保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响

保护性耕作被认为是华北平原农业可持续发展的重要措施, 但目前缺乏这些措施对土壤质量影响的系统报道。本研究以长期定位试验为基础, 探讨了太行山前平原两熟制高产农田不同耕作措施对麦田土壤质量的影响。试验始于2001 年, 设置翻耕玉米秸秆不还田(非保护性耕作对照, CK)、翻耕玉米秸秆粉碎还田(CT)、旋耕玉米秸秆粉碎还田(RT)和免耕玉米秸秆直立还田(NT)4 个处理。2007 年冬小麦收获后分层测定土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)含量、容重(ρ_b)、水稳性团聚体、水分特征曲线、饱和导水率(K_s)和微生物量碳氮。2008 年测定了剖面SOC 含量、ρ_b 和蚯蚓数量。结果表明, 连续多年保护性耕作后土壤剖面的SOC 储量无显著变化, 但保护性耕作(RT 和NT)下SOC 的层化比率(1.74~2.04)显著高于翻耕处理(CK 和CT, 1.37~1.45); 保护性耕作显著提高了表层微生物量碳、氮含量以及单位面积土壤中的蚯蚓数量。NT 处理导致耕层(0~20 cm)土壤ρ_b 增加, 但提高了土壤团聚体的稳定性。CK 和CT 处理显著增加了0~5 cm 土层裂隙(>500 μm)和传输孔隙(500~50 μm)的比例, 而NT 处理则增加储水孔隙(50~0.5 μm)的含量。另外, 保护性耕作提高了土壤的K_s、田间持水量和有效水含量。对土壤质量指标S 的分析结果表明, 实施保护性耕作后, 太行山前平原地区土壤质量总体上得到改善。     

原状土与装填土热特性的比较

土壤热特性是研究土壤—植物—大气系统中能量传输的必要参数。目前的研究集中在室内装填土柱上热特性与含水率、质地、温度和体积质量(容重)等因素的关系,田间条件下土壤结构对热特性影响的报道很少。该研究通过比较2种质地土壤田间原状土和室内装填土热特性的差异,初步探讨了不同含水率范围内结构形成对土壤热特性的影响。采集田间原状土,在室内利用热脉冲技术测定其热容量、热导率和热扩散率;然后将样品磨碎、过2mm土筛,填装后得到相同体积质量和含水率的装填土壤样品,并测定其热特性。结果表明,装填土和原状土的热容量基本一致;在中等含水率区域(砂壤土:0.07～0.24m3/m3;壤土:0.15～0.31m3/m3),重新装填后砂壤土和壤土的热导率分别降低了9.7%和9.8%。另外,结构形成增加了土壤热扩散率,在中等含水率区域尤其明显;在接近饱和区域,原状土与装填土的热扩散率趋于一致。因此,土壤结构形成对土壤热容量没有显著影响,但提高了中等含水率区域土壤的热导率和热扩散率。     

不同肥力农田玉米产量构成差异及施肥弥补土壤肥力的可能性

【目的】农田基础土壤肥力和肥料的投入共同决定着农田的养分供应以及影响作物的生长与产量。明确不同肥力土壤和低肥力农田增施氮肥对玉米生长及产量形成的影响差异,是科学评价土壤培肥和施肥的基础。【方法】本研究设置两个玉米田间试验,试验一选取三块具有基础肥力和产量差异的农田,按土壤肥力由高到低依次命名为农田A、 B和C,采用完全统一施肥管理; 试验二在土壤肥力水平最低的农田C上设置了常规施氮量N 210 kg/hm2,以及在此基础上拔节期增施N 40和80 kg/hm2共3个处理。测定了各农田土壤基础性质,以及0—20 cm土层硝态氮含量,调查了不同生育期玉米的干物质和叶面积,产量和产量构成。【结果】不同肥力水平农田中土壤的潜在矿化氮量与产量的相关性最好。不同肥力水平农田的土壤硝态氮含量没有显著性差异; 低肥力农田增施氮肥处理在拔节期施肥后土壤中的硝态氮含量要大幅度高于常规施肥处理,在抽雄期该差异达到最大值,然后逐步降低。不同肥力水平农田的玉米产量、 每公顷穗数、 穗粒数、 千粒重均随土壤肥力升高而显著增加,其中肥力最高的农田A的玉米产量、 每公顷穗数、 穗粒数和千粒重较肥力最低的农田C分别高20.3%、 5.7%、 5.2%和7.8%。低肥力农田C在拔节期增施氮肥显著提高了产量、 每公顷穗数和穗粒数,对千粒重影响很小,同时降低了收获指数。其中增施氮肥80 kg/hm2处理较常规施氮处理的产量、 公顷穗数和穗粒数显著分别增加了17.1%、 9.2%和4.6%,收获指数降低了8.2%。【结论】高肥力土壤能够持续矿化出更多的无机氮供玉米利用,通过全面提升玉米每公顷穗数、 穗粒数和千粒重来提升产量。低产田在拔节期增施氮肥能够大幅度提高拔节期至抽雄期土壤的硝态氮含量,提高每公顷穗数和穗粒数,进而增加作物产量,但通过增施肥料得到的产量依然达不到高肥力农田的产量水平,而且降低了收获指数。因此,培肥土壤是实现玉米高产高效的基础。     

