鄂伦春旗耕地土壤有机质含量的时空变化趋势及其与大豆产量的关系

高玉秋, 徐彩龙, 马立晖, 杨舟, 吴存祥, 韩天富

农学学报. 2021, 11(2): 57-63

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农学学报 ›› 2021, Vol. 11 ›› Issue (2) : 57-63. DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20190400012
土壤肥料/资源环境/生态

鄂伦春旗耕地土壤有机质含量的时空变化趋势及其与大豆产量的关系

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Temporal-Spatial Distribution of Arable Soil Organic Matter in Oroqen Banner and Its Relationship with Soybean Yield

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摘要

为全面分析鄂伦春旗土壤有机质含量随着时间推移发生的变化及在空间上的分布情况,比较该区域不同土壤类型有机质含量的差异,探讨土壤有机质和全氮含量之间的关系,对2008—2014年在鄂伦春旗域内均匀采集的7722个耕地土壤样品进行土壤类型判别及有机质、全氮含量测定,并与1986年全国第二次土壤普查数据进行对比,同时通过盆栽试验研究土壤有机质含量及施肥水平对大豆农艺性状和产量的影响。分别采用油浴加热重铬酸钾容量法和半微量凯氏定氮法测定土壤有机质含量和全氮含量。通过相同区域近30年间有机质、全氮含量的比较分析鄂伦春旗土壤肥力变化动态。盆栽试验供试品种为‘北豆26’,设置23.24、41.45、60.21、81.37、98.71 g/kg等5个土壤有机质含量水平,在大豆开花期、成熟期分别记载发育进度和农艺性状,收获后考种获得产量性状数据。近30年来,鄂伦春旗耕层土壤有机质含量平均由127.24 g/kg下降到64.82 g/kg,降幅达49.06%。对不同土壤类型有机质含量变化进行分析,发现沼泽土有机质含量由165.9 g/kg下降到67.89 g/kg,降幅为59.08%;暗棕壤由120.9 g/kg下降到63.83 g/kg,降幅为47.20%;棕色针叶林土由149.2 g/kg下降到103.79 g/kg,降幅为30.44%;草甸土由111.5 g/kg下降到66.61 g/kg,降幅为40.26%;黑土由88.7 g/kg下降到65.63 g/kg,降幅为26.01%。土壤有机质与全氮含量显著正相关。施用化肥对大豆的增产效果因土壤有机质含量而异,当土壤有机质含量高于81.37 g/kg时,化肥对大豆的增产作用效果不明显。鄂伦春旗耕层土壤有机质含量下降49.06%,表明缺少有效土壤培肥措施的耕种对土壤有机质消耗极大。不同土类有机质平均含量随耕作年限的延长而下降的幅度存在明显差异,其中沼泽土降幅最大,黑土降幅较小,暗棕壤居中。土壤有机质含量丰富的土壤,即使不施用化肥,也能获得较高产量。因此,提高有机质含量是提高土壤生产能力和农业生产效益的根本性措施。作者认为,轮作倒茬和秸秆还田是最重要的土壤培肥措施。

