不同耕作措施对旱地作物生育期农田耗水结构和水分利用效率的影响

陇中黄土高原旱农区降水有限、水分利用效率低下是导致该区作物生产力水平低而不稳的主要原因。发展保护性耕作是保护水土资源、提高水分利用效率的重要途径。为揭示耕作措施影响水分利用效率的机制,2015—2016年在陇中黄土高原旱农区研究了不同耕作措施对土壤棵间蒸发、农田耗水量、作物蒸腾量、棵间蒸发与蒸散的比例、产量及水分利用效率的影响。试验设置传统耕作(T)、免耕秸秆覆盖(NTS)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆翻入(TS)、传统耕作+覆膜(TP)、免耕覆膜(NTP)6个处理,春小麦和豌豆年间轮作。结果表明:(1)春小麦和豌豆全生育期棵间蒸发量NTS、TP、NTP比T显著减少6.52%~50.81%,NTS降低棵间蒸发量的作用主要在小麦开花后和豌豆结荚后,地膜覆盖在各个生育时期基本上都显著减少了棵间蒸发。(2)NTS对全生育期耗水量无显著影响,NTP的耗水量只在小麦地显著高于T。相比T,NTS显著提高了小麦开花-收获和豌豆结荚-收获期间的阶段耗水量及其占总耗水的比例。(3)NTS、TP、NTP均显著提高了春小麦和豌豆的蒸腾量,降低了田间的蒸发占蒸散的比例,降低了水分的无效损耗。(4)各年份春小麦和豌豆的产量NTS、TP、NTP比T提高了7.64%~62.79%,水分利用效率比T提高了0.43%~50.88%。因此,在陇中黄土高原旱农区,免耕秸秆覆盖、地膜覆盖等保护性耕作措施均能提高水分利用效率及小麦和豌豆的产量。免耕秸秆覆盖通过降低作物生长后期棵间蒸发量,提高作物生长后期耗水量,降低蒸发与蒸散的比例,从而提高春小麦和豌豆的水分利用效率及产量。而地膜覆盖处理主要是通过减少全生育期棵间蒸发量,增加作物全生育期蒸腾量,降低蒸发与蒸散的比例,从而实现作物水分高效利用,提高作物产量。     

黄土高原旱地土壤质量评价指标研究

基于设置在陇中黄土高原半干旱区的长期定位试验,运用综合评价模型,定量评价了小麦→豌豆双序列轮作系统6种不同耕作方式对土壤质量的影响。结果表明,采用加权综合法和加乘法则对土壤质量进行综合评价,能够较好地反映土壤质量的实际情况,敏感地反映耕作方式对土壤质量的影响。运用逐步判别分析法对6种不同耕作方式[传统耕作(T)、免耕作(NT)、传统耕作秸秆还田(TS)、免耕秸秆覆盖(NTS)、传统耕作地膜覆盖(TP)、免耕地膜覆盖(NTP)]下29项土壤属性指标进行筛选,建立了包括团粒结构、全氮、速效氮、有机质、蔗糖酶活性、作物产量、种植纯收益和产投比8项因子的简化评价指标体系。原始评价指标体系下2种轮作序列土壤质量指数排序均为NTSTSNTPNTTPT;简化评价指标体系下豌豆→小麦轮作序列土壤质量指数排序为NTSTSNTPNTTTP,而小麦→豌豆轮作序列土壤质量指数排序为NTSTSNTNTPTTP。进一步相关分析和方差分析表明,应用逐步判别分析法建立的简化指标体系具有较高的代表性,可适用于黄土高原半干旱区土壤质量评价。     

