陇中黄土高原不同草田轮作模式土壤碳组分的差异研究

通过田间定位试验,研究黄土高原西部旱农区多年生苜蓿草地(L-L)及苜蓿耕翻轮作处理苜蓿-休闲(L-F)、苜蓿-小麦(L-W)、苜蓿-玉米(L-C)、苜蓿-马铃薯(L-P)、苜蓿-谷子(L-M)对土壤总有机碳(TOC)、易氧化有机碳(ROC)、轻组有机碳(LFOC)及重组有机碳(HFOC)的影响。结果表明,在0200 cm土层,不同轮作模式下土壤总有机碳含量及土壤各有机碳组分均表现为随土层加深呈波动下降趋势,其中TOC、ROC、HFOC含量最高值和最低值分别出现在苜蓿连作表层(05 cm) 和苜蓿轮作(小麦)中层(3050 cm) ,LFOC最高值和最低值分别出现在苜蓿轮作(马铃薯)表层(05 cm)和苜蓿轮作(玉米)底层(170200 cm)。与苜蓿连作模式相比,苜蓿轮作(小麦、玉米、马铃薯、谷子)会降低TOC、ROC、HFOC含量,增加LFOC含量,其中TOC含量分别降低17.44%,9.25%,18.40%和9.34%;ROC含量分别降低28.10%,8.52%,29.75%和23.17%;HFOC含量分别降低18.80%,10.06%,20.53%和12.50%;LFOC分别增加7.41%,5.56%,22.22%和57.41%。可见,苜蓿种植多年耕翻轮作粮食作物后降低了土壤总有机碳水平,且对有机碳各组分的影响存在显著差异。     

陇中坡地不同退耕模式对土壤团粒结构分形特征的影响

运用分形模型,研究陇中坡耕地及其退耕改种成苜蓿、侧柏、柠条、红柳、杏树后土壤团粒结构分形维数,并对分形维数与土壤理化性质之间的关系进行拟合。结果表明:各模式团粒结构分形维数介于2.014～2.153之间,且与>0.25mm粒径的团粒结构含量间呈极显著线性相关。退耕后,红柳、侧柏地>0.25mm的土壤团粒结构含量较其他模式显著增加,各类退耕地的土壤自然含水量、有机质、全氮含量明显高于坡耕地,但土壤团粒结构分形维数与有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾含量相关性不强。     

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。     

培肥措施对旱地农田产量可持续性及土壤有机碳库稳定性的影响

阐明黄土高原旱作雨养农业区长期不同培肥措施下产量可持续性和有机碳库稳定性对经济和环境友好兼顾的培肥模式筛选具有重要意义。基于2012年设置在陇中黄土高原旱作区的玉米农田长期定位试验,对比了不施肥(CK)、氮肥(NF)、有机肥(OM)、秸秆(ST)、有机肥结合无机肥(OMNF)处理下产量稳定性、可持续性和土壤有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳、矿质结合态有机碳及碳库稳定性。研究结果表明:1)不同培肥措施下2014-2018年平均产量和水分利用效率具有显著差异(P<0.05),OMNF处理具有最高的平均产量、水分利用效率,分别比CK增加了42.75%、108.73%,同时OMNF处理产量稳定性(0.34)和可持续性指数(0.43)最佳,具有高的增产潜力。2)不同培肥处理均能显著提高不同层次有机碳含量(P<0.05),0~30 cm土层有机碳提高幅度为6.80%~18.81%,ST、OM、OMNF等有机物料添加处理均能显著提高各土层土壤游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳和矿质结合态有机碳(P<0.05),0~30 cm土层提高幅度分别为5.24%~57.05%、4.31%~20.69%、4.72%~25.17%、6.58%~7.95%。不同培肥处理土壤有机碳、游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳、颗粒态有机碳的含量均随土层加深而降低,而矿质结合态有机碳含量则随土层加深而增加。3)不同培肥模式下土壤有机碳组分均以矿质结合态有机碳为优势组分(55.60%~67.51%),颗粒有机碳以闭蓄态颗粒有机碳为主要组分(19.14%~22.50%)。在0~10 cm各土层,OMNF、NF处理土壤碳库稳定性较高,ST、OM、OMNF处理能促进土壤碳库活性,其他土层变化规律不一致;随土层加深,ST、OM、OMNF处理的碳库稳定性提高。综合来看,OMNF措施可以增加作物产量,提升土壤活力,促进土壤固碳,是该区域玉米种植经济和环境友好兼顾的较好农业生产模式。     

