2000—2020年中国耕地旱改水空间格局演变及其适应性管理

灌溉农业对粮食高产稳定至关重要。近20年中国大力推行旱改水型农田整治,但旱改水的空间格局不清、旱改水转换适宜性不明,限制了旱改水适应性管理及耕地科学保护和永续利用。为此,利用2000—2020年5期30 m×30 m遥感数据,揭示中国耕地旱改水空间格局及其转换特征,并构建地形、气候、土壤与耕作4个维度的适宜性评价体系,评估旱改水工程实施的空间匹配效果,探索适应性管理分区与策略。结果表明:1)2000—2020年全国旱改水耕地面积达1297.04万hm^(2),占耕地总面积的7.31%,主要分布于黑龙江东部、河南中部、四川东部和江苏中部;2)2000—2020年全国旱改水耕地中17.70%为勉强匹配,11.54%为不匹配,旱改水工程实施的总体效果不佳;3)未来应划分不同的旱改水适应性管理分区,按适宜性优先级制定针对规划、利用和服务的差异化旱改水整治策略,研究可为耕地保护、国土空间生态保护和修复规划及两区划定等提供科学依据。

旱地农田氮磷淋溶发生特征研究进展

氮磷淋溶是旱地农业面源污染的主要形式,直接导致水体污染风险尤其是地下水氮磷含量超标,明确氮磷淋溶发生特征是制定针对性措施阻控农田养分流失的前提条件。本文利用文献计量学方法分析了1984—2022年国际农田氮磷淋溶研究热点,论述当前主要淋溶监测方法及其优缺点,总结了影响淋溶的关键因素及其所带来的环境效应,探讨了氮磷淋溶研究存在的问题及未来研究方向。1984—2022年研究热点主要集中在不同水肥条件和管理方式下土壤氮素、磷素、硝酸盐等溶质的淋溶特征:NO_(3)^(−)-N为氮素淋溶主要形态;磷多以难溶颗粒态固持在土壤中,垂直迁移较少,但随着磷肥用量增加,淋溶逐渐成为磷损失的重要途径。当前的氮磷淋溶定量化方法主要包括原位实地监测和人工模拟降雨重塑淋溶过程,每种方法均有其优缺点,在研究过程中应当根据土壤、作物、目的等因地制宜地选择监测方法。受施肥、降雨灌溉、土壤类型和土地利用方式等因素影响,各地农田氮磷淋溶风险不一,主要农区肥料投入量大,土壤氮磷盈余量、地下水污染情况较其他地区更严重,环境风险仍十分严峻。未来面对极端气候变化,应在评估地下水硝酸盐污染程度的同时加强旱地深层土壤微生物过程、驱动机理研究,准确识别主要污染物类型从而进行针对防控,继续研发适合长期、连续和与自然条件相似的监测方法,综合运用原位监测、遥感、模型模拟等方法,量化同一区域内不同土地利用方式氮磷淋溶贡献,开展分类分区分级治理。

不同耕作措施下旱作农田土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征

以连续进行12年的保护性耕作长期定位试验为研究对象，探索了传统耕作（T）、传统耕作＋秸秆还田（TS）、免耕不覆盖（NT）、免耕＋秸秆覆盖（NTS）4种耕作措施对陇中黄土高原旱作农田豌豆一小麦双序列轮作系统的土壤团聚体中有机碳和全氮分布特征的影响。结果表明：各处理均以≥0．25mm团聚体为优势团聚体，且i〉0．25mm团聚体含量随土层深度增加而增加，而其他粒径团聚体含量随土层深度的变化并无明显规律。较之T处理，TS、NT、NTS处理均可提升≥0．25mm团聚体含量和平均重量直径，NTS处理提升效果最明显。TS、NT、NTS处理土壤有机碳和全氮含量均高于T处理，其中TS、NTS处理显著高于T处理，NTS处理高于TS处理；各处理土壤有机碳和全氮含量均随土层增加而减小。较之T处理，NT、TS、NTS处理可不同程度提高各粒径团聚体中有机碳和全氮含量，NTS处理的含量最高；各粒径团聚体中有机碳和全氮含量均随土层深度增加而减小；同时，团聚体中有机碳和全氮含量随粒径减小而增加。2-5mm和O．25～2mm和≥5mm团聚体含量与相应粒径团聚体有机碳含量呈极显著正相关、极显著正相关和极显著负相关；0．25～2mm和≥5mm团聚体含量与相应级别团聚体全氮含量分别呈极显著正相关和显著负相关。T处理不同粒径团聚体有机碳和全氮贡献率按其大小排序均为（〈0．25mm）〉（≥5mm）〉（0．25～2mm）〉（2～5mm），其他3种耕作措施各粒径团聚体有机碳和全氮贡献率在各土层中的排序各有不同，并无明显规律。