长期保护性耕作对黄土高原旱地土壤肥力质量的影响

长期定位试验研究了黄土高原西部旱农区传统耕作措施和5种保护性耕作措施对豌豆-小麦(P→W)和小麦-豌豆(W→P)轮作序列的耕层土壤肥力质量的影响。结果表明,与传统耕作(T)处理相比,传统耕作秸秆还田(TS)和免耕秸秆覆盖(NTS)处理有机质含量分别提高11.61%～12.21%和12.13%～16.99%,全氮提高7.29%～8.42%和11.58%～12.95%,全磷提高10.35%～14.63%和13.79%～18.29%,全钾提高7.32%～7.51%和8.78%～9.15%,速效磷提高11.10%～12.41%和16.29%～20.99%,速效钾提高25.11%～43.26%和31.62%～44.22%,pH降低0.11～0.17个单位和0.09～0.16个单位。进一步利用加乘法则和加权综合法两种模型评价不同耕作方式下的土壤肥力质量,结果表明,土壤肥力质量指数排序为NTS处理TS处理NTP处理NT处理T处理TP处理(P→W轮作序列)和NTS处理TS处理NT处理NTP处理TP处理T处理(W→P轮作序列)。在黄土高原雨养农作系统中,实施免耕结合秸秆覆盖,对促进和维持土壤养分平衡,提高土壤肥力质量具有重要意义。     

保护性耕作对黄土高原旱地土壤总磷及组分的影响

为了探明保护性耕作对土壤总磷及磷组分的影响,依托在陇中黄土高原旱地区设立的保护性耕作长期定位试验,采用Tiessen土壤磷素分级法,系统研究了传统耕作(T)和5种保护性耕作方式—免耕(NT)、传统耕作秸秆还田(TS)、免耕秸秆覆盖(NTS)、传统耕作地膜覆盖(TP)、免耕地膜覆盖(NTP)下0—5,5—10,10—30cm土层总磷和各磷组分分布特征。结果表明:(1)较之T处理,5种保护性耕作方式均可提高0—10cm土层总磷含量,尤以NTS处理表现最明显,10—30cm土层NTS、TS处理总磷含量显著高于T处理,而NT、NTP、TP处理显著低于T处理;(2)NTS、NTP、NT处理可不同程度地提高0—10cm土层活性无机磷组分Resin—Pi、NaHCO_3—Pi的含量,尤其以NTS、NTP效果最显著,但10—30cm土层NTP处理2种磷组分分别较T处理低39.2%,13.6%;(3)保护性耕作对NaOH—Pi的影响没有明显规律;(4)D.HCl—Pi、C.HCl—Pi和Residual—P对耕作方式的响应不明显;(5)NTS、TS处理可以显著提高0—30cm土层有机磷组分NaHCO_3—Po、NaOH—Po、C.HCl—Po含量,NTP处理也可以提高NaHCO_3—Po和NaOH—Po含量,但该处理下稳定态的C.HCl—Po较T处理低11.5%;(6)各处理总磷和多数磷组分在土壤剖面呈自上而下逐渐递减分布规律,且在10—30cm土层同种覆盖条件下免耕处理的降幅大于耕作处理,无机磷组分Resin—Pi、NaHCO_3—Pi、NaOH—Pi的降幅明显,而有机磷组分NaHCO_3—Po、NaOH—Po的降幅相对较小;(7)Resin—Pi、NaHCO_3—Pi、NaHCO_3—Po对有效磷和作物产量都具有正向作用且贡献较大,免耕秸秆覆盖方式促进3种磷组分积累的效果最明显,从土壤磷素角度看它是最适合本地区农业可持续发展的保护性耕作方式。     

保护性耕作对麦-豆轮作土壤有机碳全氮及微生物量碳氮的影响

通过设置在甘肃省定西市李家堡镇的保护性耕作措施长期定位试验,共设4个处理（T：传统耕作;NT：免耕无覆盖;TS：传统耕作＋秸秆还田;NTS：免耕＋秸秆覆盖）,采用春小麦豌豆双序列轮作（即小麦→豌豆→小麦和豌豆→小麦→豌豆,本文中所指春小麦地、豌豆地分别指2008年种植春小麦、豌豆的轮作次序）,于2008年3月中旬对春小麦、豌豆双序列轮作下的土壤有机碳、全氮、土壤微生物量碳及土壤微生物量氮含量进行了采样测定。结果表明,经过7a的轮作后,两种轮作次序下,0-30cm土层中土壤有机碳、全氮、土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量均有在免耕＋秸秆覆盖、传统耕作＋秸秆还田处理较免耕不覆盖、传统耕作处理高的趋势,且其含量均随着土壤深度的增加而降低。其中,土壤微生物量碳含量在两种轮作次序下的排序均为：免耕＋秸秆覆盖（NTS）〉传统耕作＋秸秆还田（TS）〉免耕不覆盖（NT）〉传统耕作（T）;而土壤微生物量氮含量在春小麦地和豌豆地的排序则分别表现为：免耕＋秸秆覆盖（NTS）〉传统耕作＋秸秆还田（TS）〉传统耕作（T）〉免耕不覆盖（NT）和免耕＋秸秆覆盖（NTS）〉传统耕作＋秸秆还田（TS）〉免耕不覆盖（NT）〉传统耕作（T）。同时,微生物量碳、微生物量氮与有机碳和全氮均呈显著正相关,说明提高土壤有机质、全氮含量的保护性耕作模式有利于土壤微生物量碳与氮的积累。     

