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Impact of agricultural intensification on soil organic carbon＂ A study using DNDC in Huantai County, Shandong Province, China

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Journal of Integrative Agriculture 2016年第6期15卷 1364-1375页

作者： LIAO Yan WU Wen-liang meng fan-qiao LI Hu College of Resources and Environmental Sciences China Agricultural University/Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming Beijing 100193 P.R. China Chinese Academy of Agricultural Engineering Beijing 100125 P.R. China Institute of Agricultural Resources and Regional Planning Chinese Academy of Agricultural Sciences Beijing 100081 P.R.China

Using the biogeochemical model den itrification/decomposition （DN DC）, the dynamic changes of soil organic carbon （SOC） of farmland from the 1980s to 2030s were investigated in Huantai County, a typical intensive agricultural region in the Huang- Huai-Hai Plain of China. Prior to modelling, validation of the DNDC model against field data sets of SOC from Quzhou Experimental Station in the Huang-Huai-Hai Plain was conducted at the site scale. We compared the simulated results with the observed SOC in Huantai County during 1982-2011 under two different classification methods of simulation unit （the first method integrated soil type and land use of Huantai County to form the overlapped modeling units; the second selected the 11 administrative towns as the modeling units）, and achieved a high accuracy in the model simulation with the improvement of the model parameters. Regional SOC （0-20 cm） density and stocks for Huantai County in the years 2012-2031 were predicted under different scenarios of farming management. Compared with current management practices, optimized fertilization （20% decrease of mineral N）, crop straw incorporation （90%） and appropriate animal manure input （40 kg N ha-1 yr-1） could achieve the highest level of SOC density （56.8% higher than 2011） in the period of 2012-2031. The research highlighted the importance of crop straw incorporation, optimized N fertilization and integration of crop production with ani- mal husbandry on the farmland carbon sequestration for maintaining a high land productivity in the Huang-Huai-Hai Plain.

关键词： agricultural intensification soil organic carbon DNDC nitrogen fertilizer straw incorporation animal manure

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Long-Term Manure Amendments Enhance Soil Aggregation and Carbon Saturation of Stable Pools in North China Plain

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Journal of Integrative Agriculture 2014年第10期13卷 2276-2285页

作者： DU Zhang-liu WU Wen-liang ZHANG Qing-zhong GUO Yan-bin meng fan-qiao Key Laboratory of Agricultural Environment Ministry of Agriculture/Agricultural Clear Watershed GroupInstitute of Environment and Sustainable Development in AgricultureChinese Academy of Agricultural Sciences College of Resources and Environmental Sciences China Agricultural University

Organic amendment is considered as an effective way to increase soil organic carbon （SOC） stock in croplands. To better understand its potential for SOC sequestration, whether SOC saturation could be observed in an intensive agricultural ecosystem receiving long-term composted manure were examined. Different SOC pools were isolated by physical fractionation techniques ofa Cambisol soil under a long-term manure experiment with wheat-maize cropping in North China Plain. A field experiment was initiated in 1993, with 6 treatments including control （i.e., without fertilization）, chemical fertilizer only, low rate of traditional composted manure （7.5 t ha-h）, high rate of traditional composted manure （15 t ha-~）, low rate ofbio-composted manure （7.5 t ha-h） and high rate of bio-composted manure （15 t ha-h）. The results showed that consecutive （for up to 20 years） composted manure amendments significantly improved soil macro-aggregation, aggregate associated SOC concentration, and soil structure stability. In detail, SOC concentration in the sand-sized fraction （〉53 ~tm） continued to increase with manure application rate, while the silt （2-53 ***） and clay （〈2 ~tm） particles showed no further increase with greater C inputs, exhibiting the C saturation. Further physical separation of small macro-aggregates （250-2 000 tam） into subpools showed that the non-protected coarse particulate organic matter （cPOM, 〉250 pro） was the fraction in which SOC continued to increase with increasing manure application rate. In contrast, the chemical and physical protected C pools （i.e., micro-aggregates and silt-clay occluded in the small macro- aggregates） exhibited no additional C sequestration when the manure application rate was increased. It can be concluded that repeated manure amendments can increase soil macro-aggregation and lead to the increase in relatively stable C pools, showing hierarchical saturation behavior in the intensive cropping system of North China Plain.