Abstract

To study the spatial and temporal dynamic of soil organic matter content of different soil types in Oroqen and the relationships between organic matter content and total N content, the soil organic matter and total nitrogen content of 7722 soil samples collected in Oroqen Banner in 2008-2014 were analyzed and compared with the results of local soil samples taken during The Second National Soil Census in 1986. Furthermore, a pot experiment with different soil organic matter contents was conducted to determine the effects of soil organic content on botanical characteristics, agronomic traits and yield of soybean. The content of soil organic matter and total N were determined by oil bath heating potassium dichromate volumetric method and semi-micro Kjeldahl method, respectively. There were five levels for soil organic matter content (23.24, 41.45, 60.21, 81.37, 98.71 g/kg), and two fertilizing levels (fertilizer application and no fertilizer) in the pot experiment and soybean cultivar ‘Beidou 26’ was used as material. Developmental rate and agronomic traits were investigated at flowering and maturity stage, and yield measurements were taken after harvest. The soil organic matter content of arable layer in Oroqen Banner was significantly decreased by 49.06% from 127.24 to 64.82 g/kg in recent 30 years. The changes of organic matter content in different soil types were analyzed: organic matter content of swamp soil significantly decreased by 59.08% from 165.9 to 67.89 g/kg; organic matter content of dark brown soil significantly decreased by 47.20% from 120.9 to 63.83 g/kg; organic matter content of brown forest soil significantly decreased by 30.44% from 149.2 to 103.79 g/kg; organic matter content of meadow soil significantly decreased by 40.26% from 111.5 to 66.61 g/kg; organic matter content of black soil significantly decreased by 26.01% from 88.7 to 65.63 g/kg. Soil organic matter and total nitrogen content showed an obvious positive correlation. The effects of chemical fertilizer application on soybean seed yield were dependent on the soil organic matter content and no increasing effects were found after the soil organic matter content reached 81.37 g/kg. Soil organic matter in Oroqen Banner decreased by 49.06%, showing that unsustainable farming consumed a lot of soil organic matter. Significant differences of organic matter changes over years were found among the soil types, i.e. swampy soil had the largest decrease, while black soil had the smallest decrease and the dark brown soil was in the middle. Soil rich of organic matter, even without chemical fertilizer application, can also produce a higher yield of soybean. Therefore, enriching the organic matter content is the fundamental measure to improve the soil productivity and agricultural production efficiency. The authors suggest that crop rotation and straw returning are the most important measures for elevating soil organic matter.

关键词

鄂伦春旗 / 土壤有机质 / 时空分布 / 大豆 / 产量

Key words

Oroqen Banner / Organic Matter / Spatio-temporal Distribution / Soybean / Yield

引用本文

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高玉秋 , 徐彩龙 , 马立晖 , 杨舟 , 吴存祥 , 韩天富. 鄂伦春旗耕地土壤有机质含量的时空变化趋势及其与大豆产量的关系. 农学学报. 2021, 11(2): 57-63 https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20190400012
Gao Yuqiu , Xu Cailong , Ma Lihui , Yang Zhou , Wu Cunxiang , Han Tianfu. Temporal-Spatial Distribution of Arable Soil Organic Matter in Oroqen Banner and Its Relationship with Soybean Yield. Journal of Agriculture. 2021, 11(2): 57-63 https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas20190400012

0 引言

自20世纪80年代第2次全国土壤普查以来,东北黑土保护问题日益受到重视[1,2,3,4]。研究表明,耕作制度不合理、有机质投入少直接或间接地影响土壤理化性状,是导致黑土区土壤肥力下降的重要因素。鄂伦春旗位于东北北部黑土区,耕地面积大,开垦较晚,有机质含量总体水平较高。对鄂伦春旗土壤有机质时空动态进行研究,有助于了解高寒地区土壤肥力要素的变化趋势,对东北黑土保护和利用意义重大。由有机质的分解与转化所构成的土壤有机碳循环,受温度、水分、土壤质地、土壤微生物、耕作制度与耕作方式等许多因素影响[5,6,7,8,9]。土壤有机质与全氮含量、土壤机械组成、土壤容重、孔隙度等理化因子之间存在相关性[10,11]。作物产量与土壤有机质含量存在显著的正相关关系[12]。有机质含量与水稻产量之间的相关系数为0.674,土壤易氧化有机质与水稻产量之间的相关系数为0.767[13]。增加土壤有机质含量可提高土壤的肥力从而促进作物增产[14]。如增加盐化潮土有机质含量,可促进光合作用,减少蒸腾耗水,对作物高产有积极作用[15]。在10º左右的坡耕地增施有机肥,可改善土壤结构,减轻水土流失,促进有机质提升、作物增产[16]。土地利用方式影响土壤有机碳的矿化速率及有机质含量[17]。增施有机肥、合理轮耕、休耕、种植豆科类牧草、秸秆还田等生产措施,可提高土壤肥力,从而提高作物产量[18,19,20]。相对于耕翻,免耕显著提高水溶性有机碳、微生物生物量碳和易氧化态碳含量[21]。笔者以鄂伦春旗南部农区为典型研究区,以耕层土壤有机质含量变化为研究重点,在鄂伦春旗10乡镇布设土壤调查样点,开展土壤样品采集,在实验室测定土壤有机质和全氮含量,分析鄂伦春旗农田土壤有机质含量的时空变化规律,并通过盆栽试验研究土壤有机质含量与大豆生长发育及产量的关系,以期为鄂伦春旗及东北北部高寒地区土壤改良和农业生产发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集与分析