几种保护性耕作措施在黄土高原旱作农田的实践

自2001年起,甘肃农业大学的研究者在甘肃省定西市安定区李家堡镇布设了不同保护性耕作措施下春小麦→豌豆和豌豆→春小麦轮作系统的定位试验,以研究免耕不覆盖(NT)、传统耕作秸秆还田(TS)、免耕秸秆覆盖(NTS)、传统耕作地膜覆盖(TP)和免耕地膜覆盖(NTP)等保护性耕作措施在黄土高原旱作农田生态系统中的效应。本文就近10年依托该试验获取的相关研究结果进行综述,重点阐述特定土壤、气候、农作制度下土壤理化性状、土壤微生物及其酶活性、土壤温室气体排放、作物生理生态等对上述几种保护性耕作措施的响应。初步得到免耕秸秆覆盖措施有助于形成良好的土壤结构、减少土壤侵蚀、改善土壤持水特性、提高土壤养分利用效率、改善土壤微生物区系、增强作物光合效能、增加作物产量等结论,对筛选出当地适宜的耕作模式、改善区域土壤质量、促进农业可持续发展有重要意义。在此基础上,提出目前该项研究存在的问题和今后重点关注的方向:1)保护性耕作土壤碳循环机理;2)覆盖方式的创新;3)温室气体排放测量方法的改进与完善。     

保护性耕作对陇中黄土高原雨养农田土壤物理性状的影响

依托设置于陇中黄土高原雨养农田豆麦双序列轮作系统的保护性耕作长期定位试验,探讨不同耕作措施对土壤物理性状的影响。共设6种耕作措施:T(传统耕作)、NT(免耕不覆盖)、TS(传统耕作+秸秆还田)、NTS(免耕+秸秆覆盖)、TP(传统耕作+地膜覆盖)及NTP(免耕+地膜覆盖)。结果表明:保护性耕作可降低土壤容重,提升土壤总孔隙度,NTS处理可显著降低0-30cm各土层土壤容重,并显著提升0-30cm各土层总孔隙度和表层土壤饱和导水率;保护性耕作可增大0-30cm各土层机械稳定性和水稳性团聚体含量(≥0.25mm)、平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD),NTS效果最好;容重和总孔隙度分别与产量呈极显著负相关、极显著正相关,机械稳定性团聚体的含量、MWD和GMD分别与产量呈极显著正相关、显著正相关、显著正相关;水稳性团聚体的含量、MWD和GMD均与产量呈极显著正相关。说明保护性耕作可以改善土壤结构,进而促进作物增产。     

保护性耕作对黄土旱塬箭筈豌豆地土壤呼吸的影响

[目的]揭示保护性耕作对土壤呼吸的影响,为旱区保护性农业的发展提供理论依据。[方法]采用多通道土壤碳通量系统监测传统耕作(T)、传统耕作+秸秆覆盖(TS)、免耕(NT)和免耕+秸秆覆盖(NTS)下箭筈豌豆(Vicia sativa)地的土壤呼吸速率。[结果]各措施下花期呼吸速率比收获期高10.45%~45.09%,NTS处理下土壤呼吸速率最低别比TS,NT和T处理显著减少39.17%,21.37%和30.25%(p0.01)。耕作处理(T,TS)下日均土壤呼吸速率高于免耕处理(NT,NTS)(p0.05)。晴天土壤呼吸变化呈单峰曲线,最大值出现在14:00。耕作下土壤呼吸速率与气温显著线性相关,免耕下(NT,NTS)与气温呈指数关系(p0.01)。不同耕作措施间气温敏感性Q10值大小依次为:T(1.97)NT(1.62)TS(1.58)NTS(1.52)。[结论]免耕加秸秆还田处理对减少温室气体排放有一定的贡献。     

