典型黑土的黑度与土壤有机质组分关系研究

土壤颜色作为土壤的一项重要物理指标,被广泛应用于土壤诊断、分类以及土壤性质判断。在矿物成分大致相同条件下,土壤有机质(SOM)是控制土壤变黑的重要因素。采用基于CIE L*a*b*颜色分析系统的分光测色仪,并结合土壤物理分组方法,对30个典型黑土及其物理组分(轻组、粗颗粒、细颗粒和矿质结合态有机质)的黑度进行了分析,旨在明确黑土SOM含量与其黑度间的定量关系,揭示不同物理组分对土壤黑度的贡献。结果表明:黑土的黑度与SOM、以及各物理组分的黑度与相应组分的有机碳含量之间,均呈显著正相关关系。而且随着组分稳定程度的增加,这种相关性逐渐增强。从不同组分看,轻组和粗颗粒组分的黑度值大于细颗粒和矿质结合态组分,但相关分析表明,轻组和粗颗粒组分的黑度与原土黑度无显著相关关系,二者对土壤黑度的贡献率仅为2.6%。而矿质结合态组分作为土壤腐殖质的主要储存位置,其对土壤的黑度贡献率达81%以上,是黑土呈现黑色的决定性因素。

2000-2020年中国陆地生态系统年总初级生产力数据集

陆地生态系统年总初级生产力(AGPP)是粮食生产和陆地生态系统固碳的基础。分析AGPP的时空变化可以为保障区域粮食安全和减缓气候变化趋势提供理论依据,但需以准确评估区域AGPP为基础。基于ChinaFLUX的长期联网观测数据和公开的数据集,本研究构建了中国陆地生态系统AGPP数据集,并结合生物、气候和土壤因素,利用随机森林回归树通过模拟单位叶面积的AGPP构建了中国AGPP评估模型,生成了2000–2020年中国陆地生态系统AGPP数据,空间分辨率为30arcsecond,数据格式为tiff。本数据可以为模型模拟提供验证数据,也可以为区域生产力、生态质量、陆地碳汇评估及管理提供数据支撑。

连续秸秆还田对黑土团聚体中有机碳含量及土壤肥力的影响

为了研究传统耕作方式下连续秸秆还田对黑土团聚体中有机碳分布及土壤肥力的影响,采用中国黑土区进行8年田间定位试验的大田土壤为研究对象,研究了无肥(CK)、单施化肥(NPK)和秸秆还田配施化肥(NPK+S)3种处理对土壤水稳性团聚体中的有机碳含量及土壤养分的影响,并与2004年试验初期土壤进行比较。结果表明,与起始土壤相比,连续8年秸秆还田后,土壤大团聚体的含量显著提高,且NPK+S处理下土壤大团聚体的含量及团聚体的平均重量直径(MWD)显著高于CK处理和NPK处理;连续秸秆还田8年后土壤的有机质(SOM)含量显著提高了6.59%,而CK处理和NPK处理均导致SOM含量下降,分别降低了1.95%和2.56%。与CK处理、NPK处理和起始土壤相比,NPK+S处理提高了土壤各级团聚体内的有机碳含量,而且显著提高了大团聚体中有机碳对土壤有机碳的贡献率,降低了微团聚体中有机碳对土壤有机碳的贡献率;同时,秸秆还田配施化肥显著提高了土壤的碱解氮、有效磷和速效钾含量,其对土壤速效养分的改善程度要明显强于单施化肥处理。通过试验可以得出,秸秆还田配施化肥不仅能提高黑土团聚体的稳定性及其有机碳含量,还能明显改善土壤的养分状况,对黑土肥力提升具有积极意义。

不同利用方式下土壤团聚体腐殖质组成及胡敏酸结构特征

通过微区定位试验,研究了休闲地、耕地、裸地3种利用方式对土壤水稳性团聚体中腐殖质组成及胡敏酸(HA)结构特征的影响。结果表明:休闲地有利于团聚体中腐殖质的形成,其团聚体中的胡敏酸(HA)、富里酸(FA)含量均高于耕地和裸地。休闲地各级团聚体中HA的缩合度最低,脂族性最强;耕作会导致>2mm和2～0.25mm团聚体中HA的芳香性增强,脂族性降低。

