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作物杂志, 2021, 37(4): 130-135 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.020

生理生化·植物营养·栽培耕作

长期定位施肥对土壤有机质、不同形态氮含量及作物产量的影响

刘学彤,1, 郑春莲1, 曹薇2, 党红凯1, 曹彩云1,3, 李晓爽4, 李科江1,3, 马俊永,1,3

1河北省农林科学院旱作农业研究所,053000,河北衡水

2衡水市农机管理总站,053000,河北衡水

3河北省农作物抗旱研究重点试验室,053000,河北衡水

4衡水学院生命科学学院,053000,河北衡水

Effects of Long-Term Located Fertilization on Soil Organic Matter, Nitrogen Forms and Crop Yields

Liu Xuetong,1, Zheng Chunlian1, Cao Wei2, Dang Hongkai1, Cao Caiyun1,3, Li Xiaoshuang4, Li Kejiang1,3, Ma Junyong,1,3

1Dryland Farming Institute of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Hengshui 053000, Hebei, China

2Hengshui Management Station of Agricultural Machinery, Hengshui 053000, Hebei, China

3The Key Laboratory of Crop Drought-Resistance Research of Hebei Province, Hengshui 053000, Hebei, China

4Department of Biology, Hengshui University, Hengshui 053000, Hebei, China

通讯作者: 马俊永,主要从事节水和作物营养研究,E-mail：mjydfi@126.com

收稿日期: 2020-08-7   修回日期: 2020-09-4   网络出版日期: 2021-06-29

基金资助: 国家重点研发计划粮食丰产增效科技创新课题(2016YFD0300205-04)
河北省现代农业产业技术体系小麦产业创新团队项目
河北省重点研发项目(19226438D)
河北省农林科学院创新工程项目(2019-4-6-1)
河北省农林科学院创新团队项目

Received: 2020-08-7   Revised: 2020-09-4   Online: 2021-06-29

作者简介 About authors

刘学彤,主要从事作物养分资源管理研究,E-mail：liuxuetong349@163.com

摘要

通过长期定位试验,研究不同施肥处理对河北省低平原区土壤有机质、不同氮形态含量及作物产量的影响,旨在为该区冬小麦–夏玉米轮作系统秸秆全量还田下土壤肥力和作物产量的提高提供理论依据。结果表明,经过36个小麦玉米轮作周期的不同施肥处理后,与不施肥处理（CK）相比,施肥可以提高土壤有机质和全氮含量,且随化肥施用量的增加而逐渐增加。在化肥施用量≤N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时,秸秆还田较不还田可显著提高土壤有机质和全氮含量,在化肥施用量为N 540kg/hm2+P2O5 360kg/hm2时,增加速度减缓。与CK相比,长期施肥提高了土壤碱解氮和硝态氮含量,而对土壤铵态氮含量没有显著影响。单施化肥时,表层土壤碱解氮和硝态氮含量随氮肥施用量的增加而增加;在秸秆还田下,N360+P240+S9000处理表层土壤碱解氮和硝态氮含量最高。施肥显著提高了作物产量,单施化肥处理,小麦、玉米产量均随施肥量的增加而逐渐增加;秸秆还田条件下,小麦产量在化肥施用量≤N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时较单独施用化肥的处理增产。由以上结果可知,长期施肥可提高土壤肥力,增加土壤有机质和全氮含量,适宜的氮肥施用量配合秸秆还田可固持土壤有机碳和全氮,过量氮肥不利于土壤有机质的累积。长期单施化肥或化肥配合秸秆还田均可提高土壤碱解氮和硝态氮含量,对土壤铵态氮含量无显著影响。长期施肥可提高作物产量,在秸秆还田条件下,化肥施用量为N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时,增产效果较好。