耕作方式对黄绵土水稳定性团聚体形成的影响

研究了不同耕作方式对黄绵土水稳性团聚体形成的影响。结果表明,>0.25mm土壤水稳定性团聚体含量:免耕+秸秆覆盖(NTS)>免耕(NT)>传统耕作+秸秆还田(TS)>传统耕作(T),团聚体稳定率:免耕+秸秆覆盖(NTS)>免耕(NT)>传统耕作+秸秆还田(TS)>传统耕作(T)。水稳定性团聚体数量以及团聚体的水稳定性均与耕作方式有关。免耕+秸秆覆盖(NTS)、免耕(NT)和传统耕作+秸秆还田(TS)有利于土壤水稳定性团聚体的形成。分析结果同时说明,采用适当耕作方式的同时增加土壤有机质更有利于土壤团聚体的形成和稳定性的增加。     

耕作措施对旱农区农田土壤质量与碳排放的影响

依托2001年布设在陇中旱农区的田间定位试验,于2018年研究了传统耕作(T)、免耕(NT)、传统耕作+秸秆还田(TS)和免耕+秸秆覆盖(NTS)对麦豆轮作体系下豌豆田土壤碳排放、土壤质量的影响.研究结果表明:1)NTS处理可以提高黄绵土土壤质量.NTS处理下土壤物理、化学和生物学质量均最高;2)NT、NTS可以减少黄...     

长期保护性耕作对黄绵土总有机碳和易氧化有机碳动态的影响

长期定位试验研究了黄土高原西部旱农区不同耕作措施(传统耕作T、免耕+秸秆覆盖NTS、免耕NT、传统耕作+秸秆翻埋TS、传统耕作+地膜覆盖TP和免耕+地膜覆盖NTP)对黄绵土土壤总有机碳和易氧化有机碳的影响。结果表明, 土壤有机碳含量随土壤深度的增加而降低, 10~30 cm土层土壤有机碳含量的下降较为明显, 并且在0~5 cm、5~10 cm和10~30 cm土层中, 均表现为由研究初期各处理相对差异较小到试验中后期各处理出现显著差异的变化。不同耕作措施下0~30 cm土壤总有机碳和易氧化有机碳在2002-2012年的平均含量均为NTS>TS>NTP>NT>T>TP。与传统耕作相比, 免耕各处理和传统耕作秸秆翻埋处理可增加1.2%~7.2%的土壤总有机碳, 5.3%~16.6%的土壤易氧化有机碳含量, 而传统耕作覆膜处理分别降低4.3%和2.7%。免耕和秸秆覆盖处理均有利于黄绵土土壤有机碳和易氧化有机碳的积累, 免耕结合秸秆覆盖效果最佳, 而多年传统耕作覆盖地膜后有机碳明显降低。免耕秸秆覆盖处理土壤总有机碳和易氧化有机碳含量平均值在2004年、2006年、2008年、2010年及2012年分别较2002年提高9.5%和42.9%、13.2%和67.6%、21.5%和71.5%、1.1%和15.9%、2.7%和12.6%。因此, 在西部黄土高原黄绵土区, 采用免耕结合秸秆覆盖的保护性耕作措施有利于土壤总有机碳和易氧化有机碳含量的提高, 从而有利于土壤质量的持续改善。易氧化有机碳对不同耕作措施的响应比总有机碳更灵敏, 可以将其作为指示黄绵土有机碳变化的早期指标。     