典型黑土区不同生态系统下土壤团聚体中胡敏酸的结构特征

为了揭示生态系统类型对土壤团聚体中腐殖质分子结构的影响,本研究以黑土区24 a长期定位试验处理下的自然草地(GL)、耕地(CL)和裸地(BL)土壤为研究对象,采用湿筛法将土壤团聚体分为>2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm 4个粒级,运用元素分析、红外光谱和差热分析技术,对团聚体中胡敏酸(HA)的结构性质进行了研究。结果表明,生态系统类型对团聚体中HA的分子结构产生了影响。耕地各级团聚体中HA的O+S含量以及(O+S)/C比值(摩尔比)普遍高于草地相应粒级团聚体,反映了耕地土壤团聚体中HA的氧化程度高于草地;差热分析中,耕地和裸地土壤团聚体中HA的中温放热量低于草地相应粒级团聚体,且二者的热量高/中比值均高于草地,说明耕地和裸地土壤团聚体中HA的芳香性/脂族性高于草地;草地和耕地土壤团聚体中HA在2 920和2 850 cm-1处代表脂族聚亚甲基和末端甲基中C-H伸缩振动的吸收峰明显强于裸地,脂族碳/羧基碳(2 920/1 720)以及脂族碳/芳香碳(2 920/1 620)比值高于后者。与自然草地相比,耕地和裸地生态系统会增强土壤团聚体中HA的缩合度、氧化度和芳香性,提高其分子结构的稳定性。

示差红外光谱在土壤有机质组成研究中的应用

采用红外透射光谱法,对不同管理方式下黑土有机质组成进行了红外光谱分析,并运用差谱的方法,降低土壤矿物对有机吸收峰的干扰。选择2920、2850、1630和1420 cm^(-1)作为代表有机质官能团的吸收峰,通过积分计算各吸收峰的相对面积,并对吸收峰面积与土壤有机质(SOM)的组分含量进行了相关分析。土壤在2920 cm^(-1)处脂族结构的吸收峰面积与土壤活性有机碳(水溶性有机碳、热水溶性有机碳、游离态轻组碳和闭蓄态轻组碳)含量呈正相关,可反映土壤活性有机碳含量;在1630 cm^(-1)处芳香结构的吸收峰面积与以上活性有机碳含量呈负相关,可反映土壤稳定性有机碳含量。土壤在1630和2920 cm^(-1)处吸收峰面积的比值(1630∶2920)与稳定性(重组)有机碳和活性(轻组)有机碳含量的比值呈显著正相关,可指示SOM的稳定程度。本方法所需样品量少、成本低、便捷,适用于对矿物组成一致的土壤进行有机质组成的测定。

长期不同利用方式对黑土剖面中有机质化学组成的影响

为了研究土地利用方式改变对土壤有机质(SOM)组成和稳定的影响。以典型黑土区29年长期定位试验为平台,采用红外光谱和固体^(13)C核磁共振技术,对农田、草地和林地三种利用方式下不同剖面深度(0~10、10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm)SOM的活性组分含量和有机质官能团进行了分析,探讨了土地利用方式变更对SOM化学组成的影响。结果表明:土壤剖面中4种活性有机碳(微生物生物量碳,溶解性有机碳,轻组有机碳和易氧化有机碳)的含量均表现为草地>林地>农田。随着剖面深度的增加,SOM的脂族碳、甲氧基碳和烷氧基碳逐渐降低,而芳香碳和羧基碳则逐渐增加,其稳定程度逐渐增强。草地和林地土壤剖面中的SOM含有较多氧化程度低、易分解的甲氧基和烷氧碳,而农田SOM则含有较高的芳香结构和羧基碳,其腐质化程度较高。土地利用方式的改变会引起上、下土层中SOM化学组成的变化,植被恢复有利于SOM活性组分的形成,长期耕作可促进SOM稳定组分的积累。

