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黄土旱塬农田土壤有机碳、氮的演变与模拟

郭胜利  
【摘要】:土壤有机质是影响土地生产力的重要因素。有机质在改善土壤结构、保持水分、防止土壤侵蚀和退化、提供植物养分特别是氮素等方面具有重要作用。黄土高原是我国主要生态脆弱区,了解这一地区管理措施对有机质周转影响,分析该地区土地生产潜力是调控土壤有机质含量的基础。本文以中国科学院长武试验站的长期试验(始于1985年)为依托,通过对典型处理8-15年的土壤养分、作物产量以及同期降水量等的系统分析,揭示了黄土旱塬区不同种植体系中土壤有机碳、氮的演变规律:阐明了长期施肥条件下土壤硝态氮的迁移积累机理;提出了目前水肥条件下黄土旱塬区冬小麦生产潜力及其提高途径。在获得上述实验资料的基础上,建立了黄土旱塬区土壤有机碳周转的模拟模型。其主要新进展如下: (1)在黄土旱塬区,禾本科连作能够保持土壤有机碳、氮的含量(6.50gkg~(-1)、0.82gkg~(-1);禾本科与豆科作物轮作土壤有机碳、氮积累略有提高;小麦与红豆草轮作或苜蓿连作对提高土壤有机碳、氮积累具有显著的促进作用;长期休闲土壤有机碳、氮呈缓慢降低趋势。 (2)不同作物系统中,增施化肥显著提高了土壤有机碳、氮的积累,有机碳、氮增幅分别为19-33%、22-35%。 (3)本区降水量的不足与多变限制了豌豆-小麦轮作对土壤有机碳、氮积累的促进作用,但在红豆草-小麦轮作中,红豆草对有限土壤水分的消耗促进了土壤有机碳、氮的积累。 (4)本区土壤C/N比一般稳定在8.3左右,作物和施肥措施对此影响不大。 (5)不同土地利用方式显著影响土壤微生物碳、氮含量。本区不同种植系统中土壤微生物碳含量占土壤有机碳含量的1-4%;微生物氮含量占有机氮含量的2-6%,微生物碳(氮)含量与有机碳(氮)含量具有显著的相关关系。相同管理条件下,微生物碳含量、微生物碳与有机碳比率变化方向与有机碳一致。但与土壤有机碳相比,微生物碳含量、微生物碳与有机碳比率变化幅度更大。因此可以利用土壤微生物碳含量、微生物碳与有机碳比率变化指示土壤质量变化。 (6)土壤水分含量依赖于年际、季节间降水量的变化。作物、施肥不改变土壤水分的变化模式,但影响土壤水分变化强度。休闲处理土壤水分含量季节性变化相对稳定。不同作物对土壤水分含量的影响强度顺序为:苜蓿>小麦>休闲地。不同施肥条件下,小麦地收获期土壤水分含量和播种前降水入渗深度大小为:不施肥处理、M、PM、N处理>NP、NM、NPM处理。常年生长苜蓿的土壤,其水分含量显著低于休闲处理,降水入渗深度显著降低。苜蓿连作土壤中,施肥措施对土壤水分影响不大。 作物影响土壤NO_3-N的含量、迁移和积累。小麦连作中,施氮肥处理土壤NO_3-N含量显著升高,N处理的NO_3-N向下迁移深度显著大于NPM、MN处理。不同处理NO_3-N迁移深度与相应处理降水入渗深度基本一致。NO_3-N在土壤剖面(0-300cm)积累量可占到氮肥施用总量的12-55%。其NO_3-N积累量的大小顺序为:N处理>NPM,MN>NP,与相应 11 黄土旱源农田土壤有机碳、氮的演变与模拟 处理氮肥的利用率大小颀序相反。首捂连作中,NO3N迁移深度与降水的入渗深度一样显著 变浅,即使在NPM施肥条件下也没有发生NO3N在剖面中的显著积累。 (7)不同作物与施肥条件下,建立的土壤有机碳周转模拟模型(SCNC)与测定值相对 误差在t 10%范围内的模拟值可达到80%以上,而RohC--26.3模型的模拟值与测定值相对误差 均在30%以上。 (8)目前水肥条件下,本区小麦产量远未达到水肥资源生产潜力。分析表明,休闲期门一9 月)降水量是影响产量的重要因素,但小麦产量只与7月降水量关系密切,因而提高8月、9 月降水的入渗、保持和利用是本区冬小麦产量进一步提高的重要途径。增施化肥是提高黄土 旱源区作物产量的主要措施。在目前氮肥投入水平(12 kgNha’)基础上,进一步增施氮肥, 小麦产量还具有一定的增产空间。 上述研究结果为黄士旱源区土壤生产力提高、土壤有机碳、氮的调控管理提供了新的理 论依据。


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