黑土农田有机碳平衡与消长动态

以中国科学院海伦农业生态实验站长期肥料试验区为研究平台,采用静态箱—气相色谱法原位测定CO2排放通量,进而估算出土壤有机碳矿化速率。秋季收获时测定玉米根系、凋落物、根际沉积碳和施用有机肥对土壤碳的输入量。从土壤有机碳输入和输出角度来研究黑土农田有机碳平衡与消长动态。结果表明,施用有机肥增加了土壤有机碳的输入量,但同时增加了土壤有机碳矿化输出量,从碳收支平衡的角度来分析,土壤有机碳呈现出增加趋势,年际间增加138 kg/hm2,0~20 cm耕层土壤有机碳含量增加了0.08 g/kg,占土壤有机碳含量的0.28%,在测量误差范围内。长期不施肥的CK处理,土壤有机碳输入量较小,每年仅为754 kg/hm2,而土壤有机碳通过矿化输出量却较大,仅次于NPKOM处理,达到1 202 kg/hm2,致使土壤有机碳下降速率加快,以每年0.22 g/kg下降,经过17年试验,有机碳下降1.7 g/kg。平衡施肥NPK和NP处理,每年输入和输出碳量相近,每年碳收支在12~44 kg/hm2之间,土壤有机碳含量基本保持不变,维持在27~28 g/kg之间波动。NK处理土壤有机碳呈下降趋势,理论上以每年0.07 g/kg速度下降,但实际上是在测定误差范围内,很难测定出有机碳的消长量。     

应用~(13)C核磁共振技术研究土壤有机质化学结构进展

土壤有机质化学结构对准确评价土壤有机质的稳定性及其在土壤中的功能具有重要意义。土壤有机质化学结构的研究方法中,固态~(13)C核磁共振波谱技术(Solid-state ~(13)C-NMR spectroscopy)具有独特优势,对土壤有机质化学结构的解析更贴近真实状态,近年来已取得诸多新进展和新突破。综述了近年来应用~(13)C-NMR测定土壤全土、团聚体和密度组分、腐殖质组分的有机碳化学结构特征,分析了影响化学结构变化的因素。不同气候条件、植被类型、土地利用管理方式、土壤类型、土壤有机碳含量的全土中有机碳化学结构比较相似,均表现为烷氧碳比例最高,其次为烷基碳和芳香碳,羧基羰基碳比例最低。土壤有机碳主要来源于外源植物残体,植物残体化学结构的相似性可能是导致土壤有机碳化学结构相似的主要原因,环境条件、土壤自身属性和微生物活性的差异使土壤有机碳化学结构产生微小差异。土壤颗粒及化学组分间的有机碳分子结构差异较大,大颗粒有机碳中烷氧碳比例最高,小粒径及与矿物颗粒结合的有机碳中烷基碳和羧基羰基碳比例更高,粉黏粒和腐殖酸组分的有机碳化学结构在土壤类型间差异较大。今后的研究重点应更多地关注土壤有机质来源的定量化分析、土壤微生物对土壤有机碳组分和结构稳定性的贡献及调控机制、土壤有机碳稳定性的生物物理化学保护机制、空间大尺度环境因子/土壤生态过程与微观尺度的有机碳化学分子结构的耦合作用机制、跨学科的多种土壤有机碳化学分子结构测定辨识技术等方面的研究。     

田间不同施肥处理大豆生长过程模拟验证研究

大豆是东北的主要农作物之一,准确地应用模型技术可以辅助田间试验来研究如何提高和改善大豆产量和品质.利用CSM-CROPGRO-Soybean模型,在海伦农业生态站1993～1996年长期定位不同施肥处理实验数据的基础上,建立大豆品种遗传属性和相应数据库,对大豆产量和物候期等重要生长过程和结果进行模拟和验证.结果表明,在对4年不同施肥处理的模拟中,大豆物候期的模拟RMSE为0.58 d,EF为0.92.大豆产量模拟RMSE为101.6 kg hm-2,EF为0.7,取得了较好的模拟效果.模型的方法可以为大豆优化种植提供有效的信息技术手段.     