长期施用化肥和有机肥对土壤有机碳和容重的影响

在长期定位试验的基础上,探讨了施用化肥和作物秸秆对土体土壤容重和有机碳空间变异的影响.研究结果表明,化肥的施用不仅影响耕层肥力性状,而且会使耕层以下的土壤容重降低和有机碳增加,从而立体地促进土壤肥力的提高,而施用秸秆则只能改善耕层范围的土壤肥力.不同施肥措施造成土壤肥力性状的立体差异主要是由于不同施肥对作物生长和土壤根系的影响差别造成的.化肥对土壤根系的促进作用要比作物秸秆大许多倍,从而使耕层以下有大量残根分布,这些残根促进了深层土壤容重的降低和有机碳的提高.     

利用简化型多针热脉冲技术原位测定地表热通量

为简化多针热脉冲技术获取地表热通量的测定方法,本研究基于热脉冲技术的方法原理以及传感器的设计准则,提出一种简化型多针热脉冲传感器,并对其田间实地测定结果进行评估。首先利用简化型传感器测定获取了0~50 mm土层热储量和50 mm深度处土壤热通量数据,估算得到地表热通量的动态变化;后与传统组合法(de Vries模型+自校正热通量板法)获取的地表热通量结果进行了对比分析。结果表明:简化型多针热脉冲传感器与传统组合法得到的地表热通量日变化趋势一致,对2种方法的测定值进行回归分析所得直线的斜率为1.09,决定系数为0.98;在测定时期内,简化型多针热脉冲技术获取田间地表热通量的平均绝对偏差为12.33 W/m²。因此,本研究中提出的简化型多针热脉冲技术可以用于准确监测田间地表热通量动态,可为农田水热过程和通量研究提供有效的监测手段。     

耕作及残茬管理对作物产量及土壤性状的影响

在河北低平原的壤质潮土上进行了保护耕作长期定位裂区试验，研究了深浅轮耕、浅耕、少耕、免耕以及残茬管理对作物产量及土壤性状的影响。结果表明，连续少耕和免耕处理的前3年对作物产量没有影响，之后小麦产量显著降低(最大降幅达到31．83％)；连续免耕对玉米产量并没有明显影响；深耕并不增加作物产量；秸秆覆盖有时影响小麦生长；免耕处理的土壤有机质和全氮含量增加，但速效氮含量降低。     

利用热脉冲技术测量土壤表层含水率

准确测定表层土壤水分对陆地-大气间水热交换研究具有重要意义。由于对土壤结构影响轻微,热脉冲技术在原位监测含水率方面具有较大优越性,但目前田间应用集中在5 cm以下土层。该研究利用多针热脉冲传感器测定土壤容积热容量,然后基于热脉冲含水率法和热脉冲含水率变化法分别得到了3、9、21和39 mm的土壤含水率。结果表明,与烘干法含水率比较,热脉冲含水率变化法含水率在4个深度的均方根误差分别为0.022、0.006、0.004和0.006 m3/m3,均小于相应深度上热脉冲含水率法含水率的均方根误差。另外,热脉冲含水率变化法也降低了4个热脉冲传感器测定含水率的变异性。因此,热脉冲技术能够监测表层的土壤水分动态,表层土壤含水率的均方根误差在0.022 m3/m3以内。     