2004–2015年中国科学院海伦农业生态实验站长期监测样地表层土壤养分数据集

黑土地在我国粮食安全中发挥着重要作用。中国科学院海伦农业生态实验站(简称“海伦站”)位于松嫩平原腹地,是中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network,CERN)中唯一从事黑土农田生态系统长期定位监测、研究与示范的国家级野外台站。按照CERN的统一规范,海伦站开展了土壤长期监测工作。本数据集收集、整理了海伦站2004–2015年3种不同施肥措施下表层(0–20 cm)土壤养分数据,包括土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、缓效钾、pH值、交换性阳离子(钙、镁、钾和钠)和阳离子交换量等14项指标,并附有完整的监测样地背景信息、样地管理记录、采样和分析方法记录以及质控信息。本数据集中10种土壤养分指标测定的相对误差平均为2.37%,重复测定的相对偏差为2.08%。本数据集可为黑土资源可持续利用、东北地区农田土壤肥力演变以及区域农业生态研究等工作提供数据基础。

耕翻和秸秆还田深度对东北黑土物理性质的影响

为了明确耕翻和秸秆还田深度对土壤物理性质的影响,在东北黑土区中部进行了6 a的耕翻和秸秆还田定位试验,设置了免耕(D0)、浅耕翻(0~20 cm)(D20)、浅耕翻+秸秆(D20S)、深耕翻(0~35 cm)(D35)、深耕翻+秸秆(D35S)、超深耕翻(0~50 cm)(D50)和超深耕翻+秸秆(D50S)7个处理开展研究,秸秆还田处理将10 000 kg/hm2秸秆均匀地还入相应的耕翻土层。结果表明,耕翻和秸秆还田深度是影响土壤物理性质的重要农艺措施。与初始土壤相比,免耕显著增加了0~20cm土层土壤容重,减少了孔隙度、持水量、饱和导水率和>0.25mm水稳性团聚体的含量(WAS>0.25)(P<0.05),而对20~50 cm土层没有显著影响(P>0.05)。在0~20 cm土层,除了D50处理显著降低了WAS>0.25含量以外,D20,D35和D50处理对各项土壤物理指标均没有显著影响;而D20S和D35S处理则显著改善了该层各项土壤物理指标。在>20~35 cm土层,D35、D35S、D50和D50S处理显著改善了该土层各项土壤物理指标(除了2014年的容重)。在>35~50cm土层,D50和D50S处理对各项土壤物理指标改善效果显著,特别是相应土层通气孔隙度和饱和导水率显著增加。研究结果表明耕翻配合秸秆对土壤物理指标的改善效果优于仅耕翻处理。综合评分结果也表明D35S和D50S处理分别对>20~35 cm和>35~50 cm土层土壤物理性质的改善效果最好,说明在质地黏重的黑土上深翻耕或者超深翻耕配合秸秆还田通过土层翻转秸秆全层混合施用能够显著改善全耕作层土壤的物理性质,增加耕层厚度,扩充土壤的水分库容,提高黑土的水分调节能力。

不同土地利用方式对黑土剖面土壤物理性质的影响

选择地势平坦相毗邻地块的4种不同土地利用方式(农田,CL;落叶松林地,FL;自然草地,GL;裸地,BL),利用环刀法测定了土壤容重、田间持水量和饱和持水量,利用吸管法测定了土壤机械组成,利用湿筛法测定了土壤水稳性团聚体,分析了0—200cm剖面内土壤物理性质的分布、变异程度和相关性。研究结果表明:土地利用方式显著影响了表层(0—20cm)的土壤容重、孔隙度和土壤持水量,容重表现为GL<CL<FL<BL,而孔隙度和田间持水量表现为GL>CL>FL>BL。土地利用方式对剖面土壤颗粒组成的影响表现为GL砂粒含量比较高,BL粉砂含量较高,而FL的粘粒含量较高。粒径>0.25mm团聚体含量(WAS>0.25mm)、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)均随剖面深度增加而降低,不同土地利用方式间的差异表现在0—60cm土层,为GL>FL>CL>BL。GL和FL由于根系的作用增加了土壤物理性质的变异程度。土壤颗粒组成对土壤容重、饱和持水量和田间持水量都有显著的影响。研究结果表明,自然草地能够显著改善并恢复土壤的物理性质。