长期施用有机肥对黑土肥力及作物产量的影响

在东北黑土区中部进行长期定位试验,研究了长期施用有机肥对黑土肥力以及作物产量的影响。结果表明:施用有机肥能够提高土壤肥力,与供试前土壤相比,施用有机肥处理的土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量都表现为增加,长期施用氮磷钾化肥处理的有机质、全氮、碱解氮、全磷和速效磷表现为增加,而全钾、速效钾则减少,长期无肥处理的土壤除全氮和全磷表现为增加以外,均呈减小的趋势;各处理土壤C/N均表现为减小,在11.32~12.01之间波动;长期施用有机肥能使土壤的pH稳定在一个适合作物生长的范围内;施用有机肥可以增加土壤0.25 mm水稳性团聚体的数量,不同处理0.25 mm水稳性团聚体的含量表现为:化肥+高量有机肥(NPKM2)化肥+低量有机肥(NPKM1)化肥(NPK)无肥(CK);不同处理玉米和大豆产量由高到低的顺序均为:NPKM2NPKM1NPKCK,各处理的玉米产量年际间均表现出增加的趋势,而大豆产量年际间变化不显著。生物耗竭试验表明,长期施用有机肥可提高黑土的生产能力。     

长期氮肥不同施用量对大豆生物量和产量的影响

黑土区是我国重要的优质大豆主产区,氮肥是大豆生长发育过程中必不可少的营养元素,但是很少有研究涉及大豆生长对不同氮肥施用量的响应。本研究依托中国科学院海伦农业生态实验站内的长期定位试验,揭示了大豆株高、地上生物量、地下生物量及产量构成的影响。结果表明,氮肥的施用能够促进大豆的生长,表现为增加了不同生育时期的株高和地上部生物量,而地下生物量则表现出相反的趋势,表明适量氮肥的施用是保持大豆地上部和根系生长平衡的必要条件;从大豆产量构成的角度分析,增加氮肥的施用能够提高大豆的百粒重,但过量的氮肥投入反而使百粒重降低,不同处理大豆的产量表现为N1P2KN3P2KN2P2KCK,说明并非氮肥施用量越高,产量就越高,适量氮肥的施用是保证大豆高产的前提。     

大豆重迎茬减产的原因及农艺对策研究——大豆重迎茬减产的原因与机理(上)

通过连续8年在黑龙江省6个生态区9个固定轮作场圃综合试验,试验区专项研究,框区、盆栽试验,实验室分析,以及大量的大面积生产调查,发现影响重迎茬大豆产量的主要因素有土壤病虫危害、根系分泌物、根茬腐解物、根际微生物及其分泌物、土壤养分以及植株对于养分的吸收利用,其中土壤病虫危害是最主要的影响因素。各种影响因素间有相互推进的作用,其中主要的起因是根茬腐解物的积累改变了根际土壤的微生态环境,进一步影响了重迎茬大豆根际土壤微生物区系的组成、加剧了病虫危害、降低了土壤养分的可利用性、减弱了植株对于土壤养分的吸收利用,影响了植株的生长发育,导致减产。     

土地利用变化与长期施肥对黑土有机碳密度的影响

土壤管理方式影响土壤碳库储量,进而影响土壤的源汇功能。该研究通过测定草地(GL)、裸地(BL)、农田无肥(NF)、化肥(NP)和化肥配施有机肥(NPM)处理的有机碳含量和土壤容重,估算了不同土地利用和施肥管理方式下的土壤有机碳密度的变化及农田的固碳潜力。结果表明,土壤有机碳含量表层最高而且变化较大,向下逐渐降低且变化较小。对于不同植被覆盖的3个处理,草地0-20cm土层土壤有机碳含量比裸地和无肥分别高出20.6%和16.4%。对于不同施肥管理方式,化肥有机肥配施土壤有机碳含量比无肥和化肥分别高出25.4%和15.5%,所有处理有机碳含量在160-200cm土层没有显著差异。0-40cm土层及0-100cm土体有机碳密度的变化趋势是NPMGLNPNFBL;40cm以下有机碳储量无规律性变化,表现出较大的变异性,这可能与土壤本身的空间异质性有关。草地100cm土体有机碳储量比裸地和无肥分别增加6.8%和5.7%,裸地和无肥无显著差异;化肥加有机肥100cm土体有机碳储量比化肥和无肥分别增加10.4%和5.9%。经估算,松嫩平原黑土区0-100cm土体有机碳库储量约为1.35Pg,农田有机培肥后碳库储量可达到0.96Pg,其固碳潜力约为0.05Pg。0-100cm土体有机碳密度与0-20cm土层有机碳含量及有机碳密度呈极显著正相关(r=0.99;r=0.97,P0.01),表明土壤表层有机碳含量及密度对0-100cm土壤有机碳库具有决定作用。     

