农田生态系统服务及其价值的研究进展

农田生态系统在人类控制下已逐渐演变成了提供农产品的集约化生产系统。尽管与自然生态系统相比, 农田生态系统服务功能有所下降, 但其在提供农产品的同时还在向人类提供大量的生态服务。近年来, 生态系统服务稀缺性变得越来越突出, 农田生态系统的多功能性受到了空前的重视。本文首先明确了农田生物多样性是农田提供多种生态系统服务的基础, 然后回顾了2000年以来国内外农田生态系统服务及其价值化领域取得的主要研究进展, 包括对农田产品供给、碳汇、土壤保持和养分循环、水调节等功能的评价以及对农田生态系统服务及其价值化的综合研究。与此同时, 我们也应该注意到农业生产还对人类社会和自然环境产生了各种消极影响, 认识到权衡农田生态系统在农业生产中的各项利弊的重要性。通过对比不同农业生产模式对农田生态系统服务供给的影响, 提出未来发展多功能农业将是实现农田对人类福祉最大化的重要方向。最后, 文章指出我国发展多功能农业的主要措施是: (1)确保18亿亩耕地在空间上的存在; (2)与森林、草地、湿地、水域等其他自然生态系统在空间上合理配置; (3)在农业区域充分发展以观光休闲功能为主的休闲农业, 实现农田生态系统社会文化价值; (4)逐步实施农业生态补偿。     

有机肥施用年限对土壤有机碳组分及其来源与玉米产量的影响

松嫩平原西部土壤盐渍化现象普遍,严重制约着农业的发展。施用有机肥能够提高土壤有机碳的含量,这是改良盐碱土的核心。该研究依托盐碱土改良长期定位试验,依据施用有机肥的年限,共设置4个处理,分别为:施用有机肥5a、9a和16a的处理,以未施肥的盐碱土壤作为对照处理。试验通过对土壤δ13C值、土壤有机碳组分、玉米产量、土壤pH和电导率等多项指标的测定,量化玉米源及有机肥源有机碳对土壤总有机碳的贡献,明确各有机碳组分的分配比例,探讨长期施用有机肥对盐碱土壤有机碳来源、组分、玉米产量及盐碱程度的影响。结果表明:长期施用有机肥与种植玉米的方式显著增加盐碱土壤的δ13CSOC值(P0.01),且δ13CSOC值随培肥年限的增加而增加;同时以植物及土壤的δ13CSOC值为基础,借助二元方程计算得出盐碱土壤有机培肥9a后土壤有机碳中来源于玉米残茬的比例为14.36%,来源于有机肥的比例为25.92%,盐碱土壤原有有机碳所占的比例为59.72%;长期施用有机肥显著增加玉米产量,降低土壤pH和电导率,并且随有机肥施用年限的增加玉米产量提高,土壤pH和电导率呈下降趋势;长期施用有机肥显著增加有机碳各组分的碳密度,0～40 cm土层的活性I、活性II和惰性有机碳的密度,随有机肥施用年限的增加均呈现出递增的变化趋势;土壤有机碳总量的增加来自于各组分含量的增加,0～40 cm土层有机碳含量的增加主要源于惰性和活性II有机碳,其次是活性I有机碳。综上所述,有机培肥是土壤有机碳及玉米产量提升的双赢措施,且有机肥源有机碳对有机碳的贡献大于玉米源碳的输入。长期有机培肥可以丰富植物的直接碳源,亦可促进碳素的长期固存,增强盐碱土的碳汇功能。     