黑土团聚体结合碳对不同有机肥施用量的响应

以连续11年化肥配施不同剂量有机肥的黑土为研究对象,采用团聚体分组与闭蓄态微团聚体分离技术,研究土壤团聚体及其内部组分有机碳对不同有机肥施用量的响应,以期从团聚体尺度揭示黑土有机碳的物理稳定性机制。试验设置4个处理:OM0,仅施化肥;OM1,低量有机肥(7.5 Mg hm-2 a-1)+化肥;OM2,中量有机肥(15 Mg hm-2 a-1)+化肥;OM3,高量有机肥(22.5 Mg hm-2 a-1)+化肥,各处理化肥用量相同。结果显示,与单施化肥相比,有机培肥处理土壤有机碳水平均有显著提升,低量、中量和高量有机肥处理分别提高了7.1%、12.4%和15.7%。有机培肥促进了土壤的团聚化作用,随着有机肥施用量的增加,250—2000μm团聚体含量增加,粉粘粒含量降低,土壤团聚体的稳定性增强,但与中量有机肥相比,高量有机肥输入对土壤团聚化的作用并不明显。有机培肥加速了土壤大团聚体的周转,大团聚体周转速率随着有机肥施用量的增加而加快。有机肥输入并未影响粉黏粒结合有机碳浓度,表明在无有机肥投入的传统管理措施下,黑土粉黏粒已接近或达到碳饱和水平。随着有机肥输入的增加,微团聚体有机碳小幅增加,大团聚体有机碳增加趋势明显,而当有机肥用量最大时,微团聚体有机碳无显著变化,仅大团聚体有机碳仍继续增加,表明高量有机肥投入下微团聚体有机碳库已达到饱和,而更多的新增碳流向大团聚体。对大团聚体内部组分解析发现,高量有机肥处理下大团聚体有机碳的增加主要归因于粗颗粒有机质的增加。这些结果表明,黑土团聚体对有机碳的固持存在由小到大的等级饱和机制,随着有机肥输入的增加,粉粘粒最先达到饱和,然后是微团聚体,而更多的新增碳向周转不断加速的大团聚体富集,固持在活性相对较强的有机碳库—粗颗粒有机质之中。