基于LSTM神经网络模拟的陇中黄土高原沟壑区保护性耕作下土壤贮水量变化

为分析陇中黄土高原沟壑区不同保护性耕作措施的贮水效果,本研究利用春小麦/豌豆（W/P）、豌豆/春小麦（P/W）轮作的长期定位试验,分别设置传统耕作（T）、免耕（NT）、传统耕作秸秆覆盖（TS）和免耕覆盖（NTS）4种耕作措施,以当地月平均气温、月降水量、月平均辐射量、月平均蒸发量、月作物耗水量为输入因子,以月土壤贮水量为输出,建立基于长短期记忆（Long Short-Term Memory,LSTM）神经网络的土壤贮水量预测模型,并对该模型的有效性进行评估。研究结果表明：1）基于LSTM神经网络建立的土壤贮水量模型对陇中黄土高原沟壑区保护性耕作下土壤贮水量预测具有较好的适用性,模型模拟结果的平均均方根误差为7.76 mm,平均绝对误差为6.95 mm,相对误差控制在-5%~+5%的范围内。2） P/W轮作序列中各处理的土壤贮水量均比W/P轮作序列增加1.09%~1.43%。3）不同轮作序列,NTS处理的贮水效果均优于其他3种耕作措施,在W/P轮作序列中,NTS处理的年均土壤贮水量比T、NT和TS分别增加2.89%、1.70%和2.46%;在P/W轮作序列中,NTS处理的年均土壤贮水量比T、NT和TS分别增加3.03%、1.91%和2.57%。4）不同降水年型,NTS处理的土壤贮水量最高,且干旱年效果更加显著,其中丰水年NTS处理的土壤贮水量比T、NT和TS平均增加2.71%、1.48%和2.19%,而干旱年平均增加3.97%、2.54%和3.64%。5）保护性耕作措施的贮水效果随季节发生变化,作物生长前期（3-5月）保护性耕作措施的贮水优势较为明显,进入作物生长旺盛期（5-6月）保护性耕作措施与传统耕作的贮水效果差异不显著,而作物生长后期（7月）保护性耕作措施较传统耕作土壤贮水量明显增加。基于LSTM神经网络模拟环境下免耕覆盖的贮水保墒效果最好,为陇中黄土高原沟壑区最适宜的保护性耕作措施。     

陇中黄土高原不同耕作措施下土壤磷动态研究

依托陇中黄土高原旱作农田已实施13 a的保护性耕作试验,研究传统耕作、免耕、传统耕作秸秆还田、免耕秸秆覆盖、传统耕作地膜覆盖和免耕地膜覆盖6种耕作措施下土壤全磷及磷组分动态变化特征。结果表明:试验期各处理土壤全磷和总无机磷均逐年增长;两个秸秆还田处理总有机磷逐年增长,免耕地膜覆盖和免耕处理总体增长,传统耕作和传统耕作地膜覆盖处理相对稳定;各无机磷组分均总体增长,其中氢氧化钠提取态无机磷、水溶态无机磷和碳酸氢钠提取态无机磷涨幅较大,平均涨幅分别为253.6%、128.6%和66.9%;保护性耕作可不同程度地提高水溶态无机磷、碳酸氢钠提取态无机磷和氢氧化钠提取态无机磷含量,相同覆盖条件下免耕较传统耕作效果明显,尤其免耕秸秆覆盖处理最明显;耕作方式对浓盐酸提取态无机磷和残留磷的影响不明显;保护性耕作可提高碳酸氢钠提取态有机磷和氢氧化钠提取态有机磷含量,两个秸秆还田处理最明显,两处理也可提高浓盐酸提取态有机磷含量,但免耕、传统耕作地膜覆盖和免耕地膜覆盖处理下该组分含量降低。综上,采取保护性耕作可适当减少磷肥用量,保护性耕作尤其是免耕秸秆覆盖方式值得在该区推广。     