根据鄂伦春旗土地矢量图资料叠加形成基本单元图,考虑到地面坡度大小、耕地布局、土壤类型等因素,形成采样点位图。丘陵山区每5~7 hm2选1个土样,平原区每6~13 hm2选取1个土样。取样工作于2008—2014年进行,共采集鄂伦春旗10个乡镇7722个土壤样品。在一个采样点,按“S”形路线,以随机、多点、等量混合的方式采集0~20 cm的土壤样品,用四分法留取1 kg左右装袋,注明编号。采回土样后,在通风、干净无污染的室内风干,风干后的土样经打磨后过 0.3 mm筛备用。
采用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法(NY/85—1988)[22]测定土壤有机质含量;采用半微量凯氏定氮法(NY/53—1987)[23]测定土壤全氮含量。
第二次土壤普查数据来自《鄂伦春自治旗土壤》[24],取样时间为1985年5月—1986年8月。

1.2 盆栽试验

2016—2017年在鄂伦春旗阿里河镇进行。试验地点位于东经123°42′04″,北纬50°33′32″。2016—2017年平均年日照时数2658.5 h,平均无霜期为114天,年平均降水量541.4 mm,6—8月降水占全年的50.13%(鄂伦春旗气象局提供)。
盆栽试验土壤取自大杨树镇北郊村农田,取土深度0~30 cm,采集有机质含量分别为23.24、98.71 g/kg的土壤按不同比例混配,配制成有机质含量分别为23.24、41.45、60.21、81.37、98.71 g/kg的土壤进行盆栽试验,研究不同土壤有机质含量和施肥水平对大豆农艺性状和产量的影响。盆栽试验于5月19日播种,供试品种为‘北豆26’,设常规施肥和不施肥2个肥料水平,施肥区每盆施用复混肥(N-P2O5-K2O=15-25-11)0.78 g,以种肥一次性施入,共10个处理,每处理15盆,3次重复,随机排列。在大豆开花期和成熟期时分别记载发育进度和农艺性状,收获后考种获得产量性状数据。

1.3 数据处理

采用江苏省扬州市土壤肥料工作站开发的4.0测土配方施肥数据管理系统进行录入、存储和管理;使用Microsoft Office Excel 2003、R语言和Microsoft Visual FoxPro 6.0等软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 鄂伦春旗耕地土壤有机质含量现状