秸秆还田后效对玉米氮肥利用率的影响

【目的】玉米秸秆还田已经成为培肥土壤的重要农艺措施之一,研究玉米秸秆还田后效对氮肥利用率的影响,旨在为提出提高氮肥利用率的秸秆还田方式提供理论依据。【方法】以中国科学院海伦农业生态实验站为研究平台,以质地黏重的黑土为研究对象,运用15N同位素示踪技术,以2011年进行秸秆还田的田间试验为基础,于2016年开展不同秸秆还田方式后效对化肥氮利用率影响的研究。以未进行秸秆还田的处理为对照(CK),在同等秸秆还田量下(10 000 kg·hm-2)设置免耕秸秆覆盖(D0),粉碎后的秸秆均匀混于0—20 cm土层(D0-20)、0—35cm土层(D0-35)和20—35 cm土层(D20-35),秸秆平铺于35 cm深度(D35)和50 cm深度(D50)7个处理。【结果】不同秸秆还田方式后效通过促进玉米干物质积累,提高玉米对氮素的吸收,增加玉米的氮素积累进而提高氮素利用率。不同处理对玉米各器官干物质积累的影响表现为D0-35>D20-35>D0-20>CK≥D0>D35>D50,其中D0-35和D20-35(秸秆深混还田后效)处理比其他处理分别显著提高了7.1%—47.7%和2.0%—39.1%(P<0.05)(叶子除外)。不同秸秆还田方式后效对玉米各器官氮含量没有显著影响(P>0.05),但是D0-35、D20-35和D0-20处理显著增加了玉米各器官氮素积累量(P<0.05),与CK、D0、D35、D50处理相比分别提高了15.8%—20.2%、8.5%—18.2%和27.9%—39.5%(P<0.05)。与其他处理相比,D0-35和D20-35处理玉米各器官15N累积量分别显著提高了5.1%—38.4%和9.3%—31.8%。74.1%以上的15N累积在玉米的籽粒中,不同秸秆还田方式后效没有显著影响15N在玉米各器官的分配比例,说明玉米秸秆还田后效通过促进玉米植株整体对肥料氮的吸收来提高氮肥的利用率。D0-35处理氮肥利用率和15N肥料氮的残留率与其他处理相比分别提高了1.9—12.7个百分点和6.9—21.2个百分点,而氮肥损失率则降低了8.8—31.3个百分点;但是与CK处理相比,D0、D35和D50(秸秆层铺后效)处理没有显著增加氮肥利用率,同时D0和D50处理氮素损失率提高了3.6和4.4个百分点;说明秸秆层铺后效有增加氮素损失的风险,而通过秸秆深混还田后效构建肥沃耕层是一种提高氮肥利用率的有效地途径。与CK处理相比,D20-35、D35和D50处理的氮肥贡献率分别显著提高了3.74、4.26、3.79和4.51个百分点(P<0.05),但是不同秸秆还田方式后效之间没有显著查差异(P>0.05)。Pearson相关分析结果表明秸秆还田后效通过促进玉米根系生长、增加土壤中轻组有机碳含量及改善土壤物理性质来提高氮肥利用率。【结论】对于质地黏重的黑土,可以通过增加秸秆还田混合深度,构建肥沃耕层提升土壤肥力和改善土壤结构,能够有效提高氮肥的利用率。

长期施肥对黑土磷和锌形态转化的影响

【目的】东北黑土地为我国重要粮食生产基地高肥力的黑土仍需施用磷肥以保障粮食高产。探讨长期施肥对土壤磷和锌形态转化机制,为确保黑土区粮食和环境安全提供理论依据。【方法】本研究以设在典型黑土区13年的长期施肥定位试验为研究对象,设不施肥(CK)、施氮磷钾肥(NPK)、施氮磷钾加不同量有机肥(NPK+OM_1、NPK+OM_2、NPK+OM_3)共5个处理分析土壤不同形态磷和锌含量。【结果】长期施化肥对土壤有机磷含量影响不显著但土壤无机磷含量显著增加;长期不施肥黑土有效磷含量为32.6 mg/kg,长期施化肥加有机肥可显著增加土壤有效磷含量;连续13年施用磷肥,土壤中的磷每年平均累积16 kg/hm^2,其主要以铝磷(A1-P)和铁磷(Fe-P)的形态在土壤中储存,其中约20%仍为有效磷;而磷肥加有机肥的3个处理,连续施用13年后有机磷含量增加了47.2~67.9 mg/kg无机磷含量增加253.4~410.6 mg/kg,土壤全磷平均分别以每年49.4(NPK+OM_1)、64.2(NPK+OM_2)、70.4(NPK+OM_3)kg/hm^2的量累积在土壤中,其中15%~21%仍为有效磷主要以有效性较高的二钙磷(Ca_2-P)、八钙磷(Ca_8-P)、Al-P、Fe-P存在于土壤中,只有10%~21%的磷以有机磷的形态累积在土壤中,并且这个比例随有机肥施用量的增加而降低。黑土长期不施肥土壤有效锌(DTPA-Zn)含量可达1.96mg/kg,长期施化肥、化肥加有机肥均可显著增加土壤DTPA-Zn含量;长期施化肥使黑土酸化,改变了土壤锌形态增加了土壤交换态锌和无定型铁氧化物结合态锌的含量,化肥加有机肥显著增加了除矿物态锌以外的其他各形态锌的含量其中55%~88%以无定型铁氧化物结合态锌储存在土壤中。通径分析结果显示,Ca_2-P对DTPA--Zn影响最大,Ca_8-P、Al-P、Fe-P通过Ca2-P间接影响DTPA-Zn含量。【结论】长期施入黑土的磷主要以有效性较高的无机态磷储存在土壤中,锌主要以无定型铁氧化物结合态储存在土壤中。黑土中磷与锌未表现出拮抗作用且有效性高的Ca_2-P对DTPA-Zn含量的影响最大且二者呈正相关关系。

