秸秆还田、高效肥料、节水减氮是我国农业绿色发展主推技术,高产低排放品种是减少稻田CH4排放重要方向.为明确秸秆还田下氮肥减量及节水灌溉集成技术对不同品种水稻田CH4排放的影响,本研究以双季稻为对象,采用随机区组的裂区试验设计,设置施用尿素+间歇灌溉(U)、尿素减量20％+秸秆还田+间歇灌溉(US+S)、控释尿素减量20％+秸秆还田+间歇灌溉(CRUS+S)、尿素减量20％+秸秆还田+节水灌溉(US+S+SWD)共4个主区因素,常规稻和杂交稻作为2个副区因素,利用静态箱-气相色谱法监测双季稻生育期内CH4排放规律及减排效果.结果表明,碳投入、氮投入、灌溉量和分蘖数是影响双季稻CH4排放的主要因素.秸秆还田可补充氮肥20％减量的养分,并显著促进常规稻和杂交稻CH4的排放,其中常规稻增排60.0％～107.8％,杂交稻增排99.8％～107.8％,这主要归结于秸秆还田带来大量碳源.秸秆还田搭配控释尿素并不能减少CH4排放,较US+S增排1.8％～9.7％(除常规晚稻外).节水灌溉能显著控制秸秆还田下CH4排放的大量增长,相比US+S,US+S+SWD处理显著降低了CH4排放15.9％～23.1％.各处理间产量无显著差异,表明秸秆还田下氮肥减量及节水灌溉可以达到稳产作用.杂交稻CH4排放量及产量略高于常规稻,但不存在显著差异.总体而言,秸秆还田显著提高CH4排放量,控释尿素和减量施氮无明显减排效果,节水灌溉能有效降低秸秆还田下单位产量的CH4排放强度.未来随着稻田秸秆还田比例增加,优化水分管理以促进秸秆好氧分解将成为CH4减排的关键.

利用在东部沿海丘陵区玻璃大棚中的长期定位试验,设置农民习惯施氮(N1,800kg·hm-2)、氮减量25％(N2,600 kg hm-2)、氮减量50％(N3,400 kg·hm-2)、不施肥(CK)4种不同化肥施氮水平和施有机肥(ON,400 kg N·hm-2)处理,研究了不同施氮量对黄瓜产量及品质的影响.结果表明:与农民习惯施氮相比,施氮量减少50％能保证黄瓜的果实产量,并大幅提高经济效益.不同处理黄瓜果实硝酸盐含量范围在94.2～ 136.1 mg·kg-1,均未超过我国蔬菜卫生安全标准,不同施肥处理比CK增加了18.1％ ～44.5％,其中N3处理下增加幅度最小.施用化肥降低了黄瓜果实中Vc、可溶性糖和可溶性蛋白含量,在施氮量600 kg·hm-2处理中最低.不同施氮处理在短期内改变土壤pH等理化性质,然而在过量施肥条件下黄瓜产量、经济效益与土壤性质无显著相关性.因此,在东部沿海丘陵区的大棚生产条件下,氮肥施用量减少50％可以保证黄瓜产量和果实品质.

以8年生烟富3/M26/平邑甜茶为试材,采用15N同位素示踪技术,研究不同施氮方式(Ⅰ:春季1次性施氮,Ⅱ:分2次施氮,Ⅲ:集约技术施氮,即氮肥减量和分次施氮)对烟富3/M26/平邑甜茶15N-尿素吸收、利用、损失和果实品质的影响.结果表明:处理Ⅲ植株叶片的叶面积、叶绿素含量(SPAD)、光合速率(Pn)、叶片全氮含量和生物量(果实除外)显著高于处理Ⅰ和处理Ⅱ,植株根冠比也显著增加.处理Ⅲ显著提高了叶片的保护酶活性(超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶),降低了叶片丙二醛(MDA)含量.3个处理各器官从肥料中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率(Ndff)表现一致,果实的Ndff值最大,其次是一年生枝、叶片和根,且各器官的Ndff值均以处理Ⅲ最大.在果实成熟期,处理Ⅲ的单株总氮含量为93.0 mg·kg-1,显著高于处理Ⅰ(70.2 mg·kg-1)和处理Ⅱ(81.9 mg· kg-1);处理Ⅲ的15N肥料利用率为33.6％,显著高于处理Ⅰ(20.4％)和处理Ⅱ(26.0％);而15N损失率为46.9％,显著低于处理Ⅰ(56.5％)和处理Ⅱ(52.9％).不同施氮方式下植株的平均单果质量、可溶性固形物、硬度、可溶性糖、可滴定酸、糖酸比均存在显著差异,且均以处理Ⅲ最高,其次是处理Ⅱ,处理Ⅰ最低.

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.

