气候变化下旱区生态系统可持续管理——第十一届国际旱区发展大会综述

干旱区是受气候变化影响最大的地区,旱区生态系统可持续性与粮食安全是最为关注的热点问题。2013年3月国际旱区发展委员会(IDDC)和中国科学院等十家单位在北京举办了第十一届国际旱区发展大会,会议围绕"气候变化下干旱区的粮食及能源安全"主题共做了114场报告,其中旱区生态系统可持续管理是最突出的主题。本文综述了大会主要报告内容,包括气候变化对旱区生态系统的影响、旱区水土资源利用、农业生态系统管理、草地发展与牧草管理、植物逆境生理学、旱区植物抗性改良新技术应用和旱区社会-自然和生态耦合关系等诸多方面。最后还对会议主题进行了述评,就旱区态系统可持续管理与社会经济和居民生计等耦合关系进行了讨论。

极端干旱条件下燕麦垄沟覆盖系统水生态过程

围绕极端气候条件下沟垄沟覆盖系统水文过程和水生产力变化问题开展两年的大田试验研究。以裸燕麦坝莜3号品种为材料,于2010年和2011年在甘肃定西进行,以充分灌溉为对照组,设置平地无种植、垄沟无覆膜种植、垄沟覆膜种植、裸地4个处理(此4个处理均无灌溉),测定生育期降雨、气温、0—140 cm土壤剖面水分变化、作物生长和产量等指标。结果表明,2010年和2011年分别为阶段性极端干旱和全生育期极端干旱两个类型,均导致所有处理组中土壤剖面60—100 cm的"土壤干层"现象,垄沟覆膜处理对"土壤干层"现象具有显著的缓解效应。与对照组相比,垄沟覆膜处理显著促进了收获期土壤剖面贮水量的回升,其贮水量分别提高了41.2 mm(2010年)和22.4 mm(2011年),全生育期水分利用效率和水生产力分别提高了1.7、0.4 kg·hm-2·mm-1(2010年)和6.5、9.8 kg·hm-2·mm-1(2011年)。另外,垄沟覆膜处理组的地上生物量比对照组降低了30.5%(2010年)和67.42%(2011年),但收获指数较对照分别提高了33.4%(2010年)和55.6%(2011年)。研究表明,垄沟覆膜处理促进了降水向土壤水和作物水的转化效率,显著地缓解了作物水分供需矛盾,是应对极端气候变化的重要生态策略。

土壤水动力学模型在SPAC系统中应用研究进展

从土壤水动力学典型的裸地蒸发模型、蒸发蒸腾量模型、土壤水分入渗模型出发,综述了SPAC系统下国内外现行的植物根系吸水模型、溶质运移模型、农业生态系统模型等研究进展,归纳和讨论了目前土壤水动力学模型在SPAC系统建模中存在的问题与不足。并对该领域的研究方向和应用前景进行了展望:建立准确的数值模型来解决实际问题是蒸发蒸腾量模型未来研究的趋势;入渗模型从点至区域的动态扩展,并结合土壤侵蚀、污染物运移等因素的农业倾向性研究为潜在的重要分支方向;根系吸水模型应更多被用于监测土壤水分动态、设计合理的灌溉制度及干旱预警等体系;利用计算机、遥感等技术手段建立农业生态系统物能循环的机理性模型将为模型的实用性和精度提供有力支撑。

亚高寒草甸实验群落物种丰富度与生物量稳定性关系研究

为揭示植物群落中物种丰富度与生物量稳定性之间的关系及机制,采用盆栽方法探究了物种丰富度、物种组成及施肥对群落生物量稳定性的效应.结果表明:施肥对群落生物量稳定性有显著影响,而物种丰富度、物种组成仅在施肥情况下对群落生物量稳定性有显著影响.群落生物量稳定性主要由物种的异步性决定.施肥通过提高特定物种组成群落中物种的异步性影响了物种组成对群落生物量稳定性的效应.物种组成部分嵌套于物种丰富度中,物种组成对群落生物量稳定性的作用高于物种丰富度.推测物种丰富度对群落生物量稳定性的效应由施肥影响特定物种组成群落中的物种异步性决定.