施肥对小麦、玉米和大豆连作土壤微生物群落功能多样性的影响

为了明确长期施肥和不施肥条件下作物连作对土壤微生物群落功能多样性的影响,以典型黑土为研究对象,选取长期定位实验站长期施肥和不施肥条件下的小麦、玉米和大豆连作处理,通过稀释平板法和Biolog Eco微平板法,测定土壤细菌、真菌、放线菌数量、碳源代谢活性等指标,为建立合理的农田管理措施提供数据支撑和理论依据。结果表明:长期施肥条件下大豆、小麦和玉米连作土壤细菌、真菌和放线菌数量均高于不施肥处理,且均以大豆连作处理细菌和真菌数量最高。不施肥条件下小麦和玉米连作土壤细菌总数较大豆连作处理分别下降了24.8%和31.0%,真菌总数分别下降了64.0%和51.2%;施肥条件下小麦和玉米连作土壤细菌总数则较大豆连作处理分别下降了29.0%和45.5%,真菌总数分别下降了26.7%和31.5%。Biolog结果表明,不施肥条件下小麦连作处理的平均颜色变化率(AWCD)高于玉米和大豆连作处理,施肥条件下则是大豆连作处理的AWCD值高于小麦和玉米连作处理。不施肥条件下大豆、玉米和小麦连作处理利用最多的碳源是碳水化合物类,施肥后不同连作处理利用最多的是碳水化合物类和多聚物类。大豆和小麦连作不施肥条件下土壤微生物利用率最高的碳源均是α-D-乳糖,施肥条件下利用率最高的碳源均是D,L-α-甘油,而不论施肥与否,玉米连作条件下土壤微生物利用率最高的碳源均是D-半乳糖醛酸;葡萄糖-1-磷酸盐和γ-羟基丁酸是农田黑土微生物群落特异利用的关键碳源。主成分分析得出,施肥对土壤微生物碳源代谢能力的影响大于作物的影响。

黑土区不同水分处理对大豆产量和水分利用效率的影响

以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内的2011年水分控制试验为基础,分析了四个水分处理对大豆产量和水分利用效率的影响。研究结果表明,不同水分处理对大豆生物量与株高的影响表现为过量水处理(I1)>适宜水处理(I2)>自然降水(R)>干旱水处理(I3);I2能够明显改善大豆的农艺性状,增加大豆的百粒重和每株粒数,降低瘪荚数的发生;与I1,R和I3相比,产量分别增加了13.7%,12.4%和24.1%,R与I2之间的差异表明除了土壤进水量以外,灌溉时间也是影响大豆产量的主要因素之一。受到土壤进水量的限制,I3的水分利用效率最高,为18.36 kg/(hm2.mm),其次为I2为14.38 kg/(hm2.mm)。因此,从大豆产量和水分利用效率的角度考虑,在大豆的生长期间内I2的347mm的土壤进水量是能够满足其生长发育需要的,合理的灌溉时间是节约灌溉用水,提高产量和水分利用效率的关键。

