施氮、紫云英+高量施氮等5个处理,分析紫云英还田配施不等量氮肥对土壤有机碳、土壤微生物量碳、土壤活性有机碳、碳库管理指数等指标的影响.结果表明:与冬闲+不施氮相比,单种紫云英处理的土壤总有机碳含量增加了14％,活性有机碳含量22％;紫云英还田各处理下土壤微生物量碳平均增加了70％,土壤微生物熵平均增幅为58％,土壤碳库管理指数平均增幅为8％;紫云英配施氮肥各处理下土壤总有机碳平均增加了8％,活性有机碳含量平均增加了15％,土壤微生物熵平均增幅为72％.综上所述,与冬闲+不施氮处理相比,单种紫云英能够显著增加土壤总有机碳和活性有机碳含量;紫云英还田后配施氮肥可以显著增加土壤微生物量碳,提高微生物熵值和土壤碳库管理指数,以紫云英还田条件下减施氮和常规施氮两个处理的提升效果较好.

通过田间试验,研究地膜覆盖、秸秆还田和种植绿肥对冬小麦籽粒产量和土壤肥力的影响.结果表明:与传统模式相比,地膜覆盖并不总能提高旱地小麦产量,3年平均产量无显著变化,但降低20～40 cm土壤全氮、有效磷、速效钾、有效硫、有效锌和有效锰含量,对土壤有机质、硝态氮、有效铁和有效铜含量无显著影响.秸秆还田的小麦产量3年平均降低12.1％,收获期0～20 cm土层金氮提高5.8％,20～40 cm土层有效铜含量提高6.2％,而有效磷和有效锰分别降低36.1％和10.2％,对开花期和收获期土壤有机质、硝态氮、速效钾、有效硫、有效锌和有效铁无显著影响.种植绿肥的籽粒产量降低12.1％,同时土壤pH、有效磷和有效硫含量降低,有机质、全氮、硝态氮、有效锌和有效锰均增加,对土壤速效钾、有效铁和有效铜均无显著影响.综上,在旱地土壤肥力较低的条件下,地膜覆盖和秸秆还田不利于土壤肥力的提升,使小麦增产受到限制;种植绿肥培肥效果最好,但应考虑区域降水情况,注意其带来的减产问题.

我国西南旱地紫色土区水土流失严重、土层浅薄、土壤有机质下降、保水保土能力差,已成为农业可持续发展的主要限制因素.通过引入冬季绿肥紫云英,研究秸秆覆盖条件下紫云英间作油菜的土壤团聚体及有机碳特征,为该地区改善农田土壤团聚体结构和提高有机碳含量提供可借鉴的途径.结果表明:间作紫云英增加了油菜根际土壤微团聚体含量,促使其团聚体平均质量直径降低.油菜根际土壤大团聚体含量的变化主要是由10～5 mm和5～2 mm团聚体含量的变化引起,而微团聚体含量的变化主要是由0.25～ 0.053 mm团聚体含量的变化引起.间作紫云英和秸秆覆盖显著提高了后茬作物玉米季土壤有机碳含量,主要是因为影响了10～ 20 cm和20～30 cm土层总有机碳的含量.间作紫云英和秸秆覆盖虽然对油菜季总有机碳含量的增加不明显,但对0～10 cm、10～20 cm和20～ 30 cm土层总有机碳含量的影响却随着油菜生育期的进行逐渐增加,在蕾薹期、开花期和收获期表现出较大差异.可见,间作紫云英改变了油菜根际土壤团聚体特征,秸秆覆盖条件下紫云英间作油菜可提高农田土壤有机碳含量.

通过田间试验,研究地膜覆盖、秸秆还田和种植绿肥对冬小麦籽粒产量和籽粒养分含量的影响.结果表明:与传统模式相比,地膜覆盖并不总能提高旱地小麦产量,3年平均产量无显著变化,但籽粒磷吸收量却增加8.4％,磷含量平均提高13.0％;籽粒氮、硫和铁吸收量分别降低12.6％、15.0％和11.1％,含量分别降低12.1％、12.9％和10.1％,锌含量无显著变化.秸秆还田使小麦籽粒产量下降12.1％,籽粒氮、硫和铁吸收量分别降低22.5％、21.0％和19.8％,含量分别降低10.1％、9.4％和3.8％;磷吸收量降低9.8％,含量却增加5.0％,锌含量亦无显著变化.种植绿肥的小麦籽粒产量降低12.1％,籽粒氮和锌吸收量无显著变化,含量分别增加12.1％和12.6％,对磷、硫和铁含量无显著影响.可见,旱地条件下,不同栽培模式引起的籽粒产量增减与其养分吸收量变化不一致是养分含量变化的主要原因.在旱地小麦生产中,需注意地膜覆盖和秸秆还田的减产风险及对籽粒养分的不利影响,适当调控氮肥用量,保证小麦产量形成的养分需求,协调氮、硫、铁养分的吸收利用.种植绿肥能培肥土壤,提高籽粒氮和锌含量,但也应注意其减产问题.