不同耕作条件下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响因素研究

为了研究耕作措施对双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响, 采用CO₂分析仪、静态箱 气相色谱法在陇中黄土高原半干旱区对传统耕作不覆盖、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和传统耕作+秸秆还田4种耕作措施下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体(CO₂、N₂O和CH₄)的排放及影响因素进行了连续测定和分析。结果表明: 测定期内4种耕作措施下农田土壤均表现为CO₂源、N₂O源和CH₄净吸收汇; 除传统耕作不覆盖措施, 其他3种耕作措施不同程度地减少了2种轮作序列土壤的N₂O排放通量, 并显著增加了土壤对CH4的吸收。CO₂和N₂O的排放通量分别与地表、地下5 cm处、地下10 cm处的土壤温度呈极显著和显著正相关关系, 相关系数分别为0.92^**和0.89^**、0.95^**和0.91^**、0.77^*和0.62^*; 而CH₄吸收通量与不同地层的温度之间无明显的相关关系; CO₂和CH₄的通量与0~5 cm、5~10 cm的土壤含水量均呈显著正相关关系, 相关系数分别为0.69^*和0.72^*、0.77^*和0.64^*, 而与10~30 cm土壤含水量无明显相关关系; N₂O排放通量与各层次的土壤含水量之间均呈不显著负相关关系。对2种轮作序列各处理下土壤中排放的3种温室气体的增温潜势计算综合得出: 4种耕作措施中, 免耕不覆盖处理可相对减少土壤温室气体的排放量, 进而降低温室效应。     

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。     

施磷对陇中黄土高原春小麦耕层土壤磷组分及有效性的影响

利用2017年设置在定西市李家堡镇麻子川村的长期定位施肥试验,设置4个施磷水平:P1(0 kg·hm~(-2))、P2(75 kg·hm~(-2))、P3(115 kg·hm~(-2))、P4(190 kg·hm~(-2)),测定收获后耕层土壤(0～20 cm)无机磷组分(Ca_2-P、Ca_8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca_(10)-P)、有机磷组分(LOP、MLOP、MROP、HROP)。研究结果表明:土壤磷组分含量变化顺序为Ca_(10)-P Ca_8-P MLOP O-P HROP Fe-P Al-P Ca_2-P MROP LOP。随着施磷量的增加,Ca_2-P、Ca_8-P、O-P、LOP、MLOP、MROP、HROP、有效磷、全磷含量增加,增幅为8.41%～56.95%;Al-P、Fe-P、Ca_(10)-P含量先增加后降低,最大值分别为43.45(P2)、37.64(P2)、341.63(P3)mg·kg~(-1),最小值分别为28.63、33.06、321.96 mg·kg~(-1)。随着施磷量的增加,Ca_2-P、Ca_8-P和MLOP占比增加,增幅分别为28.00%、24.46%、6.37%;Al-P、LOP先分别增加至6.00%(P2)、2.67%(P2)后减小至4.31%(P4)、2.11%(P4);Fe-P、Ca_(10)-P、MROP、HROP减小,减幅分别为5.75%、12.64%、21.37%、6.75%;O-P由9.17%(P1)先减小至8.08%(P3)之后增加至8.80%(P4);PAC(磷活化系数)增加,增幅最大为26.40%(P4);无机磷占全磷的相对含量和无机磷与有机磷之比先增大后减小,分别由增幅的80.41%、4.10%减小至76.32%、3.21%,有机磷占全磷的相对含量先减小至19.59%后增加至23.75%。土壤磷形态对有效磷的直接影响大小顺序为:Ca_8-PCa_2-PMLOPLOPHROPMROPFe-PAl-PO-PCa_(10)-P。相关分析和逐步回归结果表明,Ca_2-P是陇中黄土高原春小麦农田土壤有效磷的最主要磷源,长期施磷肥主要通过提高可供作物直接利用的Ca_2-P、LOP和具有缓效作用的Ca_8-P、Al-P、MLOP比例,降低土壤中难溶性Fe-P、O-P、Ca_(10)-P、MROP、HROP的比例从而增加有效磷的含量,进而提升了土壤潜在供磷能力。     