稻田生态系统是重要的N2O排放源,氮肥施用是促进稻田N2O排放的主要影响因素之一.研究合理的氮肥管理措施对减少稻田N2O排放和维持水稻高产具有重要意义.本研究以湖南典型红壤双季稻田系统为对象,以常规施氮(CF,早、晚稻施氮量均为150kg N·hm-2)为对照,在氮肥深施条件下,设置3个减氮水平(分别减氮30％、23％和16％),研究氮肥减量深施对双季稻产量及N2O排放的影响,连续2年的田间试验.结果表明:通过化肥点状深施到土表下约7 cm,减少30％氮肥用量可以显著提高双季稻有效穗数和实粒数,使双季稻平均增产5％;氮肥减量深施可显著降低双季稻田的N2O排放;减氮30％处理的早、晚稻季N2O累积排放量较CF处理降低了57％和72％;氮肥减量深施还影响双季稻田N2O排放模式;CF处理的N2O排放峰值出现在分蘖期,而氮肥减量深施处理除在双季稻返青期和成熟期略有N2O排放,其余生育期间几乎无N2O排放.通过氮肥深施,适当减少氮肥施用量可以维持双季稻产量稳定和降低双季稻田N2O排放.

针对华北平原麦玉轮作区氮肥用量大、氮损失及土壤氮素累积严重的问题,探索不同减氮调控施肥措施对作物产量、氮损失及土壤无机氮累积的影响.通过(2016-2017年)设置两年大田试验,以农民施肥为对照,研究控释肥处理、微生物肥处理及配施硝化抑制剂处理减少氮用量后对小麦、玉米产量和地上部吸氮量、氮损失及土壤无机氮含量的影响.结果表明:2016年微生物肥处理的小麦产量显著低于控释肥处理和硝化抑制剂处理,与农民施肥处理无显著性差异;且小麦和周年作物地上部吸氮量都显著降低.2017年各处理间作物产量和吸氮量无显著性差异.3种减氮调控施肥处理均能保持和改善耕层土壤肥力;且微生物肥处理随种植时间延长对土壤碱解氮、速效钾和有机质含量均有提升.随种植时间延长无机氮累积严重,微生物肥处理和添加硝化抑制剂处理均可降低40～ 100 cm土壤剖面的无机氮含量,而控释肥处理可提高0～ 40 cm土层无机氮含量.氮损失中氨挥发＞淋溶量＞N2O排放＞径流,径流损失可忽略不计,其中以农民施肥处理氮损失最大,微生物肥处理可显著降低氨挥发损失量,但淋溶量较大.综上所述,减量施氮条件下,控释肥处理和添加硝化抑制剂处理可保证作物产量及地上部吸氮量,微生物肥处理随种植年限的延长可保证作物产量和吸氮量.微生物肥和添加硝化抑制剂处理可降低40～100 cm土层无机氮含量,控释肥处理对削减无机氮量效果不明显;几种减氮调控措施均可降低氮损失,但微生物肥处理需调整措施来降低氮的淋溶量.

通过大田试验,以水稻(品种‘F优498’)-小麦(品种‘内麦863’)轮作体系为研究对象,根据成都平原稻麦种植体系常规施氮水平,设7个不同猪粪施用处理:对照(CK,无化学氮肥,无猪粪)、常规化肥(T1,无猪粪)、化肥减量25％+猪粪2500 kg·hm-2(T2)、化肥减量50％+猪粪5000 kg hm-2(T3)、猪粪10000 kg·hm-2(T4)、猪粪15000 kg·hm-2(T5)和猪粪20000 kg·hm-2(T6),研究添加猪粪对稻麦干物质、氮素积累及分配特征、籽粒产量和氮素利用率等的影响.结果表明:猪粪配施化肥对稻麦各生育期干物质积累均有促进作用,稻麦成熟期作物地上部干物质积累量均以高量猪粪施用处理(T6)最高,但其干物质积累及氮素分配向茎叶富集,且籽粒干物质积累及氮积累分配率显著低于T2处理;随着配施猪粪用量的增加,稻麦氮肥偏生产力、氮肥农学利用率、籽粒产量均呈现先增加后减少趋势,其中水稻季以T3处理最优,较常规化肥处理提高11.4％、55.4％、11.4％,小麦季则以T2处理最优,较常规化肥处理提高14.0％、29.1％、14.0％.本试验条件下,2500～5000 kg·hm-2猪粪+化肥减量25％ ～ 50％处理,有利于促进稻麦干物质积累、氮素向籽粒运移,达到增产及提高氮素利用率的效果,超量施用猪粪(15000～20000 kg·hm-2)后,土壤氮素供应过量,干物质向经济器官运移受阻,氮素向茎秆富集,贪青晚熟现象严重,稻麦籽粒产量显著下降.