鄂伦春旗耕地土壤有机质平均含量为64.82 g/kg,呈现由西北部向东南部逐步下降趋势。位于鄂伦春旗西北部的克一河镇、甘河镇、吉文镇土壤有机质含量高于80 g/kg,为高肥力土壤;位于西北部的托扎敏乡、阿里河镇和东南部的古里乡、乌鲁布铁镇土壤有机质含量在65~80 g/kg之间;位于东南部的大杨树镇、诺敏镇、宜里镇土壤有机质含量65 g/kg以下,低于全旗平均值(表1)。
表1 鄂伦春旗不同区域土壤有机质含量
乡镇及方位 项目 >60 g/kg 45~60 g/kg 30~45 g/kg 15~30 g/kg <15 g/kg 平均值/(g/kg) 变幅/(g/kg)
阿里河镇西北部 面积/hm2 2308.18 635.96 0.00 0.00 0.00 71.34±15.93 38.8~123.3
比例/% 78.40 21.60 0.00 0.00 0.00
大杨树镇东南部 面积/hm2 39156.37 11838.60 1195.13 12.58 0.00 63.90±18.34 16.0~125.2
比例/% 75.01 22.68 2.29 0.02 0.00
甘河镇西北部 面积/hm2 1158.05 0.00 0.00 0.00 0.00 89.25±5.72 80.8~94.9
比例/% 100 0.00 0.00 0.00 0.00
古里乡东南部 面积/hm2 51730.79 2891.68 92.86 7.43 0.00 75.52±19.75 24.2~129.9
比例/% 94.5 5.28 0.17 0.08 0.00
克一河镇西北部 面积/hm2 1640.42 0.00 0.00 0.00 0.00 96.51±22.96 60.0~132.4
比例/% 100 0.00 0.00 0.00 0.00
诺敏镇西南部 面积/hm2 21915.02 11429.89 3023.85 7.78 0.00 60.04±19.97 20.5~127.2
比例/% 60.24 31.42 8.31 0.02 0.00
吉文镇西北部 面积/hm2 7205.35 107.72 0.00 0.00 0.00 80.82±24.97 47.4~127.8
比例/% 98.53 1.47 0.00 0.00 0.00
托扎敏乡西北部 面积/hm2 757.25 0.00 0.00 0.00 0.00 78.50±16.39 44.7~124.9
比例/% 100 0.00 0.00 0.00 0.00
乌鲁布铁镇东南部 面积/hm2 34863.77 14123.90 1157.78 23.05 0.00 66.51±18.87 17.5~132.3
比例/% 69.49 28.15 2.31 0.05 0.00
宜里镇东南部 面积/hm2 41103.44 22478.03 4422.17 46.31 0.00 61.03±19.21 15.8~127.2
比例/% 60.40 33.03 8.17 0.07 0.00
全旗 面积/hm2 201838.64 63505.78 9891.79 97.15 0.00 64.82±19.42 15.8~132.4
比例/% 73.32 23.06 3.58 0.04 0.00
鄂伦春旗不同土壤类型有机质含量存在一定区别,其中,棕色针叶林土有机质含量大于80 g/kg,沼泽土、草甸土、黑土在65~80 g/kg之间,暗棕壤小于65 g/kg,低于全旗土壤有机质含量平均水平(表2)。
表2 鄂伦春旗不同土壤类型有机质分级面积和比例
土壤类型 项目 >60 g/kg 45~60 g/kg 30~45 g/kg 15~30 g/kg <15 g/kg 平均数 g/kg
暗棕壤 面积/hm2 101610.21 36623.89 5816.25 63.58 0.00 63.83±18.92
比例/% 70.51 25.41 4.04 0.04 0.00
草甸土 面积/hm2 22536.99 7046.34 1763.71 22.81 0.00 66.61±19.25
比例/% 71.84 22.46 5.62 0.07 0.00
黑土 面积/hm2 48823.60 13354.73 1334.98 7.43 0.00 65.63±18.80
比例/% 76.86 21.02 2.10 0.01 0.00
沼泽土 面积/hm2 28804.65 6431.00 940.85 3.35 0.00 67.89±22.94
比例/% 79.62 17.78 2.60 0.01 0.00
棕色针叶林土 面积/hm2 8.58 0.00 0.00 0.00 0.00 103.79±20.78
比例/% 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00
全旗 面积/hm2 201784.3 63455.96 9855.79 97.17 0.00 64.82±19.42
比例/% 73.32 23.06 3.58 0.04 0.00

2.2 耕地土壤养分变化趋势

对比300个相同地点次土壤普查结果,发现鄂伦春旗耕地土壤有机质平均含量由1986年的127.24 g/kg下降到2008—2014年的64.82 g/kg,减幅高达49.06%。对不同土壤类型有机质含量变化进行分析,发现沼泽土有机质含量由165.9 g/kg下降到67.89 g/kg,减幅为59.08%;暗棕壤由120.9 g/kg下降到63.83 g/kg,减幅达47.20%;棕色针叶林土由149.2 g/kg下降到 103.79 g/kg,减幅为30.44%;草甸土由111.5 g/kg下降到66.61 g/kg,减幅为40.26%;黑土有机质含量由 88.7 g/kg下降到65.63 g/kg,减幅为26.01%。可见,沼泽土有机质含量降幅最大,暗棕壤其次,黑土最小(图1)。
图1 鄂伦春旗耕地土壤2次普查中有机质含量的比较

