华北平原缺水区保护性耕作技术

针对华北平原缺水地区农田生产效益偏低和地下水严重超采导致的生态环境问题,以建立节水、高产、固碳的华北平原缺水区保护性耕作集成技术为目标,在国家科技支撑计划长期支持下,建立了华北平原历时最长的保护性耕作长期定位试验平台(2001年—),开展了小麦/玉米两熟制保护性耕作理论和关键技术研究,集成了农机农艺结合的高产节水型保护性耕作技术体系,并在河北省进行广泛示范推广。主要结果:1)华北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区保护性耕作具有固碳、减排、节水、提高土壤质量等生态效应。长期保护性耕作具有土壤养分分层表聚现象:0~5 cm土层的土壤C、N、P、K、有机质含量高于5~10 cm土层,旋耕(RT)和免耕(NT1:秸秆直立免耕;NT2:秸秆粉碎免耕;NT3:整秸秆覆盖免耕)处理土壤有机碳(SOC)的层化比率为1.74~2.04,显著高于翻耕处理(CK和CT)的1.37~1.45。保护性耕作的固碳效应与机制:保护性耕作实施9年后不同耕作方式年固碳量(0~30 cm)NT2处理为840 kg·hm~(-2)·a~(-1)、RT处理为780 kg·hm~(-2)·a~(-1)、CT处理为600kg·hm~(-2)·a~(-1),14年后土壤有机碳(0~30 cm)发生了变化,NT2处理为540 kg·hm~(-2)·a~(-1)、RT处理为720 kg·hm~(-2)·a~(-1)、CT处理为710 kg·hm~(-2)·a~(-1);长期免耕减少了土壤的扰动而降低了土壤碳的矿化率,土壤碳的累积主要固定在土壤大团聚体的颗粒有机碳中,固定态碳首先进入活性易分解有机碳库,然后缓慢转入稳定碳库。保护性耕作的减排效应:不同耕作系统全球增温潜力的计算结果表明,免耕是大气增温的碳汇,而其他耕作系统为碳源。NT处理每年农田生态系统净截留碳947~1 070 kg(C)·hm-2;CK、CT和RT每年向大气分别排放等当量碳3 364kg(C)·hm-2、989 kg(C)·hm-2和343 kg(C)·hm-2。保护性耕作的土壤微生物多样性机制:保护性耕作显著提高了土壤中真菌、细菌、氨氧化古菌和亚硝酸还原酶(nir K)基因的反硝化微生物的多样性,但对氨氧化细菌与含nir S基因的反硝化微生物的多样性影响不大。保护性耕作节水保墒的土壤结构与水力学机制:常规耕作对土壤有压实的作用,而保护性耕作改善了土壤结构,有效提高了储水孔隙、导水率、田间持水量和有效水含量,秸秆覆盖又能有效减少土壤蒸发,具有开源与节流双重节水机制。2)建立了趋零蒸发的麦田玉米整秸覆盖全免耕种植模式。在小麦/玉米一年两熟种植区,首次提出了玉米整秸秆覆盖小麦全免耕播种的种植模式,实现了小麦玉米全程全量秸秆机械化覆盖,形成土壤无效蒸发趋于零的保护性耕作体系与方法;研制了实现趋零蒸发的4JS-2型梳压机和2BMF-6型小麦全免耕播种机组,比目前推广的2BMFS-6/12小麦免耕播种机减少作业动力45.2%,降低作业费用33.3%。3)建立了3年一深松(翻)的少免耕-深松轮耕模式,集成了节水高产保护性耕作技术体系。制定了华北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区保护性耕作技术体系等河北省地方标准,与农业、农机部门联合示范,推动了河北省保护性耕作技术的推广和应用。成果在河北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区进行了示范推广,社会效益和生态效益显著,2013年获河北省科技进步一等奖。     