随着对气候变化和粮食安全的的日益认识,低碳农业引起了人们的广泛关注.低碳农业的研究需要综合考虑作物产量和温室气体排放,改进氮肥管理可能有助于减缓作物生产系统的温室气体排放,同时实现对作物稳产甚至高产的需求.本试验利用生命周期法研究了不同施氮量(150、225、300kgN·hm-2)对春玉米-晚稻轮作系统碳足迹的影响.结果表明:随着氮肥用量增加,两季作物生产过程中温室气体和碳足迹增加.在春玉米生产过程中,氮肥生产和施用引起的温室气体排放对碳足迹贡献最大,占36.2％ ～ 50.2％;而在晚稻生产中,甲烷的排放贡献最大,占42.8％ ～ 48.0％,并且随氮肥用量增加甲烷排放增加.当氮肥施用量减少25％(225 kgN· hm-2)和50％(150 kg N·hm-2)时,春玉米生产的温室气体排放分别下降了21.9％和44.3％,碳足迹分别下降了20.3％和39.1％;晚稻生产的温室气体排放分别下降了12.3％和20.4％,碳足迹分别降低了13.7％和l6.7％.氮肥减量对春玉米产量无显著影响,而晚稻产量在225 kgN· hm-2施肥量下最高.因此,春玉米氮肥用量降低至150kgN· hm-2和晚稻氮肥用量降低至225 kg N· hm-2不仅能够保持作物高产,而且还能大幅度降低作物系统的碳足迹.

农业生物质还田同时结合减少化肥施用量的措施能有效改善土壤质量.基于东北黑土的特殊性和重要性,本研究在中国科学院保护性耕作研发基地(吉林省)设置秸秆还田方式与氮肥水平相结合的裂区试验,综合分析作物产量、土壤((0～20 cm))理化性质与生物学性质,探讨秸秆还田基础上减少氮肥施用量的可行性.主区包括6个处理:秸秆移除(CK)、全量秸秆覆盖免耕(NT)、全量秸秆粉碎直接还田(SD)、全量秸秆腐解还田(SC)、全量秸秆炭化还田(BC)和9/10秸秆+1/10腐熟物组合还田(SDC).副区包括3个氮肥水平处理:当地常规氮磷钾化学肥料(N100)、氮肥减量20％(N80,还田秸秆氮含量接近氮肥20％)和氮肥减量40％ (N60).试验处理1年后的结果表明,秸秆还田方式与氮水平处理对玉米生物量、玉米产量、耕层土壤(0～20 cm)理化性质(pH值、有机碳SOC、全氮TN、全磷TP)和酶活性(脱氢酶、α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶、N-乙酰氨基葡糖苷酶、酸性磷酸单酯酶和碱性磷酸单酯酶)均表现出明显的交互作用,秸秆处理具有显著的主效应(P＜0.05),氮肥水平对所测指标均没有显著影响.化肥单独施用时,氮肥减量处理降低玉米生物量和产量,对土壤pH值、SOC、TN和N-乙酰氨基葡糖苷酶和碱性磷酸酶活性影响不显著,提高TP含量,增强脱氢酶、β-葡糖苷酶和酸性磷酸酶活性.秸秆还田配合常规化肥施用(N100)对土壤pH值、SOC、TN和TP(P＜0.05)均有一定幅度提升趋势,对脱氢酶、α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶和酸性磷酸单酯酶活性有一定增强作用,仅有少数处理未达到差异显著.相同秸秆还田条件下,氮肥减量施用(N80,N60)对玉米生物量和产量没有负影响,对土壤pH值、SOC、TN和TP(P＜0.05)均有一定幅度提升趋势,NT结合氮肥减量处理均提升β-葡糖苷酶和酸性磷酸酶活性,SC结合氮肥减量处理显著提升β-葡糖苷酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性,SDC结合氮肥减量处理显著增强β-葡糖苷酶和碱性磷酸酶活性.因此,短期秸秆还田结合减氮处理在稳产同时减弱土壤酸化程度,且保持SOC、TN和TP含量不降低,对土壤养分库容、元素供应及其转化都有一定的改良效应.

施肥方式不当是半干旱区全膜双垄沟播玉米水肥利用率低的主要原因之一,研究氮肥减量后移和有机肥替代对玉米水肥利用效率和产量的影响,可为该区玉米水肥高效管理提供理论依据.依托4年大田定位试验,设置3个处理,即肥料全部基施(CK)、减氮15％且在抽雄期追施(RN)、30％的化肥以有机肥替代且在抽雄期追施(RNM),研究不同施肥模式对玉米耗水特性、生长发育和水肥利用效率的影响.结果 表明:施肥方式对玉米水肥利用效率和产量有显著调控作用,并与降雨年型密切相关.欠水年和平水年,RN花前耗水量较CK降低16.1％～18.8％,花后耗水量提高18.0％ ～ 22.2％;RNM花前、花后耗水量均与CK差异不显著.丰水年,RN和RNM花前耗水量分别较CK降低16.7％和6.3％,花后耗水量分别增加11.4％和29.7％.与CK相比,RN显著提高了追肥后玉米叶片叶绿素相对含量(SPAD值),花后生物量增加15.6％ ～44.9％,穗长、穗粒数、穗粒重和百粒重显著提高,产量增加9.8％ ～ 17.0％,水分利用效率(WUE)提高6.3％～21.4％,肥料偏生产力(PEPT)、氮素偏生产力(PEPTN)、磷素偏生产力(PEPTP)和钾素偏生产力(PEPTK)均显著提高.综上,RN能显著提高不同降水年型下玉米花后耗水量和SPAD值,增加花后生物量,优化穗部性状,使产量、水肥利用效率显著提高,为半干旱区全膜双垄沟播玉米水肥高效利用的有效肥料管理模式.