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2.3 土壤有机质与全氮相关性分析

对鄂伦春旗7722个土壤样品有机质与全氮含量进行的相关和回归分析表明,两者呈极显著正相关(图2),回归方程为Y=0.0452X+0.1197(R2=0.7473,n=7722),即土壤有机质含量每增加1 g/kg,其全氮含量增加0.0452 g/kg。
图2 鄂伦春旗耕地土壤有机质与全氮含量的相关性

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2.4 土壤有机质含量对大豆生长发育及产量性状的影响

图3得出,随土壤有机质含量的增加,大豆株高呈升高趋势,与土壤有机质含量23.24 g/kg相比,当土壤有机质含量上升到98.71 g/kg时,大豆株高平均增高3.4%。施肥可显著提高大豆株高,本研究中,施肥后大豆株高平均增高3.1%。不同土壤有机质含量条件下,施肥与否对大豆株高影响不同,不施肥条件下,大豆株高随土壤有机质含量的增加而升高,但施肥后不同土壤有机质含量下大豆株高无显著差异。
图3 施肥与土壤有机质含量对开花期大豆株高的影响

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图4得出,随土壤有机质含量的增加,大豆单株茎秆干重呈增高趋势,与土壤有机质含量23.24 g/kg相比,当土壤有机质含量上升到98.71 g/kg时,大豆单株茎秆干重平均增高36.4%。不同土壤有机质含量条件下施肥均可显著提高大豆茎秆干重,本研究中,施肥后大豆单茎干重平均增高9.9%,但随土壤有机质含量提高,施肥处理与不施肥处理的差距逐步缩小。
图4 施肥与土壤有机质含量对大豆茎秆干重的影响

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图5得出,随土壤有机质含量的增加,大豆单株产量呈增高趋势,且前期增长较快,当有机质含量高于81.37 g/kg时,大豆产量趋于平稳;与土壤有机质含量23.24 g/kg相比,当土壤有机质含量上升到81.37 g/kg时,大豆单株产量平均增高20.2%。不同土壤有机质含量条件下施肥均可显著提高大豆单株产量,本研究中,施肥后大豆产量平均增高7.8%。与单茎干重表现一致,随土壤有机质含量提高,施肥处理与不施肥处理间单株产量的差距逐步缩小。
图5 施肥与土壤有机质含量对大豆籽粒产量的影响

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3 结论

对鄂伦春旗不同时空尺度内土壤耕层有机质含量演变趋势的研究表明,鄂伦春旗耕层土壤有机质平均含量由1986年第二次土壤普查时的127.24 g/kg下降到2008—2014年时段的64.82 g/kg,降幅高达49.06%,表明传统方式下的农业耕种对土壤有机质消耗极大。
通过对不同土壤有机质含量条件下大豆籽粒产量的分析发现,随土壤有机质含量的提高,大豆单株生产能力显著增加,当有机质含量到达81.37 g/kg以上时,大豆干物质积累和籽粒产量趋于平稳,说明随着土壤有机质含量的增加,大豆产量潜力逐步得到挖掘。
在中、低有机质含量土壤,施用适量化肥可提高作物产量,但当土壤土壤有机质含量高于81.37 g/kg时,施用化肥的增产效果不明显。
建立合理的轮作制度、全面推行秸秆还田配以合理的化肥用量,是提高土壤肥力、保证东北黑土区农业可持续发展的根本性措施。