耕作方式对华北农田土壤固碳效应的影响

研究不同耕作方式对华北农田土壤固碳及碳库管理指数的影响,可为探寻有利于农田固碳的耕作方式提供科学依据。该研究在中国农业大学吴桥实验站进行,试验于2008年设置了免耕秸秆不还田(NT0)、翻耕秸秆不还田(CT0)、免耕秸秆还田(NT)、翻耕秸秆还田(CT)和旋耕秸秆还田(RT)5个处理。研究测定分析了土壤容重、有机碳、易氧化有机碳含量及不同耕作方式下的碳库管理指数。通过对不同耕作方式下0～110cm土壤的分析,结果表明,随着土层的加深,土壤有机碳含量不断下降,NT显著增加了表层(0～10cm)土壤有机碳含量,而>10～50cm有机碳含量较其他处理(NT0除外)有所下降,深层(>50～110cm)处理间差异不明显;土壤容重与有机碳含量呈显著的负相关关系(P<0.01);0～30cm土层有机碳储量以NT最高,CT与其无明显差异,二者较CT0分别高出13.1%和11.0%,而至0～50cm土层,CT的碳储量最高,但与NT无显著差异(P<0.05);与CT0相比,NT0降低了各层土壤易氧化有机碳含量,而NT则在0～10cm土层表现为增加;RT、CT分别显著增加了0～10、>10～30cm土层的碳库管理指数。结果表明,秸秆还田可改善土壤质量,提高农田碳库管理指数,同时碳库管理指数受耕作方式的影响也较大,尤其是CT和RT;NT通过减少土壤扰动、增加有机质的输入,可提高上层土壤有机碳的储量。     

北方旱区免耕对农田生态系统固碳与碳平衡的影响

农田系统对大气CO2库呈碳汇还是碳源效应取决于土壤有机碳的固定和温室气体释放之间的平衡,而耕作措施会改变土壤有机碳含量和储量,影响农田系统的碳循环与碳平衡。该研究以北方旱区山西临汾20 a长期保护性耕作定位试验为基础,田间原位测定土壤呼吸和土壤有机碳含量,确定各类农业投入碳排放参数,利用碳足迹方法综合分析不同耕作措施(传统耕作CT和免耕NT)下农田生态系统碳平衡。结果表明:在化肥、机械等农业投入产生的间接碳排放量方面,化肥投入碳排放量约占系统农业总投入碳排放量的73.5%~77.4%,是农业投入中主要的碳源。由于免耕减少了翻耕、旋耕和秸秆移除3道程序,NT比CT少排放约5.1%,NT产量显著提高28.9%,且碳生产力大于CT。0~60 cm土壤有机碳储量NT(50.86 Mg/hm2)比CT(46.00 Mg/hm2)高10.5%。与CT相比,在小麦休闲期和生育期NT土壤呼吸CO2释放总量高于CT。但根据农田系统碳平衡公式分析得出,NT更有利于农田生态系统固碳,呈碳汇效应,而CT表现为碳源。因此,长期免耕耕作能够提高农田土壤固碳量,减少大气温室气体排放,对于改善北方旱区土壤碳库和减排效果是一个良好的选择。     

不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化研究

试验研究不同农田生态系统土壤微生物生物量碳的变化结果表明,长期单施N、P肥处理对土壤有机碳和微生物生物量碳的影响不明显,施有机肥处理土壤微生物生物量碳及微生物生物量碳/有机碳值均高于其他施肥处理,轮作中引入豆科作物或豆科连作均对土壤微生物生物量碳的积累有显著作用。     

怀来县农田生态系统服务价值分类评估

农田生态系统可以为人类提供各种农产品及多种间接生态服务功能。以河北省怀来县为例,借助GIS工具,从微地貌形态、土壤状况和土地利用类型3个方面选取相应指标,将怀来县农田生态系统分为3个生态类及6个生态亚类,并且从生产服务、调节服务、文化服务和支持服务4个方面选取7个指标构建评估模型,分别对6种农田生态亚类进行生态系统服务价值测算和分析。结果显示,怀来县农田生态系统服务总价值为225 311.90万元,4种农田生态系统服务价值大小为生产服务文化服务调节服务支持服务;不同农田生态亚类的价值差异明显,其中Ⅱ—Ⅱ总价值最高,Ⅰ—Ⅰ最低;根据不同农田生态亚类价值功能组成比例,将6种农田生态亚类分为生产服务主导型和文化服务主导型两种类型,为怀来县未来因地制宜地发展区域农业、保护生态环境提供了参考。     

