三峡库区不同种植制度的坡地水土流失特征

剖析农业种植制度对库区水土流失的季节性影响,有助于深刻认识库区农业区域水土流失发生规律。基于2018—2021年共4年期间中国科学院三峡库区水土保持与环境研究站自有粮油作物、蔬菜作物、柑橘果园、灌草撂荒4种种植制度小区的水土流失监测数据的整理分析,结果表明:库区4—8月降雨量占全年降雨量的60.4%~75.8%,年内中雨发生频率最高,占73.63%,大雨次之,占19.78%,暴雨频率最低,占6.59%。4种种植制度小区中,柑橘果园的平均径流深、土壤侵蚀强度都最大,表明柑橘果园是该区域重要的水土流失源地。蔬菜作物和粮油作物是库区坡耕地的主要农作物,地块耕作频繁,易于发生水土流失,但不同种植制度下的作物生长周期、田间管理措施存在明显差异,对植被覆盖度、土壤紧实度产生显著影响,进而影响地表径流发生和土壤侵蚀过程。因此,对于三峡库区侵蚀性降雨年内分布不均和不同种植制度田间耕作管理、植被覆盖的季节性差异,应有针对性地采取防治措施,以有效保护农业土壤资源。

河北滨海盐碱地浅层轻度咸水资源冬小麦灌溉安全利用研究

河北滨海盐碱耕地缺少灌溉水资源,该区具有丰富的浅层微/轻度咸水资源,冬小麦生长关键期适当进行微/轻度咸水灌溉能够缓解该区农田灌溉危机。本文以河北省滨海盐碱地为研究对象,选择沧州市南大港产业园区马营村为试验基地,开展浅层轻度咸水冬小麦农田灌溉试验,分析咸水灌溉对冬小麦产量和土壤盐分含量变化的影响。结果表明:1)河北滨海盐碱地浅层轻度咸水(6 g∙L^(-1))在冬小麦拔节—抽穗期进行一次600 m^(3)∙hm^(-2)的灌溉,产量能够达到旱作冬小麦的1.5倍以上,增产效果明显。2)基于暗管排水排盐工程、在雨季保持多年平均降雨量条件下,2016—2018年雨季后试验地土壤平均含盐量分别为2.86 g∙kg^(-1)、1.60 g∙kg^(-1)和1.38 g∙kg^(-1),呈现逐年降低的趋势。由此得出:河北滨海盐碱地浅层咸水资源在冬小麦灌溉方面能够实现安全利用。在此基础上,以河北滨海沧州市为例分析浅层咸水资源利用前景,从水资源量上,1~5 g∙L^(-1)的浅层微/轻度咸水资源可以满足冬小麦农田因地下水压采限采造成的至少1.7×10^(8)m^(3)灌溉水量亏缺,从耕地资源方面,扩大一年两熟种植面积,增加冬小麦种植面积约131000 hm2。研究结果可为河北滨海盐碱地咸水资源安全利用、土壤健康和粮食安全提供科学依据。

华北平原水氮优化条件下不同种植制度的水分效应研究

以华北平原冬小麦夏玉米一年两熟制、冬小麦夏玉米春玉米两年三熟制和春玉米一年一熟制轮作体系为对象,研究了不同种植制度下作物的产量、根层土壤水分动态变化和水分利用效率。结果表明,不同种植制度对产量、耗水和水分利用方面影响显著。一年两熟制下作物的产量、耗水量和水分利用效率均显著高于两年三熟制和一年两熟制,但是降雨量仅能满足总耗水量的72.9%,仍需较多地下水补充灌溉。两年三熟制降雨量能够满足作物耗水量80.4%,产量、耗水量和水分利用效率较一年两熟制分别减少23.1%,12.0%和15.8%。一年一熟制降雨量能够满足作物耗水量的89.2%,产量、耗水量和水分利用效率较一年两熟制分别减少45.2%,27.3%和30.7%。一年两熟制和两年三熟制的各层土壤水分在两年内呈现波浪型变化趋势,一年一熟制各层变化趋势较为平缓。两年三熟制和一年两熟制有利于提高土壤蓄水量,减少灌溉量,进而减少对地下水资源的抽取。两年三熟制降雨量能够较好地满足作物耗水量,产量和水分利用效率介于其它两种种植制度之间,与其它两种种植制度相比;能够兼顾水资源的可持续利用和粮食安全。春玉米高产的适宜栽培措施有待于进一步研究。