关键词： 长期施肥; 秸秆还田; 土壤有机质; 全氮; 作物产量

Abstract

To provide a basis for promoting soil fertility and increasing crop yield for winter wheat and summer maize rotation system under the straw returning in Hebei low plain, it is necessary to study the effects of long-term located fertilization test on soil organic matter, nitrogen forms, and crop yields. The results showed that after 36 wheat-maize rotation cycles of fertilizer experiment, compared with CK, the soil organic matter and total N and gradually increased with the increase of chemical fertilizer application. When the application of chemical fertilizer was less than or equal to N 360kg/ha+P2O5 240kg/ha, compared with no straw returning, the straw returning could significantly increase treatments of soil organic matter and total N, and the increasing rate was decreased under the treatment of N 540kg/ha+P2O5 360kg/ha. Compared with CK, long-term fertilization increased soil alkali-hydrolyzable nitrogen (AHN) and NO3--N contents, however, NH4+-N was not affected. The contents of soil AHN and NO3--N increased with the increase of N fertilizer application with only chemical fertilizer treatments. Under straw returning, the contents of soil AHN and NO3--N were the highest under the treatment of N360+P240+S9000. Fertilization significantly increased crop yield, with the single application of chemical fertilizers, the wheat and maize yields were increased gradually with the increase of fertilizer. When the application of chemical fertilizer was less than or equal to N 360kg/ha + P2O5 240kg/ha, compared with only chemical fertilizer, could increase wheat yield under the condition of straw returning. The long-term fertilization enhanced soil fertility and increased soil organic matter and total N, soil organic carbon and total N could be increased by suitable nitrogen application combined with straw returning, and excessive N fertilizer was not conducive to the accumulation of soil organic matter. Both long-term single application of chemical fertilizer and chemical fertilizer combined with straw returning could increase the contents of soil AHN and NO3--N, but had no significant effect on the content of soil NH4+-N. And it also could increase crop yields. The effects of increasing yield of the application of chemical fertilizer (N 360kg/ha+P2O5 240kg/ha) was better than other fertilizering treatments.

Keywords： Long-term fertilization; Straw returning; Soil organic matter; Total N; Crop yield

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本文引用格式

刘学彤, 郑春莲, 曹薇, 党红凯, 曹彩云, 李晓爽, 李科江, 马俊永. 长期定位施肥对土壤有机质、不同形态氮含量及作物产量的影响. 作物杂志, 2021, 37(4): 130-135 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.020

Liu Xuetong, Zheng Chunlian, Cao Wei, Dang Hongkai, Cao Caiyun, Li Xiaoshuang, Li Kejiang, Ma Junyong. Effects of Long-Term Located Fertilization on Soil Organic Matter, Nitrogen Forms and Crop Yields. Crops, 2021, 37(4): 130-135 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2021.04.020

土壤有机质不仅是土壤肥力的重要指标,也与粮食安全和气候变化等重大问题密切相关[1,2]。氮素是作物生长必需的营养元素[3,4]。众多研究[3,5]表明施用氮肥可以提高作物产量,然而过量的农田养分投入已经导致严重的资源利用效率下降[6]和严重的生态环境问题[7]。秸秆中含有农作物生长需要的氮、磷、钾、镁、钙、硫等矿质营养元素可作为农田生产中重要的肥料资源[8],能有效增加土壤有机质含量,提高土壤肥力,弥补磷钾肥不足问题[9]。