保护耕作研究进展及前景展望

阐述了国内外保护耕作技术的研究进展,分析了保护耕作对作物产量、土壤性状、土壤水分利用的效应以及对作物病虫草害的影响和控制水土流失的作用,提出我国推行保护耕作应注意的关键问题。     

玉米农田行尺度土壤热特性变异特征及其对土壤含水量和温度的响应

农田土壤热特性受地表能量平衡、土壤特性和作物生长的影响,存在显著的时空变异性,而目前缺乏关于作物行尺度土壤热特性变异特征的研究。本研究采用定位试验,利用热脉冲技术监测了玉米农田行尺度四个位置处（1/2行间、1/4行间、棵下和棵间）两个深度（2 cm和4.5 cm）土壤热特性的时空变异规律,并分析了土壤温度和含水量对土壤热特性的影响。结果表明,在试验期间,热导率、热容量和热扩散率的变化范围分别为0.66—2.22 W/(m?K),1.46—4.49 MJ/(m3?K)和4.07×10-7—6.88×10-7 m2/s。降雨之后,热导率和热容量增加,且随着时间推移逐渐降低。2 cm深度的土壤热特性的波动较大,棵下位置土壤热导率和热容量值最大,波动最为明显;土壤热扩散率在1/2行间位置最大。在4.5 cm深度,各位置土壤热特性变化趋势基本一致,土壤热导率和热容量值在1/2行间位置最大,土壤热扩散率在棵间位置最大。综合两个土层数据得出1/4行间位置的热导率和热容量更具代表性。本研究中土壤热特性对土壤含水量的响应规律较为明显,随着土壤含水量增加,热导率和热容量线性增加,热扩散率则表现出先增加后降低的规律。在测定的土壤温度范围内,热扩散率随土壤温度增加呈上升趋势。该研究可以为农田水热管理提供理论依据。     

土壤剖面基础性质差异对农田水氮过程和作物产量的影响

【目的】华北平原地区是中国最重要的冬小麦和夏玉米生产基地,不同农田土壤基础性质差异是造成该地区农田生产力空间变异的基本原因。通过研究该地区冲积始成土冬小麦-夏玉米轮作农田土壤剖面性质对水氮过程以及作物产量形成的影响,以期为该地区高产农田的水氮利用与管理提供参考。【方法】选取位于山东省泰安市研究区3块具有不同土壤基础性质且产量存在显著性差异的农田,进行3年田间试验,测定土壤剖面的土壤基本性质,具体包括机械组成、饱和导水率、田间持水量、永久萎蔫点、有机碳、全氮;监测土壤剖面0-160 cm的水分和硝态氮的动态变化以及作物生物量、叶面积指数和产量等。运用根区水质模型（RZWQM）对各农田的水氮过程进行模拟计算。【结果】RZWQM模型在整体上可以很好地模拟2009年10月至2012年9月3年不同基础土壤性质农田水分、无机氮、作物产量、地上部生物量和叶面积动态特征,并计算各农田水氮平衡项。各农田土壤基础性质差异对水氮过程及产量形成的影响具体为：高产农田0-160 cm剖面的最大有效贮水量为223 mm,分别高出中产和低产农田28和56 mm,同时30 cm深度以下土层具有相对较低的饱和导水率。该基础性质差异使得高产农田年均水分损失（地表径流+深层渗漏）仅为150.3 mm,分别低于中产和低产农田5.7和26.4 mm,从而使高产农田作物受到相对低的水分胁迫。高产农田土壤表层土壤有机碳含量较中低产田高,而碳氮比则较低,使得高产农田具有更高的净矿化氮量（较中产和低产农田高52.0和82.6 kg·hm^-2）,且较低的氮损失（氨挥发+氮淋洗+反硝化作用）,较中产和低产农田分别少6.9和10.9 kg·hm^-2。高产农田的水分利用效率（WUE）为2.32 kg·m^-3,分别较中产和低产农田高12.1%和6.8%,这是因为高产农田受到较低的氮素胁迫。在本研究区不同土壤基础性质农田的氮素利用效率（NUE）差异不显著。【结论】在华北平原冬小麦-夏玉米轮作区,理想的土体构型能够存储更多的有效水,高土壤有机碳含量和低的碳氮比能矿化出更多的无机氮,保障了充足的水氮供应,减缓作物受到的水氮胁迫,从而获得高产。