我国南方山区坡耕地水土保持措施研究进展

坡耕地是我国南方山区重要的土地资源,也是水土流失重点区。从水土保持工程措施(包括坡面工程和沟道工程措施)、耕作措施、植被措施等方面,系统地分析了各类措施的优劣及在我国南方山区坡耕地的应用情况。我国南方山区坡耕地土壤侵蚀以面蚀为主,应根据我国南方地区物候条件及作物生长进度,科学选择作物品种、种植时间、种植结构(高、矮作物搭配)、空间布局、耕作方式(留茬耕作、少耕或免耕),形成一套可供选择和推广的水土保持种植制度和配套耕作措施技术体系,是该区域坡耕地水土保持措施的发展方向。

紫色土坡地不同种植模式下水土和养分流失动态特征

以径流小区定位监测为基础,研究了紫色土坡地不同种植模式对水、土及养分流失特征的影响。种植试验结果表明:紫花苜蓿+青蒿模式和连翘+紫苏种植模式能较好地保持水土。各小区养分流失表现为:玉米/红苕模式小区地表径流全氮和有效氮含量高于其他小区,玉米/红苕模式和连翘+紫苏模式的小区流失泥沙全氮养分富集度高于其他小区,传统农作模式玉米/红苕通过地表径流和泥沙迁移的全氮流失总量最大,可能造成土壤耕作层肥力下降。观测期间,除由于较强的生物固氮作用,紫花苜蓿+青蒿模式增加了土壤全氮含量外,各种植模式下土壤养分均呈下降趋势,表明各小区均出现较明显的养分流失。试验证明:由于传统农作方式水土流失量最大,导致养分流失量大,对环境有较大影响。因此应注意减少传统农作方式中的地面扰动,并提高雨季地表覆盖率,从而保证农业生产的可持续发展。

微污染水灌溉对土壤-作物系统Cd动态的影响及小麦敏感期分析

为了探讨重金属在土壤-作物系统中的动态平衡以及作物对重金属吸收的敏感期,通过田间小区试验进行不同浓度Cd微污染水灌溉,分析Cd在土壤-作物系统中的含量及其随生育期变化的情况。结果表明：与清水相比,含Cd微污染水灌溉显著性增加冬小麦表层0-10 cm土壤Cd含量,冬小麦地上部分带走量远小于灌溉输入量,影响土壤Cd平衡;灌浆期是冬小麦吸收Cd的敏感期,不适宜微污染水灌溉;含Cd微污染水灌溉降低冬小麦籽粒的饱满度,显著降低冬小麦的产量。总之,含Cd微污染水灌溉尤其在灌浆期显著性影响土壤-作物系统Cd平衡。

作物生长与土壤水氮运移联合模拟的研究Ⅰ——模型

在前人研究成果的基础上,构建了土壤-作物系统农田水氮运移及作物生长联合模拟模型SPWS。模型中,采用了FAO的气象模型来完成参考作物潜在蒸散的计算,直接引用美国HYDRUS1D模型来完成土壤水热运移的数值模拟,并利用改进的溶质运移方程来实现土壤氮素迁移转化的模拟,利用改进的荷兰PS123模型实现了作物生长发育进程、干物质生产、干物质分配及光温条件下作物产量的模拟。通过对叶面积指数、根系吸水的模拟,得到了水分限制下的作物产量;通过对作物需氮量、土壤供氮量及作物实际吸氮量的模拟,得到了水氮限制下的作物产量。

耕作方式对土壤水动态变化及夏玉米产量的影响

一个连续２ 年的田间耕作试验在夏玉米生长期内完成，分析对比３ 种不同耕作方式对土壤水动态变化过程及对作物产量的影响。耕作扰动对土壤水动态变化的影响是明显的，夏玉米生长初期免耕下的表层土壤持有较高的水分，这归因于土壤非耕扰动、冬小麦残茬覆盖以及耕层土壤孔隙尺度分布的变化；另一方面，深松土壤受到耕作活动的强烈干扰，苗期耕层土壤蓄水明显小于传统耕作。耕作方式对土壤水差异的影响伴随着作物的生长发育过程显著减弱。深松耕作对作物根系生长发育状况及作物增产效果的作用是十分显见的。