田间微集雨技术研究及应用

过去30a,田间微集雨技术逐渐发展成为黄土高原雨养农业区的主要耕作技术。自上世纪八十年代以来,不同田间微集雨及覆盖(地膜、砂石和秸秆)栽培技术在黄土高原不断更新换代,先后经历了垄沟无覆盖技术、平地覆盖技术、垄沟半覆盖技术和垄沟全覆盖技术等发展过程,特别是沟垄地膜全覆盖技术大面积推广和应用,为西北旱区粮食单产大幅度提高提供了强大的支撑作用。本文综述了田间微集雨技术的演变历程及对农田生态系统的影响及机理,归纳了垄沟和覆盖模式及播种方式对作物产量形成、水分利用效率、作物生理生态、土壤质量、土壤微生物、杂草、病虫害、覆盖物残留和作物物候等的影响,并分析了该技术的高产高效和生态风险以及两者的互作关系。文章最后还对该技术的高效性、可持续性和发展潜力进行了讨论,旨在对雨养农业生态系统的可持续管理提供理论指导。

气候变化下黄土高原耕作系统演变与适应性管理

耕作系统主要包括土壤系统、作物系统和区域气候系统等几个相对独立、但又紧密关联的组成部分,涉及作物栽培模式、作物类型、杂草和病虫害及农田水土资源管理等方面,在黄土高原生态系统管理和农业可持续发展中占有重要地位。过去50a(1951-2000年),黄土高原的年平均气温升高了1.1℃,且其变率逐渐增加,降雨和热量资源分布呈现复杂的时空异质性。作物种植区域的变迁、熟制制度的演变和农田灾害的加剧促使农田管理模式不断寻求改变,对当地农业耕作系统产生了深远影响。本文总结了黄土高原过去多年的气候变化(气温、降水量、积温)特征和发展趋势,气候变化下耕作系统(种植区、耕作制度、土壤环境)和作物系统(需水量、物候、品种、产量)的演变规律,作物与土壤互作关系,以及气象灾害对黄土高原耕作系统的影响,并提出气候变化下耕作系统适应性管理途径和策略。旨在为黄土高原耕作技术和田间管理提供新的理论,寻求气候变化下区域农业可持续发展应对策略。

黄士高原旱作农业生态化与高质量发展

总结了新中国成立以来旱作物农业取得的主要进展:长期有组织大规模地进行梯田建设,有效地减少了水土流失;梯田建设标准不断提高,越来越方便于机械化大片农田生产;以合理施肥与多种耕作措施相结合的集成技术体系提高了土地生产力。进入21世纪以来,以沟垄地膜覆盖为主体的作物栽培与耕作体系获得大面积推广。在半干旱及其偏旱地区,相较于过去的作物系统,土地生产力几乎成倍增加。特别是玉米和马铃薯在地膜覆盖栽培下,产量增幅远大于其他作物,为粮草畜经协同发展创造了有利条件,有力地推进了脱贫攻坚和全面建成小康社会目标的实现。提出了旱作农业生态化主要内容和目标:面对新时期黄土高原高质量发展的要求,将创新旱作农业生态化技术体系和发展模式,推进优质特色旱作农业发展,探索生态重建由被动向主动的方式转变,实现区域生态优良化发展目标。

祁连山天老池小流域土壤有机碳空间异质性及其影响因素

采用野外取样和室内分析，结合地统计学方法和方差分析方法，分析了祁连山天老池小流域0～30cm层的土壤有机碳的分布特征及其与植被类型、地形和土壤性质等因素的关系。结果表明，该流域土壤有机碳垂直分布存在显著的差异，随着土层深度的增加，土壤有机碳含量显著减少，0～10、10～20、20～30cm土层土壤有机碳含量分别为105．08、81．46、62．62g／kg，土壤平均有机碳含量为83．05g／kg，变异系数为0．56。不同的植被类型0～10cm土层土壤有机碳含量表现为青海云杉（138．20g/kg）〉灌丛（118．49g/kg）〉亚高山草甸（100．43g／kg）〉祁连圆柏（74．17g／kg）〉干草原（43．94g／kg）；随着海拔的升高土壤有机碳含量增加，阴坡有机碳含量明显高于阳坡；经相关性分析表明，土壤有机碳与土壤全氮和砂粒呈显著正相关关系，与土壤体积质量、黏粒和粉粒呈显著负相关关系。