耕作措施对温带半干旱地区土壤温室气体(CO2、CH4、N2O)通量的影响

通过设置在甘肃省定西市李家堡镇的不同耕作措施试验, 利用CO₂分析仪、静态箱-气相色谱法对双序列轮作次序下春小麦地、豌豆地生育期内CO₂、CH₄和N₂O通量进行了测定。试验结果表明: 4种耕作措施下春小麦地和豌豆地在生育期内均表现为CO₂源、N₂O源和CH₄汇的功能。传统耕作不覆盖、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和传统耕作结合秸秆还田下, 春小麦生育期内平均土壤CO₂通量(μmol·m^-2·s^-1)分别为0.203 6、0.221 2、0.241 8、0.224 9, CH₄通量(mg·m^-2·h^-1)分别为-0.041 6、-0.078 0、-0.081 8、-0.053 7, N₂O通量(mg·m^-2·h^-1)分别为0.089 1、0.069 2、0.046 1、0.065 6; 豌豆生育期内平均土壤CO₂通量(μmol·m^-2·s^-1)分别为0.273 6、0.261 6、0.218 1、0.236 0, CH₄通量(mg·m^-2·h^-1)分别为-0.055 0、-0.073 7、-0.066 2、-0.054 5, N₂O通量(mg·m^-2·h^-1)分别为0.123 4、0.084 7、0.080 6、0.035 0。少免耕及小麦秸秆覆盖有利于减少土壤CO₂排放通量, 免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖及传统耕作结合秸秆还田均能不同程度地增加CH₄吸收通量、减少N₂O排放通量。综合来看, 免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和传统耕作结合秸秆还田3种保护性耕作措施有助于减少土壤温室气体的排放量。春小麦地CO₂通量随着土壤温度、土壤含水量的逐渐升高而增大; CH₄吸收通量随着土壤含水量的逐渐升高而增大, 而随着土壤温度的逐渐升高而减小。豌豆地CO₂通量的变化与土壤含水量存在极显著正相关关系; 而春小麦地N₂O通量则与平均土壤温度呈显著正相关, 豌豆地则为极显著正相关。     

不同耕作措施下豆麦双序列轮作农田温室气体的排放特征及其增温潜势

基于甘肃农业大学在定西市李家堡镇开展的保护性耕作长期定位试验,采用CO2分析仪、静态箱-气相色谱法对2011年度不同耕作措施下豆麦双序列轮作农田土壤CO2和N2O的排放通量进行全年连续观测。结果表明:测定期内不同耕作措施下豆麦双序列轮作农田土壤均表现为CO2源和N2O源;免耕不覆盖有利于降低两个序列土壤的CO2排放通量,免耕秸秆覆盖、免耕不覆盖和传统耕作+秸秆还田三种保护性耕作处理不同程度的减少了两个序列土壤的N2O排放通量;两个序列下CO2的相对增温潜势最大,W→P→W序列传统耕作+秸秆还田处理对温室效应贡献最多,相反免耕不覆盖处理能相对减少温室气体排放量,从而降低温室效应;P→W→P序列传统耕作不覆盖处理对温室效应的贡献最大,传统耕作+秸秆还田处理对温室效应贡献最小,对温室气体有减排效应。     

耕作方式对耕层土壤结构性能及有机碳含量的影响

为了寻求能够提高土壤结构稳定性的耕作模式,在陇中黄土高原半干旱区连续7年的定位试验研究基础上,采用常规分析方法(湿筛法、重铬酸钾容量法、环刀法),研究了不同耕作方式对耕层土壤结构性能及有机碳含量的影响.结果表明:与传统耕作(T)相比,免耕无覆盖(NT)、传统耕作+秸秆还田(TS)和免耕+秸秆覆盖(NTS)3种保护性耕作方式均能不同程度地增加耕层土壤的有机碳和不同粒径水稳性团聚体的含量,其中免耕+秸秆覆盖(NTS)处理效果最佳.在0～10 cm土层中,NTS处理的土壤容重低、孔隙度大,土壤结构得到了较大改善.不同耕作方式下0～5 cm、5～10 cm和10～30 cm土层粒径1～0.5 mm水稳性团聚体的含量最高,粒径>0.25 mm水稳性团聚体含量与有机碳含量和孔隙度呈显著正相关,与容重呈显著负相关.     

保护性耕作对地表径流及土壤侵蚀的影响

采用人工模拟降雨方法对陇中黄土高原连续实施5a的4种耕作措施：传统耕作（T），传统耕作结合秸秆还田（TS），免耕（NT），免耕加秸秆覆盖（NTS）下豌豆地收获后的径流起始时间、径流量、土壤侵蚀量进行了研究。结果表明，在降雨强度为85mm／h的条件下，NTS可以延缓径流，减小径流强度。与NT，TS，T这3种处理比较，NTS的径流量分别降低了2．4％，12．1％，34．7％。入渗量分别增加了2．7％，13．6％，38．6％。径流出现时间分别延迟1．17，0．83，3．83min。土壤侵蚀量减少了0．3％，17．7％，62．4％。可见，免耕秸秆覆盖的水土保持效应最为明显，传统耕作的方式极易发生土壤侵蚀。