三峡库区紫色土旱坡地桑树配置模式对土壤微生物生物量碳氮的影响

为探讨评价三峡库区紫色土旱坡地土壤肥力及土壤质量的生物学指标,本试验研究了三峡库区典型水土保育模式——桑树护坡对土壤微生物生物量碳氮的影响。试验共设横坡农作、双边桑树+横坡农作、等高桑树+双边桑树+横坡农作及四边桑树+等高桑树+横坡农作4个处理。结果表明,不同坡长及桑树布局间土壤微生物生物量碳氮差异显著;双边桑树+横坡农作处理能够显著降低土壤微生物生物量氮对土壤氮库的贡献,使土壤微生物生物量碳平均提高23.43 mg·kg-1;而四边桑树+等高桑树+横坡农作处理却能够显著降低土壤微生物商,使土壤微生物生物量氮平均提高21.81 mg·kg-1。此外,在横坡农作处理中土壤微生物生物量碳氮与土壤碳氮具有极显著相关性,而在旱坡地桑树系统中,土壤微生物生物量碳氮与土壤碳氮相关性大多不显著。由此可知,旱坡地农桑配置模式在一定程度上可以提高土壤微生物生物量碳氮,但不同桑树布局对土壤微生物生物量碳氮在三峡库区紫色土旱坡地桑树系统中的维持能力并不一致,将微生物生物量碳氮作为紫色土旱坡地土壤质量演变的评价指标值得商榷。

轮作制度对水稻生长季节稻田氧化亚氮排放的影响

通过盆栽试验(3次重复),研究了3种主要轮作制度对稻田水稻生长季节N2O排放的影响.结果表明,在水稻-小麦轮作中,水稻生长季节稻田N2O-N的排放量为4.2 kg·hm-2,显著大于双季稻-小麦轮作中早稻的排放量2.2 kg·hm-2;但两者的季节平均排放通量无明显差异,分别为117和118μg·m-2·h-1.同时,两者都显著大于双季稻-小麦中的晚稻和持续淹水体系中的水稻生长季节稻田N2O的平均排放通量,分别为67.0和42.1 μg·m·h-1.在前作为旱作小麦的2种水稻生长季节中,大于91％的稻田N2O排放量都集中在水稻生长前半期;在前作为水稻的晚稻生长季节中,稻田N2O排放量的91％集中在中期烤田及收获前水分落干阶段.轮作制度和前作水分状况极大地影响稻田N2O的排放.

再生水灌溉利用对作物—土壤系统影响

再生水灌溉是解决农业缺水问题的有效方法,已经在诸多国家和地区得到广泛发展。我国缺水问题严重,而农业灌溉用水是主要的耗水方式之一,发展再生水为农业灌溉用水将是可持续发展的一个重要途径。现针对当前再生水回用的现状进行了分析,阐述了再生水灌溉对农作物以及土壤系统产生的影响,探索合理的再生水灌溉方式来缓解再生水对农作物及土壤环境带来的影响,并探讨再生水作为灌溉用水所需要达到的水质标准。基于对再生水的一系列研究,讨论了再生水灌溉对农作物-土壤系统的影响研究中的不足,为未来再生水灌溉研究提供理论基础。

黄土高原半湿润区旱地一年两熟复种模式土壤水分效应

以冬小麦—夏闲种植模式为对照,比较了不同作物种植模式的土壤水分动态、作物耗水量及作物产量等指标。研究了旱地＂一年两熟＂种植模式的农田土壤水分动态及耗水规律,揭示了不同种植模式对土壤水分的影响机理。结果表明：旱地一年两熟种植模式具有较好的水分利用效率和经济效益,4种一年两熟种植模式的水分利用效率和经济效益较对照分别高48.4%-107.5%和62.3%-119.2%;发展旱地复种对土壤水分的影响程度有限,各复种处理与对照相比,水分差异主要存在于1 m以下的深层土壤;冬小麦—芝麻、冬小麦—大豆、冬小麦—玉米3种作物模式的全季度耗水强度仅较对照分别高0.05、0.07和0.09 mm/d。综合经济效益及土壤水分可利用性分析,冬小麦—玉米模式的经济产量、收益最佳,冬小麦—大豆则为水分生产效益次佳,但显著降低了对土壤水分的消耗。

红壤坡地不同果园套种模式水土保持效果研究

果树种植是红壤丘陵区坡地利用的主要模式,传统的清耕与粗放经营,导致果园水土流失严重。为探讨坡地综合开发治理的模式与解决的途径,选择适宜的果园套种措施,通过5a的野外定位观测试验,研究了8种不同果园套种模式的水土保持效果差异。结果表明:不同套种模式具有很好的蓄水减沙效应,不同草类套种、不同耕作方式蓄水减沙效益不同;与果园清耕相比,套种草类蓄水减沙效应明显高于套种农作物,套种草类覆盖达80%以上时,其减流减沙效率可达92%以上,横坡耕作套种农作物模式的减流减沙效应比顺坡耕作套种模式高20%以上。