目前,在小麦―玉米轮作系统中,秸秆全量还田已逐渐普及。关于秸秆还田后作物产量和土壤肥力等方面做了大量研究。韩冰等[10]估算我国秸秆还田后的固碳潜力每年可达42.23Tg。白和平等[11]在黄淮地区的研究表明,玉米秸秆还田后土壤有机质含量相对不还田土壤可提高0.29g/kg。Wei等[12]通过32年长期定位试验研究表明,有机无机肥配施可显著提高小麦、玉米、水稻的产量,平均产量比单施有机肥提高29%,比单施化肥提高8%。盖霞普等[13]在华北平原的研究发现,长期增施有机肥/秸秆还田等外源碳的添加对土壤养分及微生物学过程的影响主要发生在表层。之前的研究大多集中于施用有机肥或秸秆还田等有机无机配施措施增加土壤碳氮固持,减少氮素损失,降低农业面源污染等方面,而对长期高量秸秆还田及不同肥料施用量的复合影响研究较少。本研究通过河北省农林科学院旱作农业研究所的深州旱作试验站长期化肥与秸秆配施定位试验来探讨长期高量秸秆还田及与不同化肥配比对土壤有机质、全氮含量及作物产量的影响,为提升当地小麦―玉米轮作产量和改善土壤质量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于河北省农林科学院旱作农业研究所衡水深州试验站（115°42′ E,37°53′ N）进行。该区属于暖温带大陆性季风气候,年均气温12.4℃,年均降水量550mm,降雨集中在6-9月。供试土壤为壤质底粘潮土,种植制度为冬小麦―夏玉米轮作。试验前0~20cm土壤的基本理化性状为pH 8.7、有机质11.5g/kg、全氮0.83g/kg、全磷1.03g/kg、全钾20.31g/kg、碱解氮51.3mg/kg、速效磷12.3mg/kg和速效钾109.8mg/kg。

1.2 试验设计

长期定位试验于1981年开始种小麦,至2017年玉米季收获,共36个小麦―玉米轮作周期,为复因子试验,以化肥用量为主处理,秸秆还田量为副处理,设置4个化肥用量（N 0kg/hm2+P2O5 0kg/hm2、N 90kg/hm2+P2O5 60kg/hm2、N 180kg/hm2+P2O5 120kg/hm2、N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2）和4个秸秆还田量（0、2250、4500、9000kg/hm2）,共16个处理;2009年在旁边增加2个化肥用量（N 540kg/hm2+P2O5 360kg/hm2、N 720kg/hm2+P2O5 480kg/hm2）和4个秸秆还田量（0、2250、4500、9000kg/hm2）,复因子试验,共8个处理;总计24个处理。本文选用其中4个化肥用量（N 0kg/hm2+P2O5 0kg/hm2、N 180kg/hm2+P2O5 120kg/hm2、N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2、N 540kg/hm2+P2O5 360kg/hm2）和2个秸秆还田量（0、9000kg/hm2）进行复因子试验,共8个处理（表1）。采用完全随机区组设计,每个处理3次重复,小区面积33.75m2（7.5m×4.5m）。磷肥和玉米秸秆均在小麦播种整地前一次性作为底肥施入,氮肥在冬小麦、夏玉米季各施50%,其中小麦季氮肥底肥和追肥各施50%,追肥在拔节期撒施后浇水;玉米季氮肥全部用作追肥,在大喇叭口期撒施后浇水。其他管理同一般田间管理。

表1   试验处理

Table 1  Experimental treatments kg/hm2

处理TreatmentNP2O5玉米秸秆Maize straw
CK000
N180+P1201801200
N360+P2403602400
N540+P3605403600
S9000009000
N180+P120+S90001801209000
N360+P240+S90003602409000
N540+P360+S90005403609000

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1.3 样品采集与指标测定

2017年玉米收获后,每小区以S形用土钻采集3个点的0~20cm土壤,充分混合后组成1个样品,将采集的新鲜土样带回实验室进行土壤硝态氮和铵态氮含量的测定,剩余土样风干后过筛测定土壤养分。采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量,采用凯氏定氮法测定全氮含量[14],采用1mol/L KCl溶液浸提,AA3流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮含量[15]。

每年小麦成熟期,每小区收获3个1m2样方小麦,将籽粒风干后称重,计算单位面积籽粒产量。每年玉米成熟期,调查小区单位面积穗数,每小区随机收获40株穗,籽粒风干后称重,计算玉米产量。

1.4 数据处理

利用Excel 2007作图,采用SPSS 22.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤有机质和全氮含量的影响