赣南红壤地区农田和旱地土壤呼吸及其温度敏感性研究

本文采用静态碱液(NaOH溶液)吸收法来测定赣南红壤地区不同土地利用方式下的土壤呼吸,总结其释放规律。研究表明,农田和旱地的的CO2释放量均为正值,但是CO2的释放量存在着区别,同时这两种土地利用类型土壤呼吸都有明显的日变化和季节变化,并且土壤呼吸与温度的变化有相关性。通过模拟,农田和旱地土壤呼吸与土温有较好的指数关系,并且通过计算:农田和旱地的土壤呼吸对温度的敏感性(Q10)存在差异,农田和旱地对地下5cm处土温的敏感性分别为3.66、5.56,农田的Q10值要小于旱地。

陇东旱塬休闲期农田雨水收集及补灌技术研究

在陇东旱塬休闲期农田采用集流场收集天然降水,富集叠加于农田作物可有效提高单住面积产量和总产量,抗逆减灾。收集的雨水应按照作物灌溉制度,以圆艺作物为主要供水对象,大田作物上补灌应以稀植作物为主,密植作物为辅。同时,集流场雨季集流后,翌年可用于适雨型作物种植。

不同覆盖方式对旱作农田土壤碳氮含量及玉米产量的影响

设置垄膜沟播(R)、平作全覆膜(P)和平作秸秆覆盖(S)3种不同覆盖栽培模式,以传统平作(CK)为对照,通过3 a大田定位试验,研究不同覆盖方式对农田土壤碳氮及其组分变化、玉米干物质积累和籽粒产量的影响。结果表明:连续覆盖3 a后,R和P处理土壤有机碳和全氮含量及储量均呈逐渐下降趋势,而S处理则呈上升趋势且每年的增幅逐渐增大;各处理0~40 cm土层土壤有机碳储量均表现为S>R>P>CK,全氮储量表现为S>CK>R>P,S处理有机碳和全氮储量分别较CK提高3.4%和7.5%;与CK相比,R和P处理可提高土壤碳氮比,在0~20 cm土层平均分别提高7.9%和9.6%(P<0.05),而S处理0~20 cm土层土壤碳氮比平均降低了9.9%(P<0.05);各覆膜处理(R和P)均较CK显著降低了0~40 cm土层土壤可溶性有机碳(DOC)和土壤可溶性有机氮(DON)含量,而S处理较CK处理0~60 cm土层DOC和DON含量2 a平均均提高6.2%;各处理收获期硝态氮含量在0~100 cm剖面中的垂直分布与CK无明显差异;各处理土壤铵态氮含量均低于硝态氮含量,且在不同土层中的波动较小,R和P处理提高了深层(60~100 cm)土壤铵态氮的含量,分别提高了30.4%和32.4%(P<0.05);覆膜处理(R和P)显著增加了玉米植株的干物质积累并提高籽粒产量,各覆盖处理(R、P和S)籽粒产量分别较CK平均提高了17.4%(P<0.05)、17.9%(P<0.05)和3.2%。总体而言,地膜覆盖(尤其是平作覆膜处理P)对玉米产量的提高有明显的效果,秸秆覆盖(S)对提高土壤碳氮的积累及保持土壤可持续性有积极作用。