长期施用有机肥显著提升潮土有机碳组分

借助潮土36a长期定位施肥试验平台,利用物理化学相结合的方法,研究了不同施肥处理对耕层土壤有机碳组分的影响。试验处理包括不施肥(CK)、施氮磷钾肥不同组合(N、NP、NPK)、施有机肥(M)、施氮肥和有机肥(MN)、施氮磷肥和有机肥(MNP)及施氮磷钾肥和有机肥(MNPK)。结果表明:施肥能显著提高土壤易氧化有机碳(EOC)含量,与CK相比,MNPK处理提高效果最为显著,增幅为72.17%;NPK处理对颗粒有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MOC)含量的提升效果高于N处理,但低于施有机肥处理;施有机肥处理的POC含量较不施有机肥处理平均增加92.69%,与CK相比,MNPK处理的POC分配比例增加了13.33%;施有机肥条件下,所增加的总有机碳对MOC的贡献率明显提高,MNPK处理所增加的总有机碳可1︰1进入POC和MOC组分。有机肥施用尤其是氮磷钾平衡施用并增施有机肥,能有效改善土壤化学性质、提升土壤碳组分含量、促进新碳在各碳组分均衡分配。     

河北北戴河区农田生态系统服务功能价值测算研究

农田生态系统是支撑与维持地球生命支持系统的重要组成部分,既具有直接供给农产品功能,又具有调节、支持、文化服务等间接功能。研究选取河北省北戴河区农田生态系统为研究对象,以生态系统服务功能为切入点,运用生态经济学方法,综合测算研究区农田生态系统服务功能价值。研究表明,2014年研究区农田生态系统服务功能所产生的间接价值为直接价值的1.09倍,说明农田生态系统不仅具有高效的、直接的生产功能,而且具有极其重要的生态环境支撑功能。鉴于此在北戴河区农业结构调整过程中,要对其生态系统服务功能给予足够的重视。农田生态系统服务功能的各项指标价值量由大到小排序为农田生产供给价值休闲旅游价值固碳释氧价值废弃物处理价值涵养水源价值社会保障价值土壤形成与保护价值秸秆还田价值净化大气价值。因此,研究认为:北戴河区在加快现代农业园区建设过程中,要大力发展生态休闲农业,全力推进农作物秸秆综合利用,积极发展生态循环农业,合理调整农田利用方式,应注重提高调节、支持、文化服务功能价值,使农田生态系统服务功能价值达到最优化。通过对北戴河区农田生态系统服务功能价值测算,为北戴河区有效保护和永续利用农田生态系统提供决策基础和科学支撑。     

玛纳斯河流域农田生态系统服务功能价值评估

农田生态系统可为人类提供各种产品及多种间接生态系统服务功能.本文运用环境经济学,借助GIS技术,对玛纳斯河流域农田生态系统1976年和2005年两个时段的产品提供、气候调节、土壤保持、碳固定、02释放以及营养物质保持等6项生态系统服务功能价值进行了物质量及价值量的估算和分析.结果表明.农田生态系统服务功能总价值从1976年的352 219.4×104元上升到2005年的767 061.5×104元,29年间上升117%.根据两个时段农田生态系统服务功能价值的分析,农田生态系统的产品提供功能受人类技术和管理的影响较大,具有较高的提升潜力,其价值占总生态系统服务功能价值的比例从1976年的7%上升到2005年的39%;而间接生态系统服务功能体现了农田生态系统的自然属性,为人类提供了巨大的调节、支持服务功能,从1976年至2005年,其生态系统服务功能价值上升43%.玛纳斯河流域农田生态系统服务功能研究表明,农田生态系统具有多种生态系统服务功能,应该重视对农田生态系统各项生态系统服务功能价值的评估,从而达到干旱区流域社会、经济、自然生态系统的和谐发展.     