不同施肥处理对表层（0~20cm）土壤有机质有显著影响（图1）。经过长期不同施肥后,不同处理表层土壤有机质含量表现不同。秸秆不还田处理中,施用化肥的处理土壤有机质含量均高于CK,且土壤有机质含量随化肥施用量的增加而逐渐增加,且3个不同施肥处理土壤有机质含量差异显著;秸秆高量还田配施不同量氮磷肥的3个处理较单独秸秆还田（S9000）处理土壤有机质含量显著增加,但3个秸秆高量还田配施不同量氮磷肥处理间无显著差异。整体来看,除N 540kg/hm2+P2O5 360kg/hm2外,其余氮磷施用量的处理土壤有机质含量均显著低于同氮磷施用量配施秸秆高量还田的处理,其中S9000处理显著高于CK处理13.5%,N180+P120+S9000处理显著高于N180+P120处理16.0%,N360+P240+S9000处理显著高于N360+P240处理9.0%。由此表明,在相等的化肥施用量下,秸秆还田有助于提高土壤有机质含量。

图1

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图1   不同处理土壤有机质含量

不同小写字母表示差异显著（P<0.05）,下同

Fig.1   Soil organic matter contents in different treatments

Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05), the same below


由图2可以看出,经过长期的不同施肥处理后,秸秆不还田处理中,施用化肥的处理表层土壤全氮含量均显著高于CK,且表层土壤全氮含量随施氮量的增加而显著增加,N540+P360处理土壤全氮含量达到1.26g/kg;在秸秆高量还田的处理中,土壤全氮含量随施氮量的增加逐渐增加,其中N180+P120+S9000处理和N360+P240+S9000处理间差异不显著,其余处理间差异显著。与土壤有机质含量表现相似,整体来看,除N540 +P360处理外,其余氮磷施用量的处理土壤全氮含量均显著低于同氮磷施用量配施秸秆高量还田的处理,其中S9000处理显著高于CK处理17.0%,N180+P120+S9000处理显著高于N180+P120处理13.5%,N360+P240+S9000处理显著高于N360+P240处理8.9%。由此表明,化肥配施秸秆还田较单施化肥更有助于提高土壤全氮含量。

图2

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图2   不同处理土壤全氮含量

Fig.2   Soil total nitrogen contents in different treatments


2.2 不同施肥处理对土壤不同形态氮含量的影响

经过长期施肥处理后,各处理表层土壤不同形态氮含量表现不同（表2）。在秸秆不还田处理中,与CK相比,土壤碱解氮含量随氮肥施用量的增加而逐渐增加,N540+P360处理碱解氮含量最高,达到80.3mg/kg,各施用化肥处理碱解氮含量均显著高于CK处理,增加幅度为26.1%~57.5%;在秸秆高量还田处理中,各化肥配施秸秆高量还田处理土壤碱解氮含量均显著高于S9000处理,增加幅度为15.1%~31.1%,其中N360+P240+S9000处理土壤碱解氮含量最高,为82.3mg/kg。各化肥配施秸秆高量还田处理土壤碱解氮含量均高于单独施用等量化肥的处理,部分处理达到显著差异。土壤碱解氮占全氮的比例为5.7%~6.9%,变化范围不大。

表2   不同处理表层（0~20cm）土壤不同形态氮含量及占全氮的百分比

Table 2  Contents of different kinds of soil N and their percentages of total N in different treatments in soil layer (0-20cm)

处理
Treatment		各形态氮含量Contents of different kinds of soil N (mg/kg)占全氮百分比Percentage in total N (%)
碱解氮AHN硝态氮NO3--N铵态氮NH4+-N碱解氮AHN硝态氮NO3--N铵态氮NH4+-N
CK51.0±1.7e1.3±0.2d2.5±0.6a5.70.140.28
N180+P12064.3±6.6cd7.8±0.3bcd2.4±0.4a6.40.780.24
N360+P24067.5±6.4cd8.0±0.9bcd2.2±0.4a6.20.730.20
N540+P36080.3±2.9ab15.3±10.4ab2.8±0.9a6.41.220.22
S900062.8±6.4d2.8±1.7cd2.8±0.8a6.00.270.26
N180+P120+S900072.3±4.2bc10.1±0.5abc2.3±0.7a6.40.890.21
N360+P240+S900082.3±3.0a17.5±2.6a2.3±0.5a6.91.470.19
N540+P360+S900081.8±2.2a15.4±2.6ab2.2±0.6a6.31.180.17