长期添加外源有机物料对华北平原不同粒级土壤氮素和氨基糖的影响

华北平原是我国主要的粮食生产基地之一,农民为了追求高产,过量施用化肥的弊端日益凸显。本研究依托中国科学院栾城农业生态系统试验站有机养分循环再利用长期定位试验,开展不同外源有机物料对土壤氮素和氨基糖在不同粒级土壤库中分布的影响研究,为阐释不同农业管理措施下土壤氮素的物理保护机制和生物保护机制提供依据。定位试验设6个处理：无肥无秸秆处理（对照,CK）、单施猪圈肥（M）、单施化肥（NPK）、单施秸秆（SCK）、化肥配施猪圈肥（MNPK）和化肥配施秸秆（SNPK）。通过超声波分散-离心分离得到3种粒径土壤——砂粒级（2 000~53 μm）、粉粒级（53~2 μm）和黏粒级（<2 μm）,分析全土及各粒级土壤中全氮和3种土壤氨基糖（氨基葡萄糖、胞壁酸和氨基半乳糖）的含量及变化;基于这3种土壤氨基糖的稳定性和异源性,以氨基糖作为微生物残留物标识物,了解真菌和细菌残留物的积累和转化,阐释真菌和细菌在养分转化中的作用。结果表明：添加有机物料（秸秆、猪圈肥）明显提升了土壤全氮和氨基糖含量,粒级间土壤氮素和氨基糖含量顺序均为黏粒级>砂粒级>粉粒级。添加有机物料对砂粒级土壤氮素影响最大,长期化肥配施猪圈肥中氮素主要在砂粒级中富集,长期化肥配施秸秆的氮素主要在黏粒级中富集。添加秸秆主要提高了真菌来源的氨基葡萄糖的含量,而添加猪圈肥主要提高了土壤中细菌来源的胞壁酸含量,表明添加不同有机物料可影响土壤微生物的群落结构。从各粒级中氨基葡萄糖/胞壁酸的比值来看,添加不同类型外源有机物料对砂粒级土壤微生物群落结构影响最为明显。由此可见,在长期秸秆还田措施下实施有机粪肥部分替代化肥不仅可以减少化肥用量,还可提升土壤养分含量和微生物多样性,改善土壤质量。     

土壤质量诊断与评价理化指征及其应用

介绍了澳大利亚科工组织建立的流域健康诊断指征体系的指征选择原则、13项诊断指征、指征评 价方法与评价过程。并以此方法筛选和评价出太行山前平原农田土壤质量诊断的理化指征,提出了以经验性指征、形态学与物理学指征和化学指征综合评价该区土壤质量的指征体系。     

栾城县种植业结构演替的功能效应分析

分析了河北省栾城县4O年种植业结构演替特征及其功能效应,结果表明, 产量为主目标的结构演替能较充分发挥光、热生产潜力,但环境压力相应增加,营养平衡不协调及结构稳定性下降等。改善种植业系统的持久度,应开拓新的生态位,加强第一性生产力的多级转化利用,并以资源高效利用为目标进行结构调整。     

喷灌条件下不同灌水处理冬小麦的叶水势特征

在喷灌区一季冬小麦的试验表明,冬小麦叶水势值在各生育期每天的1400左右发生明显变化;从生育期看,返青期叶水势低谷值出现较晚,持续时间短且恢复较快;孕穗和开花期低谷出现有提前和持续时间延长趋势;叶水势不完全随生育进程与土壤水分同步变化,原因为同一时期内土壤水分是造成叶水势差异的主导因素,但同时外界条件的变化也对叶水势的变化有一定的影响作用。前期叶水势在黎明前和中午都与浅层土壤水分关系密切;到开花和灌浆期叶水势则变为只在中午与浅层土壤水分关系密切,黎明前更多依赖深层土壤水分状况,表现为与深层土壤水分关系密切。喷灌条件下,当返青后灌水量超过150mm时,灌水量对叶水势的影响减小。     

太行山山前平原冬小麦和夏玉米灌溉指标研究

根据1998～2001年的田间试验,研究了太行山山前平原高产农区主要作物冬小麦和夏玉米耗水量与产量和水分利用效率的关系,确定了这两种作物不同生育期水分敏感指数和允许的土壤水分下限指标和有限供水条件下的优化供水制度。并通过对叶片水势和冠气温差的测定,建立了这两种指标与作物水分亏缺程度的关系,形成指导农田灌溉的土壤指标、冠气温差指标和叶片水势指标体系     

太行山前平原农田生态系统氮素循环与平衡研究

在中国科学院栾城生态农业试验站1公顷小麦玉米轮作农田,运用乙炔抑制原状土柱培育法、微气象学法和陶土头多孔杯水量平衡法分别定量测定了氮素硝化反硝化损失、氨挥发、NO3--N淋溶损失等氮素循环转化途径。研究结果表明,每年因氨挥发而造成的肥料氮损失量为N.60.kg/hm2,占施入肥料氮的15%;NO3--N淋溶损失量为N.68～4.kg/hm2,占肥料施用量的1.4%2～0.3%;每年因硝化反硝化过程造成的肥料损失量为N.2.021～0.49.kg/hm2,占肥料施入量的0.51%1～.37%。氨挥发、NO3--N淋溶和硝化反硝化损失主要发生在施肥灌溉/降雨之后,玉米季肥料损失明显高于小麦生长季节。氨挥发和NO3--N淋溶损失是本区域农田氮素损失的主要途径,是氮肥利用率低的重要原因。在当地农民所采用的常规农业管理措施下,小麦玉米轮作农田氮素平衡处于盈余状态,小麦季盈余N+115.5～+124.5.kg/hm2,明显高于玉米季;由于玉米季氮素损失严重,氮素盈余较少,甚至出现亏缺,玉米季氮素平衡状况为-54.6～+14.3.kg/hm2。     