不同氮水平下秸秆、生物质炭添加对旱作农田土壤酸解有机氮组分的影响

为探明不同氮水平下秸秆、生物质炭添加对陇中黄土高原旱作农田土壤酸解有机氮组分的影响,2014年在定西市安定区李家堡镇布设的不同氮水平下秸秆、生物质炭添加定位试验(共9个处理),利用Bremner分级法,对该试验2018年收获后的土壤有机氮组分进行测定与分析。结果表明:在0~30 cm土层(0~5、5~10、10~30 cm土层),各处理酸解总有机氮、酸解氨态氮、酸解氨基酸态氮、酸解未知态氮含量均随土层的加深而降低,酸解氨基糖态氮含量随土层的加深而增加;较之无炭处理(CN0、CN50、CN100处理的均值),生物质炭添加(BN0、BN50、BN100处理的均值)处理可提升酸解总有机氮含量10.12%、9.14%、7.61%(土层由上至下),提升酸解氨态氮含量15.02%、16.25%、17.19%(土层由上至下),提升酸解氨基酸态氮含量13.31%、11.84%、8.74%(土层由上至下),其中BN100处理下对其提升效应最显著;较之无炭处理(CN0、CN50、CN100处理的均值),秸秆添加处理(SN0、SN50、SN100处理的均值)可提升酸解氨基糖态氮含量26.46%、26.51%、25.78%(土层由上至下),其中SN100处理下对其提升效应最显著;不同处理下,有机氮各形态的分布趋势为酸解氨基酸态氮>酸解氨态氮>酸解未知态氮>酸解氨基糖态氮。总之,BN100处理对酸解氨基酸态氮、酸解氨态氮提升效应最显著,进而增加土壤供氮潜力,可筛选为该区春小麦栽培的合理施肥方式。

不同保水剂及覆盖材料对西南旱作农田土壤特性和油菜生长的影响

为应对西南旱作农田耕地质量下降、水土流失严重等问题,通过田间小区试验,以不施加保水剂+无覆盖处理(A_(1)B_(1))为对照,探索不同保水剂:不施加保水剂(A_(1))、常规农用保水剂(A_(2))、微生物保水剂(A_(3)),不同覆盖材料:无覆盖(B_(1))、地膜覆盖(B_(2))、秸秆覆盖(B_(3))处理下对土壤特性的影响.结果表明,油菜花期以前不同覆盖处理配施保水剂能有效提高0~20 cm土层含水量,生长后期秸秆覆盖处理的保水效果减弱;不同覆盖处理配施保水剂可以显著提高土壤养分含量,其中A_(3)B_(2)处理的土壤碱解氮、有机质质量分数较对照处理显著提高了12.93%和45.79%,A_(3)B_(3)处理的土壤速效磷质量分数较对照处理显著提高了12.97%;A_(3)B_(2)及A_(2)B_(3)处理显著提高土壤蔗糖酶活性,各处理对过氧化氢酶活性无显著影响;通过Biolog-ECO培养发现A_(2)B_(1)及A_(3)B_(2)处理能够显著提高土壤微生物碳源代谢活性(AWCD),A_(3)B_(2)处理下土壤微生物对胺类碳源、氨基酸类碳源的利用率较对照处理显著提高了48.53%和33.94%,丰富度指数(R)、香农指数(H)和优势度指数(D)均在A_(3)B_(2)处理下达到峰值;A_(3)B_(2)处理下的油菜株高,地上部、地下部干物质质量及油菜产量显著高于对照处理.综合而言,不同覆盖材料及保水剂对土壤特性有积极影响,地膜覆盖配施微生物保水剂处理(A_(3)B_(2))能够显著改善土壤含水量和土壤养分状况,提高土壤酶及微生物活性,有利于油菜的生长和产量的增加,适宜在西南旱作区推广应用.