关键词： composted manure soil aggregates soil organic carbon carbon saturation

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Nitrous Oxide and Methane Fluxes During the Maize Season Under Optimized Management in Intensive Farming Systems of the North China Plain

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Pedosphere 2014年第4期24卷 487-497页

作者： SHI Yue-Feng WU Wen-Liang meng fan-qiao ZHENG Liang WANG Da-Peng YE Hui DING Guang-Wei College of Resources and Environmental Sciences China Agricultural University Yellow River Basin Water Resources Protection Bureau Rubber Research Institute Chinese Academy of Tropical Agriculture Science Department of Chemistry Northern State University

Addressing concerns about mitigating greenhouse gas （GHG） emissions while maintaining high grain yield requires improved management practices that achieve sustainable intensification of cereal production systems. In the North China Plain, a field experiment was conducted to measure nitrous oxide （N2O） and methane （CH4） fluxes during the maize （Zea mays L.） season under various agricultural management regimes including conventional treatment （CONT） with high N fertilizer application at a rate of 300 kg N ha-1 and overuse of groundwater by flood irrigation, optimal fertilization 1 treatment （OPTIT）, optimal fertilization 2 treatment （OPT2T）, and controlled-release urea treatment （CRUT） with reduced N fertilizer application and irrigation, and a control （CK） with no N fertilizer. In contrast to CONT, balanced N fertilization treatments （OPT1T, OPT2T, and CRUT） and CK demonstrated a significant drop in cumulative N20 emission （1.70 v.s. 0.43-1.07 kg N ha-l）, indicating that balanced N fertilization substantially reduced N20 emission. The vMues of the N20 emission factor were 0.42%, 0.29%, 0.32%, and 0.27% for CONT, OPTIT, OPT2T, and CRUT, respectively. Global warming potentials, which were predominantly determined by N20 emission, were estimated to be 188 kg CO2-eq ha-1 for CK and 419-765 kg CO2-eq ha-1 for the N fertilization treatments. Global warming potential intensity calculated by considering maize yield was significantly lower for OPT1T, OPT2T, CRUT, and CK than for CONT. Therefore, OPTIT, OPT2T, and CRUT were recommended as promising management practices for sustaining maize yield and reducing GHG emissions in the North China Plain.

关键词： balanced N fertilization CH4 global warming potential greenhouse gases maize yield N20

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氮肥使用对北方夏玉米季氨挥发的影响

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环境科学 2020年第11期41卷 5176-5184页

作者：张薇倪邦许秀春杨轩孟凡乔中国农业大学环境与资源学院农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室北京100193

氨挥发是农田作物生产中氮肥损失的主要途径之一,对空气质量有重要影响.为研究我国北方地区化肥类型、施用数量、施氮时期以及采样方法等因素对夏玉米季氨挥发的影响,本研究收集了1980~2018年发表的北方地区夏玉米生产中氨挥发的研究文... 详细信息

氨挥发是农田作物生产中氮肥损失的主要途径之一,对空气质量有重要影响.为研究我国北方地区化肥类型、施用数量、施氮时期以及采样方法等因素对夏玉米季氨挥发的影响,本研究收集了1980~2018年发表的北方地区夏玉米生产中氨挥发的研究文献,并对数据进行统计分析.结果发现,随着化肥施氮量的增加,氨挥发总量呈指数型增长,净氨挥发量呈幂函数型增长.基肥/追肥施氮量为1/1时,追肥期氨挥发总量和净氨挥发量显著高于基肥期(P<0.05),氨挥发总量分别约占总生育期的58.4%和41.6%.随着施氮量的增加,激发效应先表现为负效应后逐渐转变为正效应,转折点施氮量为297 kg·hm-2.采用抽气法与海绵法测定的氨挥发量存在显著差异(P<0.01),且抽气法测定数据更为稳定.施用缓释尿素相较于普通尿素可降低氨挥发约20%~50%.我国北方夏玉米生产中,合理控制追肥期施氮量更有助于减少氨挥发,且高氮肥条件下抽气法比海绵法更适合于氨挥发的测定.