4 讨论

4.1 鄂伦春旗土壤有机质含量现状与变化原因

本研究得出,与1986年全国第二次土壤普查时相同点位土壤有机质含量相比,发现30年来鄂伦春旗耕层土壤有机质含量平均由127.24 g/kg下降到64.82 g/kg,降幅达到49.06%。前人亦对黑龙江地区多个黑土区土壤进行了采样和分析,研究得出土壤肥力综合指数已由20世纪80年代的一、二级为主变为二、三级为主。本研究结果与前人结果基本一致。土壤有机质含量变化受多种因素影响,其中土壤侵蚀和土地利用方式改变(由自然土壤开垦为耕作土壤)是土壤有机质含量下降的主要因素[25,26,27]。因此,该区土壤肥力的明显下降与长期以来“重种轻养”有关[28]。同时,通过对比鄂伦春旗10个乡镇耕层土壤有机质含量发现,垦殖时间较长的南部乡镇土壤有机质含量要普遍低于北部新垦乡镇。有机质含量大幅度下降可能与农业生产中不重视有机肥的施用和作物秸秆还田,进而导致有机质总量入不敷出有关[4]

4.2 土壤有机质含量与作物产量的关系

土壤是发展农业生产和保障粮食安全的基础条件,而作为土壤肥力核心要素的有机质含量直接影响农田生产力水平,是衡量土壤肥力的最重要指标[29]。前人通过分析小麦、大豆和玉米产量与土壤有机质含量的关系得出,作物产量与土壤有机质含量存在显著相关关系(r=0.243,n=169,P<0.05)[30]。本研究中,伴随土壤有机质含量的提高,大豆株高、单株干物质积累和籽粒产量显著增加,当有机质含量到达81.37 g/kg以上时,大豆株高、单株干物质积累和籽粒产量趋于平稳,本结果与前人结果基本一致,说明随着土壤有机质含量的增加,作物的产量潜力可逐步得到挖掘,并进入稳产阶段[30,31,32,33]。作物产量尽管在很大程度上受田间管理、耕作措施、气候条件等因素的影响,但仍与农田生态系统的养分供应能力及土壤肥力密切相关[34,35]。本研究中,与不施肥处理相比,施肥显著提高大豆植株株高、单株干物质重和籽粒产量,同时,土壤有机质含量越低,施肥效果越显著,当前试验条件下,土壤有机质含量达到81.37 g/kg,施肥作用不显著。研究表明,秸秆还田可将产自农田的有机物质归还土壤,既减少了不必要的资源浪费,又避免了因秸秆焚烧而造成的环境污染,同时秸秆还田可改善土壤物理结构,使土壤的水、肥、气、热状况向良性方向转化,土壤有机质和速效养分含量增加,起到培肥地力的作用[36]。因此,生产中可采用秸秆还田手段稳定和促进土壤有机质含量增加,从而减少生产中肥料的投入,促进农业生产绿色可持续发展。