三峡库区花岗岩坡耕地不同种植方式下水土流失定位研究

对三峡库区花岗岩坡耕地不同种植方式下水土流失规律的定位研究表明 ,库区雨季主要集中在 5～ 8月 ,降雨量约占全年总降雨量的 6 0 %以上 ;此期间的土壤侵蚀量也占全年总侵蚀量的 6 0 %以上 ,其中 6、7月土壤侵蚀量约占全年的 1/2 .不同种植方式下地面覆盖率差异较大 ,三熟制下或与多年生植物 (牧草、黄花菜 )间作时地面的覆盖率明显大于两熟制 ,夏季作物为花生时雨季的地面覆盖高于夏作为红薯 ,其土壤及养分流失量亦相对较低 .不同种植方式下土壤及养分流失的大小顺序为油 (麦 ) 红薯 >油菜 (小麦 ) 玉米 红薯 >油菜 (小麦 ) 玉米 花生 >油菜 (小麦 ) 金荞麦 花生 ,油菜 (小麦 ) 黄花 花生 .研究结果还表明 ,在良好的种植与管理方式下 。

土-作物-大气系统中动态根系生长及水动力学模拟

针对土-作物-大气连续系统的土壤水动力学模型对根系动态生长的模拟不理想,通过引入最新的根系生长模型理论、根长密度分布函数以及联合国粮农组织推荐的计算蒸发及蒸腾总量的模型理论,与现有的模拟水土运动的有限元程序相耦合,建立模拟土-作物-大气系统的水动力学模型.基于荷兰实验农场的小麦实验数据的模拟结果表明,在不同时期、不同深度处土壤中水的体积分数与实验值比较吻合;由于降雨和蒸发的上边界影响,上部土壤中水的体积分数随时间变化较快;除接近地表的个别根长密度模拟点偏差较大外,总体来说根长及根长密度模拟结果与实验值比较吻合;蒸腾量和蒸发量的模拟结果可靠.建立的新模型合理,可以有效地模拟土-作物-大气系统中的根系生长及水动力学.

不同蔬菜种植模式对土壤淋溶水总氮、总磷和COD的影响

以中国农业大学曲周实验站始于2002年的日光温室有机蔬菜长期定位试验为基础,采用渗漏计装置收集地下1 m深淋溶水,通过测定2014年春茬茄子与秋茬芹菜土壤淋溶水总氮、总磷和化学需氧量(COD),研究不同蔬菜种植模式(有机、综合、常规)下土壤养分淋失情况。结果表明:有机模式总氮淋失量两茬蔬菜之和为137.02 kg·hm^(-2),分别比综合和常规模式减少12.0%和25.9%;总磷淋失量两茬蔬菜之和为18.23 kg·hm^(-2),分别比综合和常规模式高51.2%和119.9%;淋溶水COD两茬蔬菜之和为856.99 kg·hm^(-2),分别比综合和常规模式高32.4%和3.1%。3种模式下不同时期淋溶水总氮、总磷与COD变化趋势差异显著。春茬茄子总氮淋失量前期维持在较高水平,追肥后出现峰值,之后迅速降低,进入6月份后一直在较低水平波动;总磷淋失量变化相对平缓,呈先增加后减小的变化趋势,6—7月间达到峰值;淋溶水COD前期稍有降低,追肥前达到最低值,进入5月份后到茄子季结束呈现逐渐上升的趋势。综上,有机种植模式在减少氮素淋失方面较综合和常规模式表现出优势,但会显著增加磷素淋失风险,并在一定程度上提高淋溶水COD。

黔中黄壤丘陵旱坡地不同耕作制与水土保持研究

1999～ 2 0 0 0年连续 2年试验研究表明 :黔中黄壤丘陵旱坡地分带轮作水土保持效益优于净作 ,分带轮作制中洋芋 (油菜或小麦 ) /绿肥 /玉米 /红薯轮作方式优于油菜 (小麦 ) /绿肥 /玉米 /大豆 ;不同作物轮作对产量的影响小季以洋芋 >油菜 >小麦 ,大季以红薯 >大豆 ;适宜的分带轮作制为洋芋 (或油菜 ) /绿肥 /玉米 /红薯 ,其水土流失最小 ,作物总产量最高。