关键词：夏玉米氨挥发激发效应施肥时期采样方法

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华北平原不同农田管理措施对于土壤碳库的影响

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环境科学 2017年第1期38卷 301-308页

作者：石小霞赵诣张琳吴文良孟凡乔中国农业大学资源与环境学院北京100193

华北平原是我国重要的粮食生产基地,土壤碳氮水平直接作用于区域的土壤肥力和粮食生产.通过长期定位实验,研究了包括自然恢复(F)、清茬翻耕(N)、秸秆还田免耕(S)和秸秆还田翻耕(TS)这4个处理下土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全碳(TS)... 详细信息

华北平原是我国重要的粮食生产基地,土壤碳氮水平直接作用于区域的土壤肥力和粮食生产.通过长期定位实验,研究了包括自然恢复(F)、清茬翻耕(N)、秸秆还田免耕(S)和秸秆还田翻耕(TS)这4个处理下土壤有机碳(SOC)、无机碳(SIC)、全碳(TS)、全氮(TN)含量和储量以及13C和15N分布状况.结果表明,与F相比,在0~20 cm土层,N、S和TS的土壤有机碳储量分别降低21.6%、12.3%和3.4%,土壤无机碳储量变化不显著.在20~40 cm土层,土壤有机碳储量变化不显著,而3个农田耕作处理的土壤无机碳储量较F分别增加4.1%(N)、7.3%(S)和5.0%(TS),无机碳增加主要是次生碳酸盐的贡献,农田土壤PIC增加了97%~261%.与自然恢复地相比,农田土壤表层δ15N、δ13CSIC、δ13CSOC偏高且δ13CSOC达显著差异,20~40 cm土层δ15N、δ13CSIC偏低而δ13CSOC偏高.该地区农田土壤中原生碳酸盐以分解作用为主,土壤-作物系统通过增加CO_2含量促进次生碳酸盐的形成,秸秆还田是恢复农田耕作引起土壤碳库储存下降的有效措施.对于华北平原,今后应加强关于秸秆还田和耕作措施对土壤有机碳和无机碳影响的综合研究,对于表层以下层次土壤的碳转化和变化规律需要更多的长期观测.

关键词：华北平原有机碳无机碳同位素秸秆还田

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用^13C脉冲标记法研究玉米光合碳分配及其向地下的输入

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环境科学 2008年第2期29卷 446-453页

作者：何敏毅孟凡乔史雅娟吴文良中国农业大学资源与环境学院北京100094 中国科学院生态环境研究中心北京100085

研究玉米生长对土壤有机碳的贡献对了解农田碳平衡与农业生产之间的关系具有重要意义.应用4次13C脉冲标记对不同生育时期(苗期、拔节、抽雄和灌浆期)玉米光合碳在玉米-土壤系统中的分配特征进行了为期1个生长季的研究.结果表明,留在地... 详细信息

研究玉米生长对土壤有机碳的贡献对了解农田碳平衡与农业生产之间的关系具有重要意义.应用4次13C脉冲标记对不同生育时期(苗期、拔节、抽雄和灌浆期)玉米光合碳在玉米-土壤系统中的分配特征进行了为期1个生长季的研究.结果表明,留在地上部的13C占玉米净吸收13C的百分含量,在灌浆期标记时最大,为80.01%.在不同生育时期,玉米向地下转移的13C比例分别为43.24%、46.46%、30.30%和19.99%;此部分13C中有34.68%~77.56%被根际呼吸消耗,16.63%~57.02%存在于根部,5.05%~8.30%通过根际沉积转化为土壤有机碳.整个生育期内,玉米分配到地上部、根部、根际呼吸和土壤有机碳中的光合碳量,分别占净吸收碳量的62.39%、17.88%、17.07%和2.67%.在拔节、抽雄和灌浆期,玉米的根际呼吸分别占土壤呼吸总量的67.07%、63.31%和28.82%;同时其根际激发效应使土壤原有有机碳分解分别增加了31.11%、79.09%和120.83%.以大田玉米地上部干重18 ***-2、含碳量42%计算,玉米在其生育期内输入到地下的总碳量为4.6 ***-2,其中有2.1 ***-2通过根际呼吸进入大气,2.2 ***-2存在于根中,0.33 ***-2转化为土壤有机碳.