旱地农田N2O、CO2排放主要影响因素及减排措施研究进展

旱地农田是大气中CO2和N2O的重要排放来源,农业生产活动对全球气候变化有着重要影响。本文综述了旱地农田土壤N2O和CO2排放机理、影响因素,并从合理施肥、合理灌溉和优化农作措施等方面提出减排措施,以期实现农业可持续发展。

陇中旱区农田土壤微量元素特征及其对绿肥休耕的响应

研究土壤微量元素对绿肥休耕的响应,为大面积区域农田土壤养分管理和农业生产提供参考。基于陇中旱区3年多点位监测数据,选择土壤有效铁、有效锰、有效铜、有效锌、有效钼和有效硼等6项指标,对比分析休耕种植绿肥前后土壤微量元素差异。结果表明:(1)与基础土壤相比,休耕3年后土壤有效锰、有效铜和有效锌含量分别显著增加18.8%,22.5%,14.3%(p<0.05);有效铁和有效硼含量均显著降低(p<0.05),有效钼无显著变化。(2)回归分析表明,有效铁、有效锰和有效铜的变化幅度与休耕前微量元素基础含量均呈负线性关系,而有效锌和有效钼均呈负对数关系(p<0.05),且对有效锰、有效铜、有效锌和有效钼的基础含量分别小于8.0,0.9,0.3,0.06 mg/kg的农田土壤有显著提高效果;有效铁、有效锰和有效铜变化幅度与休耕前土壤有机质和全氮基础养分含量之间均呈显著负线性关系(p<0.05);有效铁、有效锰、有效铜和有效锌变化幅度与休耕前土壤pH之间均呈显著正线性关系(p<0.05)。(3)进一步对休耕后土壤微量元素和常量元素相关分析表明,休耕后有效铁、有效锰和有效锌均与土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾存在显著正相关关系;除有效钼,其他5种微量元素与土壤pH之间均呈显著负相关。综上所述,休耕种植绿肥可不同程度地提高陇中旱农区土壤有效锰、有效铜和有效锌含量,尤其可显著改善土壤缺锰状况,且该模式对土壤养分基础含量较低和偏碱性土壤提高微量元素含量效果更显著。

休耕对陇中旱农区农田土壤养分的影响

[目的]评估休耕对农田土壤养分的影响,阐明休耕模式的适宜性,为区域制定合理的土地管理措施和提高农田土壤质量提供科学依据。[方法]以陇中旱农区农田为研究对象,基于2017—2019年连续3 a的休耕试验数据,选择土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)、pH值和交换性钙、镁7个土壤养分指标,对比绿肥种植休耕模式实施前后土壤养分的变化情况以及休耕与非休耕对照(马铃薯—玉米—马铃薯轮作)土壤养分的差异。[结果](1)与休耕前的基础养分相比,休耕3 a后,SOM,TN和AK含量均有增加趋势,增幅依次为19.5%,23.0%,9.2%,其中除AK外,SOM和TN含量休耕前后均有显著差异(p<0.05);AP,pH值和交换性钙、镁均显著降低(p<0.05),降幅依次为21.8%,1.0%,36.5%,39.6%。(2)与非休耕对照相比,SOM,TN和AK含量分别明显高于对照区3.5%,11.0%,8.5%,AP和交换性钙含量均比对照区低,其中仅TN和交换性钙的含量有显著差异(p<0.05)。(3)AP变化率与其基础含量呈显著对数关系(p<0.001),SOM,TN,AK,pH值等指标变化率与其基础含量之间均呈显著的负相关线性函数关系(p<0.01),即随着土壤基础养分的增加休耕对其养分变化的影响降低,而交换性钙镁的这种关系不显著。(4)休耕3 a后SOM,TN,AK和AP之间均呈显著正相关关系(r>0.38,p<0.05);pH值除与交换性镁的相关性不显著,与其他土壤养分指标均呈显著负相关关系(p<0.01),且休耕区上述土壤养分指标的相关性均比对照区高。[结论]采用种植绿肥的休耕模式,可使陇中旱农区耕地质量得到一定程度的提升,并且对基础养分较低的土壤效果更佳。但3 a的休耕相较于马铃薯—玉米—马铃薯轮作种植地力提升幅度较小,表明在较短的时间尺度内休耕对土壤的改良作用仍十分有限。