黄土高原长期保护性耕作对麦-豆轮作土壤有机碳组分的影响

通过设置在陇中黄土高原半干旱区的豌豆-小麦-豌豆(W-P-W)和小麦-豌豆-小麦(P-W-P)轮作系统的长期定位试验,探讨了土壤有机碳及活性有机碳组分对不同耕作措施的响应.结果表明:保护性耕作的3个处理均能不同程度地提高两种轮作次序下土壤SOC、ROC和MBC的含量,其中免耕和秸秆覆盖结合处理效果最佳.同时,各处理土层的含碳量均随土壤深度的增加而降低.与免耕处理相比,免耕秸秆覆盖(NTS)、免耕不覆盖(NT)和传统耕作秸秆还田(TS)处理能够显著增加表层(0~30cm)土壤有机碳的含量,但降低了深层(30~80cm)土壤有机碳的含量,说明与传统耕作相比,3种保护性耕作有利于表层土壤有机碳的积累,而不利于深层土壤有机碳的积累.     

不同微生物菌剂处理对哈密瓜品质及 土壤养分和酶活性的影响

针对哈密瓜长期连作引起的产量低、品质差问题,研究微生物菌剂对土壤肥力和哈密瓜品质的影响。试验以哈密瓜为研究对象,对连续种植3年哈密瓜土壤设置对照、12#菌剂、D74菌剂、1#菌剂、12#和D74菌剂混合菌剂共5种施肥处理,对比不同处理的哈密瓜品质、土壤养分特征和酶活性的变化,并对哈密瓜品质、土壤养分和酶活性相关性进行分析。结果表明,施用微生物菌剂后,哈密瓜糖度、维生素C含量、单瓜重均显著高于对照,果实硬度、总酸度显著低于对照。施微生物菌剂处理的土壤,在开花期、果实膨大期、成熟期3个生长时期土壤有机质、全氮、有效磷含量显著高于对照,速效钾变化不显著,土壤酶活性显著高于对照。哈密瓜品质和土壤有机质、养分及酶活性相关性分析表明,单瓜重、糖度、维生素C含量与土壤有机质、养分指标和脲酶等酶活性指标均呈显著正相关,哈密瓜硬度和总酸度与土壤养分和酶活性呈显著负相关。4种微生物菌剂处理中,12#和D74混合菌剂对土壤酶活性和养分含量影响大于其他处理,混合菌剂对改善本试验土壤环境效果较好,显著提高了哈密瓜的产量和品质。     

榆中县土地利用的景观格局分析

利用SPOT遥感影像得到的榆中县土地数据,应用景观生态学原理和方法,分析了榆中县土地利用的景观格局。结果表明：榆中县20个乡（镇）土地利用的多样化指数相差较大,其中以兰州市区附近乡镇的多样化指数较大,即土地类型较多;土地利用形状指数小,乡（镇）之间相差较大;各乡镇之间分维数差异不明显。土地利用集中化程度和土地利用类型数量组合数据显示,榆中县土地利用类型以未利用地和耕地为主。