关键词：玉米土壤有机碳 ^13C脉冲标记根际沉积根际激发效应

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富硒土壤硒含量及其与土壤理化性状的关系——以江西丰城为例

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农业环境科学学报 2018年第6期37卷 1177-1183页

作者：韩笑周越吴文良孟凡乔中国农业大学资源与环境学院北京100193

为了解富硒土壤的硒含量及其分布特征,明确土壤硒与主要土壤性状指标的关系,选择江西丰城地区不同硒水平的水田和旱作农田,于2014年9月选取了14个村落于作物收获后布设土壤剖面采样点。在0~100 cm的土壤剖面进行分层(20 cm)取样,测定土... 详细信息

为了解富硒土壤的硒含量及其分布特征,明确土壤硒与主要土壤性状指标的关系,选择江西丰城地区不同硒水平的水田和旱作农田,于2014年9月选取了14个村落于作物收获后布设土壤剖面采样点。在0~100 cm的土壤剖面进行分层(20 cm)取样,测定土壤全硒含量及主要理化性状。结果表明,丰城地区农田土壤(0~20 cm)全硒平均含量(算术平均值)为0.49 mg·kg^(-1),41.2%的农田土壤高于0.4 mg·kg^(-1),99%高于0.125 mg·kg^(-1)。1 m剖面中土壤硒含量在0~20 cm最高,硒含量随着土壤深度的增加而逐渐降低,且在60 cm以下基本保持不变。富硒条件下,水田土壤硒含量在0~40 cm土层上显著高于旱地土壤;非富硒条件下,二者的全硒含量在1 m土体上无显著差异。土壤有机质含量对土壤全硒含量有决定性影响,而黏粒仅对水田土壤硒有显著影响。p H对土壤全硒含量呈现抑制作用,而土壤总铁、总铝和阳离子交换量对土壤全硒呈现富集效应。研究表明,在富硒地区,水田比旱地更有利于土壤硒的积累,提高土壤肥力水平对增加土壤硒含量有显著作用。

关键词：土壤全硒土地利用方式江西丰城土壤理化性质

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^(13)C脉冲标记法定量冬小麦光合碳分配及其向地下的输入

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环境科学 2018年第6期39卷 2837-2844页

作者：孙昭安陈清韩笑吴文良孟凡乔中国农业大学资源与环境学院农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室北京100193

研究冬小麦生长向地下部分的输入对于土壤固碳和作物生产具有重要意义.分别在分蘖期、拔节期、花期和灌浆期,用^(13)CO2对冬小麦进行脉冲标记7 h,标记结束后28 d(示踪期)破坏性取样,测定冬小麦地上部、根、土壤和土壤呼吸中的^(13)C含... 详细信息

研究冬小麦生长向地下部分的输入对于土壤固碳和作物生产具有重要意义.分别在分蘖期、拔节期、花期和灌浆期,用^(13)CO2对冬小麦进行脉冲标记7 h,标记结束后28 d(示踪期)破坏性取样,测定冬小麦地上部、根、土壤和土壤呼吸中的^(13)C含量等指标.研究结果表明,在各标记时期,冬小麦光合固定的^(13)C大部分保留在地上部(51.6%~90.8%),且随小麦生长的进行而逐渐向地上部分配,向地下部分(根系、土壤和根际呼吸)的转移随生长进程的延续而降低.转移到地下部的^(13)C中,有22.9%~65.3%被根际呼吸消耗,24.3%~59.3%在根部保存,10.4%~17.8%通过根际沉积转化为土壤有机碳.示踪期28d内最后2 d呼吸产生的^(13)C只占整个示踪期根际呼吸^(13)C量的0.7%~2.7%,说明28 d的示踪期可以确保光合碳在各系统分配完全.在整个生育期内,冬小麦净吸收的光合碳分配到地上部、根部、土壤有机碳和根际呼吸的比例分别为78.5%、6.0%、3.1%和12.4%.结合当地生产方式估算,冬小麦在整个生育期内输入到地下的总碳量为1.72 t·hm^(-2),其中有0.99t·hm^(-2)被根际呼吸消耗,根部固持碳量为0.48 t·hm^(-2),0.25 t·hm^(-2)以有机碳沉积的形式进入土壤.