河南省农田防护林生态系统服务功能价值核算

研究农田防护林生态系统服务功能的价值对于区域经济的发展和生态环境的保护具有重要意义。运用市场价值法、机会成本法、影子价格法等,对河南省2001和2005年农田防护林生态服务功能价值进行了核算。结果表明,2001和2005年农田防护林生态服务功能的总价值分别为1.04×1010元和1.46×1010元,各项生态服务指标的价值顺序为:保育土壤>农田防护林防护>生物多样性保护>固碳释氧>净化空气;生态服务的总价值年均增加1.53×109元,其中保育土壤的价值增加最大为9.94×108元,其余依次是农田防护林防护、生物多样性保护、林产品、固碳释氧、净化空气,增加价值分别为3.01×108,1.25×108,7.00×107,3.77×107,7.79×105元。因此,农田防护林具有的生态服务功能价值是巨大的,应该尽快建立生态服务市场补偿机制和完善生态服务功能价值评估方法,促进农田防护林从生态型向生态经济型转变。     

膜下滴灌系统不同应用年限棉田根区盐分变化及适耕性

盐碱地长期膜下滴灌作物根区土壤盐分是否累积及适宜耕作问题引起很多学者关注和思考,并成为制约干旱区农业生产、影响绿洲生态稳定和膜下滴灌可持续应用的重要因素。该文通过对新疆典型灌区5块不同膜下滴灌应用年限农田进行连续4a的定点监测,尝试揭示长期膜下滴灌农田根区土壤盐分演变趋势。结果表明,在现行灌溉制度条件下,新疆干旱区绿洲膜下滴灌棉田0～60 cm膜内根区盐分随滴灌年限呈降低趋势,在滴灌1～4年根区总盐变化幅度及降低幅度均较大,滴灌5～7a盐分继续小幅降低,根区平均含盐量均低于5 g/kg,棉花根系生境合适,基本满足耕种条件,棉苗存活率在60%以上,产量在5 250 kg/hm2以上;滴灌8～15 a盐分趋于稳定,根区平均含盐量均低于3 g/kg,且Cl-含量低于0.12 g/kg时,棉花成活率及产量较高且稳定,棉苗存活率在90%以上,产量在6000 kg/hm2以上,根区土壤盐分中Na+与Cl-随滴灌年限降低趋势明显。当地的灌溉制度是造成根区盐分降低的主要原因,坚持现行的灌水制度有利于膜下滴灌长期可持续应用,但应适当减少花铃后期及吐絮期的灌水定额以节约水资源。     

Soil organic carbon balance and nutrients (NPK) availability under treated wastewater irrigation for bioenergy sorghum production in an arid ecosystem

This column study evaluated the effects of irrigation with two water qualities (WW and FW) to produce bioenergy sorghum on SOC balance, nutrients availability and salt constituents in two soils (TX and NM) amended with gypsum & elemental sulfur (S) and un-amended. Study results indicated that SOC concentration was higher in freshwater irrigated columns (7.41 g kg^?1) than wastewater irrigated soils (7.32 g kg^?1) across growth year-soil type-amendments-depth. Soils amended with gypsum and sulfur registered significantly higher value of 7.52 and 7.41 g kg^?1 compared to 7.30 and 7.23 g kg^?1 in non-amended soils under fresh and wastewater irrigation, respectively. Lower SOC in WW irrigated columns could be due to the combined effects of increased salinity and priming effects. Although SOC content initially increased in gypsum and S amended soils to about 10g kg^?1, at the end of the study SOC in all treatments decreased to levels significantly below the pre-study. WW irrigation added 2.00, 1.10 and 4.40 times the N, P and K added by fertilizers and was able to meet 65%, 87%, and 210% of bioenergy sorghum uptake of respective nutrients. Sulfates and chlorides of sodium and calcium were dominant salts, which significantly affected SOC and nutrients.

Abbreviations: FW: freshwater; WW: treated wastewater; G + S: gypsum and elemental sulfur; NA: no amendment, TX: Texas soil and NM: New Mexico soil     