同列数据后不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）,下同

Different letters in the same column are significantly different among the treatments (P<0.05), the same below

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不同施肥处理对表层土壤硝态氮含量也有影响（表2）。秸秆不还田处理的土壤硝态氮含量随化肥施用量的增加逐渐增加,其中N540+P360处理硝态氮含量最高,为15.3mg/kg,显著高于CK,其余处理间差异不显著。在秸秆高量还田处理中,N360+P240+S9000处理硝态氮含量最高,为17.5mg/kg,其次是N540+P360+S9000处理,为15.4mg/kg,均显著高于S9000处理。各化肥配施秸秆高量还田处理土壤硝态氮含量均高于单独施用等量化肥的处理,但除N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2的施用量外,其余均未达显著差异。

不同施肥处理对表层土壤铵态氮含量无显著影响（表2）。各处理土壤铵态氮含量为2.2~2.8mg/kg,占全氮百分比为0.17%~0.28%。

2.3 不同施肥处理对作物产量的影响

各处理2016和2017年小麦、玉米产量如表3所示,不同施肥处理对小麦和玉米产量均有不同影响。不同年份小麦、玉米产量不同,整体来看,施肥处理2016年小麦产量高于2017年,玉米产量低于2017年。各处理2016和2017年的平均作物产量,与CK相比,单独施用化肥及其化肥配施秸秆还田均显著提高小麦和玉米产量。秸秆不还田处理,小麦、玉米产量均随化肥施用量的增加而增加,N540+P360处理下小麦和玉米的平均产量分别为9655和10670kg/hm2,其次是N360+P240处理,2个处理间无显著差异,均显著高于N180+P120和CK处理。秸秆高量还田处理中,小麦产量为N360+P240+S9000处理最高,为9581kg/hm2,其次是N540+P360+S9000处理,2个处理间无显著差异,且均显著高于N180+P120+S9000和S9000处理;玉米产量为N540+P360+S9000处理最高,且显著高于其余处理。整体来看,对小麦来说,秸秆高量还田在化肥施用量≤N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时较单独施用化肥增产。

表3   不同处理2016、2017年小麦和玉米产量

Table 3  Yields of wheat and maize in different treatments in 2016 and 2017 kg/hm2

处理
Treatment		20162017平均产量Average yield
小麦Wheat玉米Maize小麦Wheat玉米Maize小麦Wheat玉米Maize
CK1333±210d4948±266e1333±257c6753±547f1383±226c5850±387f
N180+P1206358±745c8088±352c4889±847b9715±974d5624±669b8902±410d
N360+P2409482±280a9430±339a8383±371a11194±247bc8933±195a10312±252abc
N540+P3609803±647a8909±212ab9507±1191a12432±872ab9655±881a10670±401ab
S90001500±393d6205±235d1247±130c8351±668e1333±214c7278±451e
N180+P120+S90007926±329b8858±165b4531±635b10599±425cd6229±207b9729±259c
N360+P240+S90009939±278a9403±152ab9223±501a10472±1044cd9581±155a9938±544bc
N540+P360+S90009556±812a8986±511ab8766±428a12707±735a9161±618a10847±486a

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3 讨论

土壤有机质是维持土壤肥力和农业生产力的重要组分,在作物生产中具有重要意义[4,16-17]。秸秆还田可以提高土壤肥力,提高土壤生产力[8,18-19]。本研究中,单施化肥以及化肥结合秸秆施用均可以提高土壤有机质含量,这与前人[20,21]的研究结果一致。然而,在施肥量大于N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时,秸秆还田与单施化肥相比对土壤有机质含量的提高减缓,这可能是由于土壤中C/N下降引起的,氮素的过量施用会使土壤中的C/N降低,土壤微生物活性提高,进而加速其对土壤原有碳和新鲜有机碳的分解矿化,造成土壤有机质下降[22]。王文静等[2]在黄淮海平原的研究也发现,秸秆根茬碳还田量相同时,高量施氮相比低量施氮不利于土壤有机质的累积。因此,适量氮肥配合秸秆还田对土壤有机质有累积作用。