渭北旱塬土地整治新增耕地土壤养分特征及肥力等级评价——以合阳县为例

以地处渭北旱塬东部的陕西省合阳县土地整治项目新增耕地为对象,研究县域内新增耕地土壤养分状况,为指导新增耕地后期管理提供参考。通过对合阳县12个乡镇新增耕地土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾的变化特征进行分析,并采用物元模型对其进行综合评价。结果表明:合阳县新增耕地土壤养分含量普遍较低,有机质平均含量8.66 g/kg,全氮1.30 g/kg,有效磷18.66 mg/kg,速效钾151.21 mg/kg。土壤有机质含量偏低,全氮、有效磷含量适中,速效钾较丰富。养分评价等级显示Ⅳ级贫乏等级土壤占83.4%,肥力提升空间较大。建议结合当地经济水平和施肥习惯,优先考虑使用有机肥,适量增加化肥施用量。在种植方式上,可采用种植1年豆科作物和2年小麦的粮豆3年轮作种植模式。

旱地农田土壤N_(2)O排放:从路径、微生物作用机制到靶向调控

农田土壤是陆地生态系统N_(2)O的重要排放源,其中旱地农田土壤N_(2)O排放约占全球农田N_(2)O排放的50%。旱地农田土壤N_(2)O的排放模式具有独特性,呈现“湿润或施氮脉冲”现象。结合多年研究结果,本文系统综述了旱地农田土壤N_(2)O产生的主要路径及微生物作用机制、抑制N_(2)O产生的调控途径,并评价了硝化抑制剂在减少农田土壤N_(2)O排放中的效果以及包含硝化抑制剂氮肥产业化生产的前景。综述表明:以铵态氮为底物的氨氧化路径(包括自养硝化、硝化细菌反硝化、硝化耦合反硝化)是N_(2)O排放+的主要途径,完全氨氧化微生物对自养硝化过程N_(2)O排放的贡献亦不可忽视,抑制以NH_(4)^(+)为底物的氨氧化路径可能是旱地农田调控N_(2)O排放的主要靶向途径,并探讨了今后旱地农田N_(2)O排放研究的重点。未来研究应将多方法(同位素示踪和分子生物学技术)、多尺度(多点田间定位试验、区分根际与非根际)和多因素(不同农田管理措施)相结合,可靠揭示旱地农田土壤N_(2)O排放路径、机制以及根际和非根际N_(2)O排放的异质性,筛选适宜于旱地N_(2)O减排的靶向硝化抑制剂,构建旱地农田N_(2)O排放的理论框架,提出减排的关键靶向调控途径。

气候变化背景下旱地农田生态系统生态缺水变化研究——以武川县为例

近50年以来,由于受气候变化以及高强度的农业生产活动的影响,我国北方旱农地区脆弱的生态环境日益恶化,农田生态系统出现了明显的退化趋势。生态缺水是旱地农田生态退化的主要原因。文中以我国北方旱地农业区的典型县-内蒙古自治区武川县为例,探讨了气候变化背景下旱地农田生态系统生态缺水的变化趋势。研究结果表明:武川县气候正在向干暖化趋势发展,特别是近20年以来,干暖化趋势更加明显。1991-2010年武川县农田生态缺水量呈上升趋势,上升幅度分别为马铃薯45.99mm/10a,春小麦55.40mm/10a。降水是影响生态缺水量的主要因素。在气候干暖化背景下,武川县农田生态系统生态缺水量随降水量的减小而增加,气候变化加剧了旱地农田生态系统的退化。在旱农地区,气候变化背景下旱地农田生态系统退化趋势需要引起全社会的高度关注与重视。