土地利用方式和施肥管理对黑土物理性质的影响

为了探讨东北黑土区土壤水分的调控能力及其影响因素以及土壤水分对降水和不同植被覆盖的响应,以海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站内的长期定位试验为基础,利用中子水分仪测定土壤体积含水量,研究裸地、休闲地以及包括单施有机肥、化肥+秸秆还田、单施化肥和不施肥4种处理的农田耕层土壤物理性质和土壤水分动态。结果表明:与休闲地相比,农田土壤容重增加7.47%,而孔隙度、饱和含水量和田间持水量均呈降低趋势,分别下降2.59、6.04和1.90百分点;肥料的施入尤其是施用有机肥和秸秆还田能够改善土壤物理性质;裸地土壤物理性质最差。由于植被耗水量较大,农田和休闲地土壤剖面年平均体积含水量显著低于裸地,施用化肥和秸秆还田可显著降低农田土壤剖面年平均体积含水量。各处理土壤剖面水分变异系数均随土壤深度的增加(0～70 cm深处)而呈先减小后增加趋势。由于植被生长的耗水作用,休闲地和农田土壤水分变化比裸地强烈,秸秆还田加剧了农田土壤水分的变异。土壤储水量的动态变化与降水量之间存在明显相关性,不同土地利用方式和施肥管理对浅层土壤储水量的影响较大,但随着土壤深度的增加,各处理对土壤储水量的影响越来越不明显。

玉米秸秆混合还田深度对土壤有机质及养分含量的影响

秸秆还田是提升土壤肥力的重要措施之一,还田深度是影响还田效果的重要因素。本文以黑土为研究对象,分析了连续3年等量秸秆混入不同深度土层对土壤有机质及养分含量的影响。试验包括4个秸秆混合还田深度,0~15 cm(D15S),0~20 cm(D20S),0~35 cm(D35S)和0~50 cm(D50S),秸秆还田量均为10 000 kg·hm^(-2)。研究结果表明等量秸秆混入不同深度土层,导致不同处理秸秆在土壤中的含量(SC)在1.68~6.06 g·kg^(-1)之间,随着秸秆混入土层深度的增加SC值逐渐减小;秸秆混合还田增加了相应土层土壤有机质含量,与D15S处理相比,D20S、D35S和D50S处理土壤有机质增加量分别降低了27.3%,48.4%和67.8%,但是秸秆的有机质转化率在D35S处理达到了最大值,与D15S、D20S和D50S相比分别增加了28.6%,32.6%和17.5%,不同处理土壤有机质增加的总量表现为D35S>D50S>D15S>D20S,土壤轻组有机碳总量表现出相似的趋势;等量秸秆混入不同深度土层没有显著增加相应土层全量养分的含量,但是显著增加了速效养分含量(P<0.05),与初始值相比,D15S、D20S、D35S和D50S处理土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量分别提高了7.17%~20.6%、9.16%~38.2%和12.6%~43.7%,其中土壤速效养分增加率在D35S处理达到了最大值,说明秸秆深混还田能够促进养分在土壤深层的积累,增加全层土壤养分的供给能力。因此,建议研究区域秸秆混合还田的深度为0~35 cm,提高秸秆混合还田对土壤肥力的贡献,实现黑土地保护。

长期施用有机肥对黑土土壤肥力和玉米产量的影响

我国有机肥资源丰富并且有施用有机肥培肥土壤的传统,为了探讨有机肥的培肥效果及玉米产量的响应,于2003年在东北黑土区中部建立了有机肥还田定位试验,设置了无肥(CK)、化肥(NPK)和有机肥(M)3个处理开展研究,有机肥的施用量为22500 kg·hm^-2。研究结果表明,试验期间CK处理玉米产量均显著低于NPK和M处理(P<0.05),2003-2015年间NPK处理玉米产量较M处理显著提高了10.7%~29.4%(P<0.05),有机培肥13 a以后M处理玉米产量与NPK处理没有显著差异(2018年除外)(P>0.05),表明连续有机培肥后的土壤有实现有机肥替代化肥的能力。与初始土壤相比,在0~20 cm和20~40 cm土层,M处理土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别显著增加了48.8%~315%和12.4%~147%(P<0.05),NPK处理仅显著增加了速效磷的含量,CK处理有机碳、全氮和碱解氮含量分别显著下降了13.8%~24.0%和17.0%~27.0%。M处理显著降低了0~20 cm和20~40 cm土层的土壤容重,显著提高了0~20 cm土层的通气孔隙度。有机肥的长期施用能够提高0~40 cm土层土壤肥力,改善土壤结构,对有机肥替代化肥促进作物产量的稳定和提高的主要原因。