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Understanding the changes in soil potassium (K) and crop yield under K fertilization and straw return is important for proper K fertilizer management. A field experiment involving a wheat (Triticum aestivum L.)-maize (Zea mays L) rotation was conducted to study the effects of long-term (20-year) K fertilization and straw return on soil K and crop yield in north-central China. Fertilization treatments included: nitrogen and phosphorus fertilizers (NP), NP plus wheat straw (NPS), NP and K fertilizers (NPK), and NPK plus wheat straw (NPKS). Annual soil K budget increased with increasing K inputs (including fertilizer K and straw K) in the order of NP< NPS < NPK< NPKS, and further increased after maize straw returned since 2008. The NP and NPS treatments decreased soil available K and slowly available K below the initial levels, K fertilization and/or straw return increased available K and slowly available Kin the top 30 cm soil over the NP treatment. Fertilization did not significantly alter total K in the 0-100 cm depths, but in the 0-10 cm soil layer, the NP, NPS, and NPK treatments decreased total K by 4.3%, 3.4%, and 0.4% than the initial concentration, respectively. Compared with the NP treatment, K fertilization and/or straw return increased crop yields in most cases, and the effect of K inputs on yield increase was greater for maize than wheat. Additionally, increased straw return enhanced soil organic carbon (SOC) beyond the NP treatment, and SOC decreased with depths between 0 and 40 cm soil; however, fertilization did not change SOC below 40 cm. In conclusion, K fertilization and/or straw return alleviated soil K depletion and increased soil K fertility; crop yields increased with increasing K inputs, and yield response of maize to K fertilization was greater than wheat. (C) 2014 Elsevier B.V.
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康日峰, 任意, 吴会军, 等. 26年来东北黑土区土壤养分演变特征[J]. 中国农业科学, 2016,49(11):2113-2125.
【目的】东北黑土区土壤肥沃,是中国重要的粮食主产区之一。对东北黑土区20世纪80年代以来国家级耕地质量长期监测数据进行整理和分析,以明确中国东北黑土区农业生产实践中土壤养分状况和肥力水平,为农田土壤培肥提供科学指导依据。【方法】利用时间趋势分析法探讨17个国家级黑土耕地质量长期监测点26年来土壤养分随时间的变化趋势,分别总结土壤有机质(SOM)、全氮(TN)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)和速效钾(AK)含量在监测初期(1988—1997年)、监测中期(1998—2003年)和监测后期(2004—2013年)的变化规律及其总体变化趋势;在分析土壤全氮和有机碳含量变化特征以及碳氮比(C/N)演变规律的基础上,进一步分析碳和氮之间的养分平衡关系;运用主成分分析方法分析不同监测时期上述5大肥力指标对黑土区土壤综合肥力的影响,得出该区综合肥力主要贡献因子,并分别计算3个不同监测时期黑土区土壤综合肥力属性得分。【结果】黑土区农田土壤经过10—26年的演变,土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量整体呈上升趋势。与监测初期相比,监测后期土壤养分含量均显著提高(P<0.05),土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾分别提高了33.9%、43.9%、27.6%、90.3%和11.8%,有效磷提升效果最为显著。进一步分析土壤有效磷含量发现,监测后期71.4%的监测点土壤有效磷含量维持在15.0—50.0 mg·kg-1,既能满足作物生长需求,又不至于引发地下水环境污染,而28.6%的监测点土壤有效磷含量已超过50.0 mg·kg-1的环境阈值,应及时控制磷素的输入。分析主要肥力因素有机碳和全氮之间的关系表明,黑土区土壤C/N略有下降趋势,从1988年的10.3降至2013年的9.6,下降了6.8%。黑土区5个肥力指标得分系数由大到小的顺序为:SOM>TN>AN>AP>AK,说明黑土区土壤有机质和全氮是影响土壤综合肥力的关键因素;监测初期和监测中期土壤综合肥力属性得分平均值分别为-1.099和-0.541,而监测后期土壤综合肥力属性的得分增加到了0.5888,监测后期土壤综合肥力得到显著提升。【结论】在农民常规施肥条件下,经过10—26年的长期耕作,黑土区土壤肥力在监测后期得到显著改善,但28.6%的监测点应注意控制磷肥用量,以免引起水体污染;而监测区黑土C/N呈逐年下降趋势,应该加大有机物料的投入,以维持土壤碳氮的养分平衡。
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张迪, 韩晓增. 长期不同植被覆盖和施肥管理对黑土活性有机碳的影响[J]. 中国农业科学, 2010,43(13):2715-2723.