关键词：冬小麦土壤有机碳 13C脉冲标记根际沉积根际呼吸

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化肥氮对冬小麦氮素吸收的贡献和土壤氮库的补偿

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植物营养与肥料学报 2020年第3期26卷 413-430页

作者：孙昭安陈清朱彪曹慧孟凡乔潍坊学院生物与农业工程学院/山东省高校生物化学与分子生物学重点实验室山东潍坊261061 中国农业大学资源与环境学院/农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室北京100193 北京大学生态研究中心/城市与环境学院/地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

【目的】小麦对氮素的吸收消耗了土壤氮库,土壤中残留的化肥氮则可补偿土壤氮库的消耗,综合考虑这两方面的影响,核算施氮量和秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。【方法】收集1980年以来国内报道的小麦15N示踪试验的研究结果,分析... 详细信息

【目的】小麦对氮素的吸收消耗了土壤氮库,土壤中残留的化肥氮则可补偿土壤氮库的消耗,综合考虑这两方面的影响,核算施氮量和秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。【方法】收集1980年以来国内报道的小麦15N示踪试验的研究结果,分析化肥氮和土壤氮对小麦当季氮吸收的贡献,小麦当季氮吸收、化肥氮的去向、土壤氮库的盈亏分别与施氮量之间的关系,以及秸秆还田对小麦当季土壤氮库盈亏的影响。【结果】施氮量与化肥氮对小麦当季氮吸收的贡献之间呈显著正相关(P=0.029),而与土壤氮的贡献之间呈显著负相关(P=0.031)。小麦当季氮素吸收源于土壤的比例约为2/3,源于化肥的比例约为1/3,追施氮对小麦氮吸收的贡献约是基施氮的1.5倍。施氮量与氮肥有效率(氮肥利用率+氮肥残留率)之间呈极显著负相关(P=0.004),而与氮肥损失率之间呈极显著正相关(P<0.001)。在秸秆不还田和还田条件下,小麦季土壤氮库的盈亏均与施氮量之间呈极显著正相关(P≤0.001)。【结论】在施氮量为N 60~500 kg/hm^2时,小麦吸收的氮素1/3来自化肥,2/3来自土壤。冬小麦季化肥氮的3个去向为:地上部吸收、土壤残留和损失,其所占比例分别约为36%、33%和31%。在秸秆不还田和还田条件下,土壤氮库达到平衡的施氮量分别为N 308和233 kg/hm^2。

关键词：冬小麦氮肥有效率 15N标记土壤氮库盈亏化肥氮去向

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冬小麦对基肥和追肥^(15)N的吸收与利用

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植物营养与肥料学报 2018年第2期24卷 553-560页

作者：孙昭安陈清吴文良孟凡乔中国农业大学资源与环境学院北京100193

【目的】研究不同生育期(花期、灌浆期和收获期)肥料氮的去向和氮素的吸收运转对冬小麦产量形成的贡献。【方法】采用^(15)N示踪结合盆栽试验,尿素N 90 mg/kg等分为基施和拔节期追施。分别在开花期、灌浆期和收获期破坏性取样,测定冬小... 详细信息

【目的】研究不同生育期(花期、灌浆期和收获期)肥料氮的去向和氮素的吸收运转对冬小麦产量形成的贡献。【方法】采用^(15)N示踪结合盆栽试验,尿素N 90 mg/kg等分为基施和拔节期追施。分别在开花期、灌浆期和收获期破坏性取样,测定冬小麦地上部、根和土壤^(15)N含量等指标。【结果】在整个生育期,冬小麦吸氮量42.8%来自土壤,57.2%来自肥料,其中来自基肥和追肥的比例分别为26.6%和30.6%。冬小麦植株对氮肥^(15)N的吸收率随作物的生长而增加,从开花期到收获期增加了50%,^(15)N氮肥在土壤中的残留率从开花期到收获期下降约50%。冬小麦收获后,约28.6%的肥料^(15)N残留在土壤中,肥料^(15)N损失率为33.9%,基肥氮的损失率比追肥氮高21%。冬小麦对肥料^(15)N的全部回收率为37.5%,其中籽粒吸收量约是秸秆的4倍,64.9%的籽粒氮素从开花前营养器官吸收转运而来。【结论】在整个生育期,冬小麦吸收的氮素来源于肥料和土壤氮的比例约为6∶4,基肥和追肥氮对冬小麦氮素吸收具有同等贡献,在当前N 250 kg/hm^2的施氮水平下,适当增加追肥氮的比例可以减少氮肥损失率。残留在土壤中的肥料氮对于补充土壤氮素消耗具有重要意义。

关键词：冬小麦氮肥回收率 ^15N标记土壤氮库化肥氮去向

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