黑土颗粒有机碳和氮含量对有机肥剂量响应的定量关系

黑土是一种非常重要的耕种土壤,但是由于过度地开发利用和水土流失导致土壤有机质含量迅速下降,严重影响了耕地生产力和作物产量。为了能够快速恢复黑土肥力,利用海伦国家野外科学观测研究站内的长期定位试验,定量分析了黑土颗粒有机碳和氮含量对有机肥剂量的响应。田间试验开始于2001年,设置了4个施肥处理,分别为：1单施化肥（OM0）;2低剂量有机肥与化肥配施（OM1）;3中剂量有机肥与化肥配施（OM2）;4高剂量有机肥与化肥配施（OM3）。在2011年播种前,采集各处理0~20 cm耕层土壤样品。应用有机碳物理分组方法,测定分析了土壤有机碳、氮及各组分的含量。研究结果表明长期不同剂量有机肥输入能够显著增加黑土总有机碳和全氮含量（P〈0.05）,每增施1 t有机肥,土壤有机碳含量增加0.186 kg,土壤全氮含量增加0.02 kg,表明增加有机肥投入量是提高黑土有机碳含量的有效措施。有机肥的施用增加了土壤中粗颗粒和细颗粒组分,不同剂量有机肥处理表现为OM3〉OM2〉OM1〉OM0,而减小了土壤中矿质结合态组分的含量;随着有机肥施入量的增加,粗颗粒和细颗粒土壤有机碳和氮的含量呈增加的趋势,而矿质结合态中的有机碳含量则略有下降,表明粗颗粒和细颗粒有机碳和氮是黑土有机碳和氮的主要储存库,有机无机配施对土壤有机碳、氮的提升作用主要集中于对活性组分颗粒有机质的形成和积累。与OM0处理相比,有机肥的施入显著降低了颗粒有机质和矿质结合态有机质的C/N,并且随着有机肥施入量的增加而逐渐降低。与单施化肥相比,化肥有机肥配施能够显著增加土壤的总有机碳,全氮,颗粒有机碳、氮含量,其中以化肥配施高剂量有机肥效果最佳,有利于黑土土壤肥力的快速提升,改善黑土的土壤质量。

黑土团聚体与颗粒中碳、氮含量及腐殖质组成的比较

【目的】研究黑土不同粒级团聚体和颗粒中的碳、氮及腐殖质组分含量,并分析、比较土壤团聚体与土壤颗粒中腐殖质相互关系。【方法】以黑土区连续9年的耕作试验为平台,采用湿筛法分离土壤团聚体,超声波方法分离土壤颗粒,分别测定不同粒级团聚体和土壤颗粒中的碳、氮、胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、铁结合胡敏素(Hi)、黏粒结合胡敏素(Hc)和不溶性胡敏素(Hr)的含量。【结果】>53μm粒级颗粒中的碳、氮以及HA、FA、Hi和Hc的含量明显低于<53μm粒级颗粒,而>53μm和<53μm粒级团聚体中的碳、氮以及HA、FA、Hi和Hc的含量则基本处于同一水平。因此,形成团聚体的过程,弱化了粒级之间有机质的差异。相同粒级比较,在>53μm粒级中,团聚体比颗粒含有更多的腐殖质,且PQ值和腐殖质化程度大于颗粒;但在<53μm粒级中,团聚体和颗粒中腐殖质的含量和PQ值则处于同一水平,说明在较大粒级中,由于同样也包含了小颗粒的作用,强化了团聚体与颗粒中有机质的差异。【结论】土壤团聚体与土壤颗粒中碳、氮以及腐殖质各组分含量随粒级变化的规律存在着明显差异。不同粒级土壤颗粒中有机质的含量差异及其腐殖化程度差异会随着团聚化作用减弱。