季节性冻融对盐荒地水盐运移的影响及调控

季节性冻融是干旱区土壤盐碱化形成的主要驱动因子，但冻融过程中土壤水盐耦合关系及热量调控机理仍不清楚。通过分析2009年11月～2010年5月新疆玛纳斯河流域典型盐荒地季节性冻融过程中土壤剖面160cm以内的水分、盐分和温度动态变化，探讨了不同土层冻融过程中水热盐的耦合关系。结果表明：土壤最大冻结深度为150cm左右，表土层（0～40cm）温度与气温关系密切；土壤剖面水分呈现“C”型垂直分布，表土层和底土层（100～160cm）含水量较大，而心土层（40～100em）含水量不足10％，土层平均含水率在冻融前期增加了12．91％，而在初蒸期减少了10．01％；土壤剖面盐分在冻结期和初蒸期表聚作用明显，心土层和底土层含盐量稳定，土壤剖面含盐量表现为“积盐-脱盐-再积盐”的变化过程。水热盐之间具有高度协同性，心土层和底土层表现为水盐相随、而表土层为水去盐留的耦合特征，热量传输是调控水盐运移的关键因素。

旱地组合型微垄全膜不同覆盖时期对土壤水分及胡麻生长的影响

春夏干旱是榆中县旱作区胡麻产量的主要限制因素。进一步减少旱地冬春季土壤水分的无效蒸发、提高土壤含水量，为胡麻前期生长创造良好的土壤条件是实现该区胡麻高产稳产的必须步骤。2011—2012年连续两年在地处甘肃省中部半干旱雨养农业区的榆中县石头沟旱作农业示范点进行了组合型微垄全膜覆盖不同覆膜时期对旱地胡麻生长影响的试验。本试验设组合型微垄全膜秋覆盖垄侧栽培、组合型微垄全膜播种前覆盖垄侧栽培和露地穴播三个处理，分别对其土壤水分、经济性状、生育期、产量结果进行分析。结果表明，旱地胡麻组合型微垄全膜秋覆盖垄侧栽培可明显减少冬春季土壤水分的无效蒸发，增加土壤水分含量，0～60 cm 的土壤平均含水量，分别比旱地胡麻微垄全膜播种前覆盖垄侧栽培和旱地胡麻露地穴播栽培高31．9 g·kg -1和45．3 g·kg -1 ；胡麻的经济性状明显改善，株高分别比旱地胡麻微垄全膜播种前覆盖垄侧栽培和旱地胡麻露地穴播栽培高3 ．8 cm 和14．7 cm 、单株蒴果数分别增加8．5个和11．5个 、蒴果粒数分别增加0．6个和1．65个 、千粒重分别提高0．05 g 和0．31 g 。旱地胡麻组合型微垄全膜秋季覆盖垄侧栽培比胡麻露地栽培增产1471．2 kg·hm -2，增幅129．54％，比旱地胡麻微垄全膜播种前覆盖垄侧栽培增产378．22 kg·hm -2，增幅17．41％，增产效果十分明显。

旱作地膜覆盖农田土壤有机碳平衡及氮循环特征

近10余年来随着应用面积的迅速增加,地膜覆盖对中国北方旱作农田生产力可持续性的影响受到越来越多的关注。文章对地膜覆盖栽培技术增产效果作了简要评述,重点综述了近年来关于地膜覆盖对农田土壤有机碳平衡和氮循环过程影响的研究进展。地膜覆盖沟垄栽培技术有效减轻了旱作农业区水热条件不足对粮食生产造成的限制,从而对提高耕地生产力发挥了重要作用。对大量文献分析发现,地膜覆盖沟垄栽培技术的增产效果具有明显的地域性,在中国北方半干旱区范围内,水热限制越强烈的地区增产效应越明显。地膜覆盖对农田土壤有机碳平衡和氮循环影响的研究还比较薄弱。目前的研究结果表明,地膜覆盖促进土壤有机碳矿化但同时增加作物根系有机碳输入,初步显示地膜覆盖对土壤有机碳含量的影响可能是中性的。地膜覆盖促进土壤有机氮矿化,提高氮素的有效性,增加作物对氮素的吸收,影响化肥氮的作物利用效率、淋溶和挥发损失,但并不明确是否增加反硝化作用。基于目前研究现状,文章提出了旱作地膜覆盖农田需要加强研究的主要领域:(1)土壤有机质稳定性及其增强机制研究;(2)农田养分管理的系统性研究;(3)在水热条件相对较好的旱作农业区,建议结合秸秆覆盖开展更多研究。