为了筛选具有可持续性、适合南方稻田的水旱复种轮作种植模式,以"冬闲-早稻-晚稻"模式连作为对照处理A,设计了4 种稻田水旱复种轮作模式( 马铃薯-玉米‖大豆-晚稻→蔬菜-花生‖玉米-晚稻→绿肥-早稻-晚稻( B),蔬菜-花生‖玉米-晚稻→紫云英-早稻-晚稻→油菜-花生-晚稻( C),绿肥-早稻-晚稻→油菜-花生-晚稻→马铃薯-玉米‖大豆-晚稻 ( D),油菜-花生-晚稻→马铃薯-玉米‖大豆-晚稻→蔬菜-花生‖玉米-晚稻( E) ).通过 2014—2016 年连续3 年的田间定位试验,分析了不同种植模式下的作物产量,主要是晚稻产量,以及土壤养分变化情况.结果表明: 水旱复种轮作模式更具有产量优势,晚稻产量均高于冬闲连作模式; 与冬闲连作对照相比,其他模式的土壤有机质含量、速效养分含量均有所提高,同时更加有利于固定有机碳; 稻田水旱复种轮作模式是一种增产、改善土壤肥力的种植模式; 处理C 和处理E 表现较好.

为探讨外源有机物料在提升土壤有机碳和改良土壤肥力中的作用机理,依托中国农业科学院衡阳红壤实验站的长期定位试验,研究了冬种绿肥和秸秆还田模式(CK,冬闲;MV,冬种紫云英;S,早稻秸秆全量还田;DS,早、晚稻秸秆全量还田;SMV,冬种紫云英+早稻秸秆全量还田;DSMV,冬种紫云英+早、晚稻秸秆全量还田)对土壤团聚体和有机质官能团的影响.结果表明:双季稻土壤超大团聚体(＞2 mm)和大团聚体(0.25～2 mm)含量最多,为72.1％～81.8％,且两者中有机碳含量高达12.1～20.7 g·kg-1,占总有机碳的22.7％～59.0％.水稻土中有机物官能团以多糖为主,其次为脂肪碳和芳香碳,各官能团的丰度受紫云英种植和秸秆还田的影响.与其他处理相比,DSMV显著增加了水稻土中超大团聚体(＞2 mm)和大团聚体(0.25～2 mm)的含量,并促进了两种团聚体内芳香碳等惰性碳的积累.因此,DSMV更有利于土壤团聚体和有机质稳定性的提升,在实际农业生产中具有较大的应用潜力.

[目的]从真菌群落角度揭示麦后复种饲料油菜作绿肥对土壤的培肥效果.[方法]以常规冬小麦-夏玉米一年两作为对照(CK),采用Illumina Miseq高通量测序技术,探讨麦后复种饲料油菜不同播量(S:小播量;M:中播量;L:大播量)与还田时期(D1:9月10日;D2:9月20日;D3:9月30日)下土壤真菌丰度和群落结构.[结果]与对照相比,随油菜播量增加,还田生物量显著增加,小麦产量先增后减,中播量中期还田产量最高;此外,播量增加,还田时间应提前.饲料油菜还田显著降低了土壤真菌OTU数量和丰富度指数(ACE和Chao1).真菌群落组成方面,门水平下优势菌群主要有子囊菌门、担子菌门、接合菌门和壶菌门,纲水平下油菜还田相比对照优势真菌所占比例增加.功能预测结果表明,腐生营养型是土壤真菌主要营养类型,占比41.32％-50.72％;且还田后兼性功能营养类群增加至30.05％-40.10％;同时显著提高被孢霉属、枝顶孢属、毛壳菌属、青霉菌属等具有生防功能有益菌的丰度.[结论]在晋南旱地麦区推广饲料油菜还田有利于改善土壤真菌群落结构;本试验条件下,油菜中播量种植,9月20日还田为最优措施.