草地和农田生态系统中黑土活性有机碳的特征

为阐明植被覆盖与施肥管理综合作用下黑土活性有机碳的数量特征,探讨合理调控农田土壤质量的施肥模式。本试验以中国科学院海伦农业生态实验站长期定位试验为平台,对比和研究了草地与农田生态系统中不同施肥处理下土壤总有机碳、颗粒有机碳、微生物生物量碳、冷水提取有机碳以及热水提取有机碳数量上的差异及相互关系。结果表明:经过25年的自然恢复,草地生态系统中土壤有机碳及各活性有机碳的数量显著高于农田生态系统中的无肥处理(P<0.05)。农田生态系统中,化肥处理对农田土壤有机碳和活性有机碳的提高作用并不明显;经过长期化肥+有机肥处理后,农田土壤总有机碳与各活性组分的数量较无肥和化肥处理显著提高(P<0.05),除微生物生物量碳外,总有机碳与其他活性有机碳组分的数量均达到草地植被下的碳水平,土壤总有机碳及冷水和热水提取有机碳的含量与草地生态系统的差异不显著,颗粒有机碳含量比草地生态系统坛加43.7%。相关性分析表明,土壤有机碳总量、微生物生物量碳、冷水提取有机碳以及热水提取有机碳两两之间的相关性均达到显著或极显著水平。长期化肥与有机肥配施是提高黑土有机碳及其活性有机碳数量的有效措施。     

测定时间对黑土区CO_2和N2_O排放通量的影响

[目的]探讨测定时间对黑土区CO2和N2O排放通量的影响,确定排放通量的最佳测定时间,以期为黑土区农田温室气体减排提供科学依据。[方法]以黑土区长期肥料定位试验为平台,采用静态箱式法研究了小麦3个关键生育期(抽穗期、灌浆期和成熟期)CO2和N2O排放的日变化动态,揭示不同测定时段黑土区CO2和N2O排放通量的差异。[结果]土壤CO2和N2O排放通量日变化较大,变化范围分别为CO2 206～552 mg/(m2.h)和N2O 51～295μg/(m2.h)。在不同生育期CO2呈单峰曲线变化,峰值出现在中午12:00,峰谷出现在凌晨3:00;N2O排放通量在抽穗期白天较小,而夜间排放量大。如果不考虑小麦生育期对CO2和N2O排放通量的影响,测定CO2排放代表性时间段在6:00～8:00或16:00～21:00;测定N2O时间段在8:00～10:00或16:00～21:00;若同时测定CO2和N2O排放通量,最佳测定时间在16:00～18:00。若在通常的观测时间9:00～12:00进行观测,CO2和N2O的较正系数分别为0.81和0.90。[结论]该研究结果为黑土区农田温室气体减排提供了科学依据。     

低分子量有机酸对黑土无机磷动态变化的影响

采用盆栽试验方法研究了低分子量有机酸对黑土无机磷在大豆整个生育时期内动态变化的影响,结果表明:低分子量有机酸促进了土壤无机磷的释放,增加了大豆对磷的吸收,作用大小为混合酸＞草酸＞柠檬酸＞苹果酸,表明该土壤无机磷的释放决定着大豆的磷素供应.土壤无机磷组分随着大豆生育时期的推进而发生不同的变化,Ca2-P的含量先增加后降低而后又增加,Ca8-P先增加而后逐渐降低,而Ca10-P则是先降低而后逐渐增加,Fe-P含量表现为先降低后增加而后又降低,Al-P和O-P含量均呈现逐渐降低的趋势.不同低分子量有机酸处理相比,Ca2-P和Ca8-P表现为柠檬酸>草酸>混合酸、苹果酸>对照>空白;而Ca10-P、Fe-P、Al-P和O-P则表现为空白>对照>苹果酸>混合酸>草酸>柠檬酸,表明柠檬酸和草酸对黑土中的难溶态磷组分有较强的活化能力,而苹果酸和混合酸相对较弱.同时种大豆与不种大豆相比,Ca2-P和Ca8-P含量增加;而Ca10-P、Fe-P、Al-P和O-P含量则降低,表明大豆根系分泌的有机酸活化了土壤中的无机磷,促进了磷由难溶态向可溶态转化,增加了土壤无机磷的有效性.随着大豆生育时期的推进,黑土中速效磷含量基本呈现逐渐降低的趋势,下降顺序为:苹果酸>柠檬酸>混合酸>草酸>对照.