聚合果属生物炭引起的咸水灌溉下土壤养分有效性和番茄生长变化

Thermally modified organic materials commonly known as biochar have gained popularity of being used as a soil amendment.Little information, however, is available on the role of biochar in alleviating the negative impacts of saline water on soil productivity and plant growth. This study, therefore, was conducted to investigate the effects of Conocarpus biochar(BC) and organic farm residues(FR) at different application rates of 0.0%(control), 4.0% and 8.0%(weight/weight) on yield and quality of tomatoes grown on a sandy soil under drip irrigation with saline or non-saline water. The availability of P, K, Fe, Mn, Zn and Cu to plants was also investigated. The results demonstrated clearly that addition of BC or FR increased the vegetative growth, yield and quality parameters in all irrigation treatments. It was found that salt stress adversely affected soil productivity, as indicated by the lower vegetative growth and yield components of tomato plants. However, this suppressing effect on the vegetative growth and yield tended to decline with application of FR or BC, especially at the high application rate and in the presence of biochar. Under saline irrigation system, for instance, the total tomato yield increased over the control by 14.0%–43.3% with BC and by 3.9%–35.6% with FR. These could be attributed to enhancement effects of FR or BC on soil properties, as indicated by increases in soil organic matter content and nutrient availability. Therefore, biochar may be effectively used as a soil amendment for enhancing the productivity of salt-affected sandy soils under arid conditions.     

滴灌条件下石膏配比对盐碱土水盐运移特征影响

针对西北等干旱地区土地次生盐渍化的问题,以室内实验为基础,研究了不同石膏配比对盐碱土土壤盐分运移和水分运动的影响.结果表明,不同石膏配比对滴灌盐碱土土壤水分分布具有影响,对盐碱土盐分运移影响明显.随着湿润锋水平、垂直运移距离的增加,不同石膏配比的土壤含盐量增加,在相同入渗距离内,随着石膏配比的增加,钠离子含量减小,脱钠区深度系数增大,脱钠效果明显,石膏配比为0.1的脱钠区深度系数增加比率最大.因此,施加石膏有利于滴灌淋洗土壤盐分.     

棉花膜下滴灌酸性液体肥的试验效果

棉花膜下滴灌技术是近几年在南北疆棉花产区重点推广的农业节水措施。试验和实践证明,此项技术对提高水肥利用率,具有十分明显的作用。酸性液体肥是新研发的一种用于棉花膜下滴灌的新型滴灌专用肥。其有效养分含量为25%,主要以氮、磷、钾、微量元素以及促根剂、促溶剂等成分为主,pH值2～3。经过2年多点试验测定,滴灌酸性液体肥的氮素利用率在47%～66%,平均为55%,与常规灌溉条件下的施肥相比,氮素利用率提高15～30个百分点;磷素利用率在24%～38%范围内,平均为31%,与常规灌溉条件下的施肥相比,磷素利用率提高10～17个百分点;平均增产子棉270kg/hm2,增产率为7 8%。每公顷用肥900～930kg,可生产皮棉1725kg/hm2,节约肥料35%。     

打孔灌沙促进漫灌下盐碱土水分下渗提高脱盐效果

针对现有盐碱土改良措施工程量大,农业生产成本高等问题,提出打孔灌沙的盐碱土防治措施。该文以天津滨海盐碱土为研究对象,通过野外小区灌溉试验,研究在灌溉条件下打孔灌沙对盐碱土水盐运移规律的影响,旨在探索打孔灌沙减少盐碱地表层积盐的可行性。试验设计3种灌溉量(600、900和1 200 m~3/hm~2),3种打孔深度(5、10和15 cm)和3种打孔密度(30、60和90孔/m2),并以无打孔灌沙处理为对照组(CK)。结果表明:灌溉量影响盐碱土洗盐效果,在600~1 200 m~3/hm~2灌溉量处理下,灌溉量越大,表层土壤脱盐效果越好。同时,打孔灌沙能够促进水分下渗,提高脱盐效果,在1 200 m~3/hm~2灌溉量下,灌后25 d,打孔深度≥10 cm时较CK降低表层0~30 cm土壤水分8.7%~16.1%,提高脱盐总量50.7%~98.8%。打孔密度增加能够促进脱盐效果,但随打孔深度而不同。打孔深度≤10 cm时,30和60孔/m~2打孔密度处理间脱盐总量差异不显著(P0.05)。打孔深度为15 cm时,60和90孔/m~2打孔密度处理间脱盐总量差异不显著(P0.05)。考虑到过深的打孔深度处理会降低打孔灌沙效率、提高配套打孔灌沙机具的研发难度,结合试验区农艺规范,推荐10 cm打孔深度、30孔/m~2打孔密度作为合适的打孔灌沙处理方案,该研究可为滨海区盐碱土的开发利用提供新的思路和方法。     