微咸水灌溉对土壤盐分平衡与作物产量的影响

河北低平原淡水资源短缺,微咸水资源丰富,合理开发利用微咸水已经成为缓解水资源供需矛盾的重要途径之一。本研究于2011—2015年在河北省沧州市中国科学院南皮生态农业试验站进行,以冬小麦和夏玉米一年两熟种植体系为研究对象,开展了河北低平原区实施微咸水灌溉对冬小麦及下茬作物夏玉米产量及灌溉对土壤盐分周年平衡的影响。2013—2014年冬小麦灌溉处理设雨养旱作处理(CK)、拔节期淡水灌溉1水(F1)、拔节期用2 g·L^(-1)、3 g·L^(-1)、4 g·L^(-1)、5 g·L^(-1)的微咸水灌溉1次(B21、B31、B41、B51)、拔节期和灌浆期用淡水灌溉(F2)、拔节期用3 g·L^(-1)的微咸水+灌浆期用淡水灌溉(B31F1)、拔节期用淡水+灌浆期用3 g·L^(-1)微咸水灌溉(F1B31)、拔节期和灌浆期都用3 g·L^(-1)的微咸水灌溉(B32)、拔节期、抽穗期和灌浆期都用淡水灌溉(F3)。2014—2015年根据上年度的试验结果对试验处理进行了精简,冬小麦灌溉处理设CK、F1、B31、B41、B51、B42(拔节期和灌浆期都用4 g·L^(-1)的微咸水灌溉)。结果表明,一般年型下冬小麦生育期灌溉2水就能获得高产和稳产,平均产量为6 593.4 kg·hm^(-2)。利用小于5 g·L^(-1)的微咸水灌溉,与淡水灌溉相比,不会造成冬小麦产量降低,灌溉1次微咸水比雨养旱作处理增产10%~30%,可用微咸水替代1次淡水。微咸水灌溉条件下冬小麦收获时土壤盐分有所积累,表层土壤含盐量大于1 g·L^(-1),影响下茬玉米的出苗和生长,但夏玉米播种后用675~750 m3·hm-2淡水灌溉可满足耕层淋盐需求,达到玉米生长的安全阈值,与淡水灌溉处理的玉米产量相比不减产。利用夏季降雨,可使土壤盐分得到淋洗,当夏季降雨量大于300 mm时,冬小麦微咸水灌溉下土壤盐分达到周年平衡。沧州地区73%以上的年份,夏季降雨量大于300 mm,为土壤淋盐创造了条件,保证了微咸水替代一次淡水灌溉的安全性。

水肥管理对稻田CH4 排放及其全球增温潜势影响的评估

甲烷(CH_4)是主要温室气体之一,对全球增温的作用仅次于二氧化碳(CO_2)。稻田是CH_4的重要排放源,减少稻田CH_4排放对减缓气候变暖具有直接效应。为此,掌握稻田CH_4排放的规律和特征对控制和减少稻田CH_4排放尤为重要。为了解稻田温室气体排放的主要影响因子及影响程度,估算稻田温室气体全球增温潜势,寻求农田减排措施,我们通过收集已发表的文献建立了稻田CH_4排放的数据库,采用析因分析与回归分析方法对稻田CH_4日排放量和全球增温潜势特征和可能的影响因子进行了分析。结果表明,稻田CH_4日排放量和增温潜势均随土壤有机质背景含量的升高而增加,不同类型稻田CH_4日排放量大小依次为:双季稻晚稻>双季稻早稻>单季稻>稻麦轮作晚稻;晚稻田CH_4的增温潜势大于早稻田。不同肥料处理条件下,稻田CH_4日排放量表现为:秸秆还田>配施有机肥>化学氮肥≈生物炭。控制灌溉水量可降低稻田CH_4的综合增温潜势,表现为:持续淹水>晒田>干湿交替>控制灌溉。研究结果说明,稻田CH_4的产生与排放过程受土壤有机质含量、肥料管理和水分管理以及轮作制度等多种因素的共同影响,应依据不同土壤条件和种植制度,适当调整肥水管理,以减少稻田温室气体排放,降低其增温潜势。

豫西黄土丘陵区两熟制旱地秋作物生长期土壤水分动态及其利用研究

连续４年的研究表明，豫西黄土丘陵区实行一年两熟情况下，６月～９月土壤水分动态变化可划分为４个时期：迅速回升期、高峰维持期、急剧下降期和秋后短时恢复期。迅速回升期是该区全年土壤水分循环中水分恢复的主要时期。根据土壤含水量的变异系数（Ｃ．Ｖ）可将土壤水分的垂直变化划分为３个层段：活跃变化层（Ｃ．Ｖ＞３６％）、次活跃变化层（Ｃ．Ｖ２０％～３０％）和相对稳定层（Ｃ．Ｖ＜１６％）。在供试的４种秋作物中，谷子和红薯是较耐旱且ＷＵＥ较高的作物，但红薯茬的水分状况较差。发展小麦播前补灌是该区广泛推行一年两熟制的一项重要措施。