施氮水平对太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作体系土壤温室气体通量的影响

应用静态明箱-气相色谱法对4 个施氮肥水平N0 [0 kg(N)·hm^-2]、N200 [200 kg(N)·hm^-2]、N400 [400kg(N)·hm^-2]、N600 [600 kg(N)·hm^-2]的夏玉米-冬小麦季轮作体系2008~2010 年的土壤温室气体(CH₄、CO₂ 和N₂O)排放通量进行研究, 同时观测5 cm 土层土壤温度并记录降水量。结果表明: 太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统为CH₄ 吸收汇, CO₂ 和N₂O 排放源。随着氮肥施入量的增加土壤对CH₄ 的吸收速率降低, 而CO₂ 和N₂O 的排放速率增加。冬小麦季施氮处理土壤对CH₄ 的吸收速率显著低于无氮肥的N0 处理, 而N600处理土壤CO₂ 和N₂O 排放速率显著高于N0 处理(P<0.05)。施肥和灌溉会直接导致土壤CO₂ 和N₂O 的排放通量增加, 同时土壤对CH₄ 的吸收峰值减小。土壤温度升高和降水量增加以及干湿交替加剧均会造成N₂O 和CO₂排放速率增加。同时在持续干燥和低温条件的冬季不施氮处理观测到土壤对N₂O 的吸收现象。N0、N200、N400 和N600 处理土壤CH₄ 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为-1.42、-0.75、-0.82、-0.92(2008~2009 年)和-2.60、-1.47、-1.35、-1.76(2009~2010 年), N0、N200、N400 和N600 处理土壤CO₂ 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为15 597.6、19 345.6、21 455.9、29 012.5(2008~2009 年)和10 317.7、11 474.0、13 983.5、20 639.3(2009~2010年), N0、N200、N400 和N600 处理土壤N₂O 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为1.05、2.16、5.27、6.98(2008~2009年)和1.49、2.31、4.42、5.81(2009~2010 年)。     

华北山前平原农田土壤肥力演变与养分管理对策

通过对2000 年、2008 年栾城县农田土壤养分与1979 年土壤普查资料的比较, 分析了养分肥力指标的变化程度, 研究了30 年间该县农田土壤养分演变趋势及其原因, 提出了养分资源管理的相应对策。研究结果表明, 2008 年土壤肥力状况较2000 年和1979 年发生了明显变化, 土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均有显著提高(P<0.01), 碱解氮含量增加尤为显著。土壤碱解氮平均含量由1979 年的56.7 mg·kg^-1 增加到2000 年的80.0 mg·kg^-1 和2008 年的109.1 mg·kg^-1, 1979~2000 年间土壤碱解氮以每年1.1 mg·kg^-1 的平均速度增长, 年均增长率1.9%, 增幅41.1%; 进入21 世纪后, 增长速度明显加快, 2000~2008 年间以每年3.6 mg·kg^-1的平均速度增长, 年均增长率4.5%, 增幅为36.4%。土壤有机质由1979 年的11.6 g·kg^-1 增加到2008 年的18.8g·kg^-1, 平均每年以0.24 g·kg^-1 的速度增长, 年均增长率为2.1%, 增幅为62.1%。30 年间土壤有效磷含量由17.5mg·kg^-1 增加到24.7 mg·kg^-1, 增加幅度为41.1%。由于受到"北方石灰性土壤不缺钾"的观点影响, 20 世纪该区域农民很少施用钾肥, 1979~2000 年间土壤速效钾含量呈下降趋势, 由140.6 mg·kg^-1 下降到111.4 mg·kg^-1, 下降幅度20.8%; 进入21 世纪, 由于秸秆还田措施的实施和含钾肥料的施用, 至2008 年全县土壤速效钾平均含量又回升到149.5 mg·kg^-1。栾城县农田土壤肥力水平较高, 生产潜力大, 该区域农田养分管理应以氮素的精确管理为核心, 以实现作物持续高产稳产与环境保护相协调为目标, 氮肥管理推行实时诊断与推荐施肥技术,磷钾肥实施恒量监控储备施用技术, 推广秸秆直接还田, 实行有机无机相结合的培肥措施。