滴灌和微生物有机肥对设施土壤呼吸的耦合作用及机制

为研究滴灌水分和微生物有机肥对设施土壤呼吸的影响及耦合作用机制,设计不同灌溉定额(15、18、21 mm)和不同微生物有机肥施用量(2 800、3 600、4 400 kg/hm2)处理,以传统化肥处理为对照,观测滴灌和微生物有机肥协同作用下土壤呼吸速率、累计碳排放量等指标,分析土壤呼吸与土壤温度、湿度、有机质含量、酶(脱氢酶、脲酶和过氧化氢酶)活性及根系生物量之间的互动响应关系。结果表明:滴灌-微生物有机肥处理有利于提高土壤有机质含量和酶活性,土壤脱氢酶、脲酶和过氧化氢酶活性分别提升11.6%～27.6%、8.0%～27.7%和1.8%～11.2%,其中滴灌和微生物有机肥相结合对脲酶活性的影响达到显著(p0.05)水平;土壤呼吸速率与根系生物量、土壤温度和有机质含量呈极显著(p0.01)正相关,与土壤酶活性呈显著(p0.05)正相关。该研究证明了滴灌和微生物有机肥对土壤碳排放有显著的耦合效应,滴灌和微生物有机肥耦合主要通过改变土壤有机质含量和根系生物量,对土壤呼吸产生影响。     

长期培肥下红壤有机碳组成与团聚体稳定性的关系

为研究培肥措施对红壤有机碳组成和团聚体稳定性的影响,以及有机碳与团聚体稳定性的关系,通过长期定位实验,选取不同施肥措施(未培肥CK、化肥NPK、化肥+秸秆NPKS和粪肥AM)下的典型红壤为研究对象,分析土壤有机碳组成和团聚体稳定性差异,揭示3种施肥措施下不同层次的有机碳组成和团聚体稳定性的变化规律.结果表明,3种施肥措施均可以提高土壤表层(0 ～25 cm)有机碳质量分数(尤其是颗粒有机碳),其中AM效果最显著,NPKS次之.不同施肥措施下红壤不同层次的团聚体稳定性顺序为AM＞ NPKS＞ NPK＞ CK.与CK相比,AM处理对表下层(5～15 cm)土壤的总有机碳和团聚体稳定性的提高效果最显著.回归分析表明,颗粒有机碳(POC)与湿筛法平均质量直径以及快速湿润(FW)、慢速湿润(SW)、预湿润震荡(WS)3种处理的平均质量直径的相关性最好(R2 =0.79、0.80、0.66、0.81),说明相对于其他组分,颗粒有机碳更有利于降低消散作用以及抵抗机械破碎进而增强团聚体稳定性,是间接评价土壤团聚体稳定性的良好指标.     

不同生物有机肥用量对土壤活性有机质和酶活性的影响

通过盆栽试验研究了不同有机质含量的土壤中,不同用量生物有机肥对棉花苗期土壤活性有机质和5种酶活性的影响。结果表明,不同土壤随着生物有机肥施用量的增加,其活性有机质及碳库管理指数(CMI)均显著增加。其中高有机质含量土壤施用生物有机肥20 g/kg效果显著,中等有机质含量土壤和低有机质含量土壤施用生物有机肥30、40 g/kg效果显著。5种土壤酶活性施肥处理均高于对照(CK),并且土壤酶活性与施用量成正比。脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶在施用生物有机肥10、20 g/kg与其它处理相比变化显著,过氧化氢酶、蛋白酶变化不显著。相关分析表明,有机质与活性有机质和CMI在棉花出苗0 d相关系数分别为0.831**、0.542*;在出苗后60 d相关系数分别为0.928**、0.635**,其中有机质与活性有机质相关性最高。而CMI与有机质和活性有机质在棉花出苗0 d相关系数分别为0.542*、0.896**,在出苗后60 d分别为0.635**、0.842**,说明活性有机质相对于有机质与CMI关系更为密切。蔗糖酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶与土壤有机质和活性有机质在棉花出苗0 d和出苗后60 d存在显著相关,表明活性有机质与土壤酶活性能够较好的反映肥力水平。