氮素是农作物生长必需的大量营养元素,是影响作物优质高产的首要因素[3,4]。本研究中土壤全氮含量与有机质含量的变化趋势相似,这与张启新等[23]通过分析表明土壤有机质与全氮存在显著相关关系结论一致。秸秆还田可提高土壤全氮含量,一方面是因为秸秆中含有氮素,分解后可补充土壤氮素[8],另一方面是因为外源碳投入土壤后可为土壤氮素固持提供必要的能源[24]。秸秆还田可提高土壤碱解氮和硝态氮含量,而对土壤铵态氮影响不大。硝态氮是作物吸收的主要氮形态,研究[25]表明,长期大量施肥会造成硝态氮在土壤中的累积,盖霞普等[13]研究表明,增施有机肥/秸秆还田对土壤硝态氮等土壤养分的增加主要发生在表层,且秸秆还田对土壤硝态氮具有一定的固持作用。在本研究中N360+P240+S9000处理土壤硝态氮含量最高,在秸秆还田下氮磷施用量继续增加时,表层土壤硝态氮含量并没有增加,可能是部分氮素挥发损失或者向下淋溶,表明高施肥量会加大氮素的损失率。

长期定位试验作物产量受化肥施用量与秸秆还田的共同影响。盖霞普等[13]和李玮等[26]研究表明,在施用化肥基础上长期秸秆还田可提高作物产量,与本研究结果一致。本研究中,在施肥量≤N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时秸秆还田的小麦产量较不还田高。一方面可能是因为过多的施氮量造成小麦贪青晚熟[27],另一方面可能是因为高施肥量的土壤累积了过多的无机氮,大大超过了作物的氮素需求,出现增氮不增产的现象,刘学军等[28]的研究也表明多施的氮肥造成作物对氮素的奢侈吸收而并没有产生真正的肥效;刘欢等[29]在华北地区小麦―玉米轮作体系秸秆还田条件下研究表明,在长期高量施氮的土壤中,氮肥用量减少20%并不会对小麦产量产生明显影响,这表明,在本地区小麦生产中氮肥适量减施的必要性。而玉米产量随化肥施用量的增加而增加,在化肥施用量一致时,秸秆还田较不还田可增加玉米产量。一方面可能是不同作物的养分需求量不同[30,31,32],以及气候因素不同等;另一方面,因玉米秸秆还田后造成的土壤水分不足、秸秆阻碍和播种过浅等问题影响小麦出苗[21,33],因此,长期定位施用化肥与秸秆还田对玉米和小麦的影响不同。

4 结论

河北省低平原区小麦―玉米轮作模式下,长期定位施肥可以提高土壤有机质和全氮含量,改善土壤肥力。在化肥施用量低于N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时,秸秆还田较不还田可显著提高土壤有机质和全氮含量,表明适量的氮肥配合秸秆还田对土壤有机质和全氮有累积作用。

长期单施化肥或化肥配合秸秆还田均可增加表层土壤碱解氮和硝态氮含量,而对铵态氮无明显影响。在秸秆还田下,化肥施用量低于N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时,随化肥施用量增加,表层土壤碱解氮和硝态氮含量逐渐增加。

长期单施化肥或化肥配合秸秆还田可以改善土壤生产力,提高作物产量。在化肥施用量低于N 360kg/hm2+P2O5 240kg/hm2时秸秆还田的小麦产量较不还田高,过多的氮肥会出现增氮不增产的现象。玉米产量随秸秆还田和化肥施用量的增加而增加。

参考文献

Johnson J M F, Allmaras R R, Reicosky D C.

Estimating source carbon from crop residue,roots and rhizodeposits using the national grain-yield database

Agronomy Journal, 2006,98(3):622-636.

[本文引用: 1]

王文静, 魏静, 马文奇, 等.

氮肥用量和秸秆根茬碳投入对黄淮海平原典型农田土壤有机质积累的影响

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