河西绿洲菘蓝生长、光合特性及品质对膜下滴灌调亏的响应

通过菘蓝的水分控制试验(2016年),研究了不同生育期不同梯度调亏灌溉对河西绿洲菘蓝生长、光合特性及产量品质的影响。试验以河西走廊中部张掖市水务局国家重点灌溉试验站为平台,甘肃农业大学中草药系自繁菘蓝种子为供试材料,采用不同生育期和不同梯度调亏灌溉方式二因素随机区组试验设计,共9个处理。在每个生育期测定菘蓝光合参数,收获后测定新鲜板蓝根产量及品质,为河西绿洲灌区合理种植和提高菘蓝产量品质及可持续发展提供理论依据。结果表明:(1)营养生长和肉质根生长期水分亏缺显著降低了菘蓝叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度,且降幅随水分亏缺程度加大而增大。(2)水分亏缺造成菘蓝产量降低,调亏处理中肉质根成熟期轻度水分亏缺产量最高(7 342.05kg/hm^2),较充分灌溉降低5.32%(P>0.05)。(3)苗期轻度水分亏缺水分利用效率最高(2.14kg/m^3),肉质根成熟期轻度水分亏缺次之。(4)肉质根成熟期轻度调亏处理的菘蓝综合品质最优,其菘蓝靛蓝、靛玉红、(R,S)-告依春含量比生育期充分灌溉提高了0.09,0.41,0.007 8mg/g,但多糖含量下降3.37mg/g。因此,综合考虑菘蓝产量、水分利用效率及品质等指标,肉质根成熟期进行轻度调亏,即该时期土壤相对含水率为60%~90%,可以作为河西走廊绿洲灌区菘蓝最优栽培灌溉的一种方式。

施肥和刈割对亚高山草甸物种多样性与生产力及其关系的影响

施肥和刈割分别对植物群落物种多样性和生产力有重要的影响。采用不同施肥水平和刈割频度,研究了施肥和刈割对亚高山草甸植物群落物种多样性与生产力及其关系的影响。结果显示,5年的施肥和刈割处理对群落地上生物量均有显著影响,但对物种多样性影响不显著;物种多样性与生产力之间的关系因施肥和刈割次数的不同而不同,有负相关、二次函数关系和不相关等几种类型,多数为不相关。此结果表明施肥和刈割并不总是一致性地影响群落物种多样性与生产力。因此,不同施肥和刈割处理下的亚高山草甸植物群落生产力与物种多样性之间并没有确定的关系。

3种丛枝菌根真菌与3种寄主植物的共生关系

【目的】利用丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌对寄主植物的偏好性和不同寄主植物的功能互补作用,建立AM真菌的高效繁殖体系。【方法】以玉米(Zea may L.)、高粱[Sorghum bicolor(L.)Moench]和白车轴草(Trifolium repens L.)为寄主植物,采用寄主植物单作和间作的盆栽培养法,研究不同栽培模式对光壁无梗囊霉(Acaulospora laevis)、单孢球囊霉(Glomus monosporum)和根内球囊霉(G.intraradices)3种AM真菌繁殖能力的影响,通过地上部分生物量的分配分析,探索C3和C4植物对AM真菌共生关系的"功能互补"效应及机制。【结果】间作模式下,寄主植物地上部分总生物量和3种AM真菌的孢子密度均显著高于单作(P<0.05);单作和间作栽培模式下,3种AM真菌对玉米地上部分生物量响应无显著差异(P>0.05),但单孢球囊霉和根内球囊霉对高粱地上部分生物量产生显著影响(P<0.05);两种间作栽培模式下,根内球囊霉对白车轴草地上部分生物量也产生了显著影响(P<0.05)。【结论】3种AM真菌对3种寄主植物的共生偏好性不同,且C3和C4植物对AM真菌共生关系存在一定的"功能互补"效应,利用AM真菌的寄主植物偏好性和不同植物间的功能互补关系,增加AM真菌的孢子产量,有利于AM真菌高效繁殖体系的建立。

不同种植密度下玉米与豌豆间作对群体总产量的影响

于2014和2015年在黄土高原半干旱区全膜覆盖种植技术下,研究了不同种植密度下玉米行内间作豌豆对作物群体总产量的影响.结果表明:2014年,当玉米株距为40和50cm时,与不插播相比,在玉米株间插播2株豌豆显著提高了作物群体籽粒总产量;而在株距60 cm情况下,插播豌豆对作物群体总产量无显著影响.2015年,玉米株距40和50 cm情况下,与对应株距的单作玉米相比,在玉米株间插播2株豌豆对群体籽粒总产量无显著影响;但是在玉米株距60 cm的情况下,株间插播2株豌豆使作物群体籽粒总产量显著增加.导致两个试验年份之间玉米行内间作豌豆的产量效应差异的主要原因是生长季降水量在2014年较2015年充沛.综合比较,玉米株距40 cm、株间插播2株豌豆间作形式的籽粒总产量最高.此外,在玉米单作和行内间作中,籽粒总产量均随玉米株距的增大而减小.