【目的】阐明长期不同植被覆盖与施肥管理后,同一地块的黑土的总有机碳(TOC)、活性有机碳的变化。探讨黑土可持续利用的土地管理模式。【方法】第一个田间试验开始于1985年,研究不同植被覆盖(裸地、草地、耕地)下的黑土活性有机碳的含量和分布变化。第二个田间试验开始于1993年,研究了不同施肥处理(无肥对照(CK)、氮磷(NP)、氮磷配施有机肥(NPOM))对活性有机碳变化的影响。【结果】不同植被凋落物和根系分泌物及长期不同施肥管理均对黑土活性有机碳的形成产生明显的影响。与1985年相比,裸地TOC和全氮(TN)分别下降11.2%和15.3%,草地TOC和TN分别增长13.2%和5.8%,耕地TOC增长1.1%,而TN下降15.5%。与裸地相比,耕地和草地轻组有机氮分别增长13.9%和46.2%,轻组有机碳增长36.48%和62.0%。不同植被下热水浸提有机碳和高锰酸钾氧化碳总量的顺序为草地>耕地>裸地。在第二个试验中,施加有机肥能使TOC和TN分别增加了25.5%和18.6%。与对照相比,有机肥和氮磷肥的配施,使轻组有机氮分别增加了126.7%和12.17%,轻组有机碳增加了125.14%和17.14%。与对照和施氮磷肥相比,施加有机肥使颗粒有机氮分别增加了49.8%和23.2%,颗粒有机碳增加了6.5%和29.9%。高锰酸钾氧化有机碳和热水浸提有机碳含量的顺序为CK<NP<NPOM。【结论】草地与氮磷配施有机肥处理均有利于土壤TOC及活性有机碳的积累。

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高晓宁, 韩晓日, 刘宁, 等. 长期定位施肥对棕壤有机氮组分及剖面分布的影响[J]. 中国农业科学, 2009,42(8):2820-2827.

【目的】揭示施肥对土壤供氮潜力的影响。【方法】以土壤有机氮作为土壤肥力的重要指标采用Bremner法对棕壤29年长期定位试验的有机氮组成进行分级。【结果】单施化肥处理对耕层土壤有机氮含量及其组成无明显影响;有机肥和化肥配施,耕层土壤各形态酸解有机氮的含量都有不同程度的提高,其中氨基酸态氮的增加最为明显。在不同施肥处理中的顺序是氨基酸态氮>非酸解态氮>酸解氨态氮>酸解未知态氮>氨基糖态氮。各形态有机氮的剖面分布相似,含量均随土层的加深而降低。不同处理对有机氮各组分含量变化的作用表现为有机无机配施处理>单施有机肥处理>单施化肥处理、不施肥处理。【结论】长期有机无机肥配施显著提高了土壤的供氮潜力,是维持土壤肥力最优的施肥方式。

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田间试验研究了小麦-玉米一年两熟耕作区玉米秸秆还田与氮肥配施和化肥单施对冬小麦生长发育、籽粒产量及氮肥表观利用率和水分利用效率的影响。结果表明, 施氮量相同时, 秸秆与氮肥配施越冬前和拔节期冬小麦总茎数和单株分蘖数低于化肥单施, 施氮量在75~225 kg?hm-2 时, 植株干重高于化肥单施; 孕穗期到成熟期植株干重、成穗率和产量构成因素秸秆与氮肥配施处理高于化肥单施处理, 籽粒产量增加58.9~339.6kg?hm-2, 水分生产率提高0.026~0.083 kg?m-3。施氮量在75 kg?hm-2 时, 秸秆与氮肥配施的氮肥表观利用率低于化肥单施; 在150~300 kg?hm-2 时高于化肥单施。因此, 针对目前黄淮海麦区小麦-玉米一年两熟种植制度下, 秸秆还田前期生物争氮、后期供肥能力增强的特点, 秸秆连续还田后配施纯氮225 kg?hm-2, 可有效提高灌水和氮肥利用率, 实现冬小麦高产高效栽培。
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Kravchenko, Y., Rogovska, N., Petrenko, L., Zhang, X., Song, C. and Chen, Y. 2012. Quality and dynamics of soil organic matter in a typical Chernozem of Ukraine under different long-term tillage systems. Can. J. Soil Sci. 92: 429-438. Tillage has been reported to induce changes in soil organic matter (SOM) concentrations and quality. Conversion of plow-tillage to minimum till and no-till (NT) farming enhances the SOM pool. Enrichment of the SOM pool is essential for maintaining fertility of Chernozems, advancing food security, and improving the environment. The main objective of this study was to examine the effect of different tillage systems on the SOM concentration, its quality and dynamics including CO, assimilation by heterotrophic bacteria and humus characteristics - the carbon (C) concentration in humic substances and the labile soil organic C fraction (SOCL) extracted with 0.1 N NaOH - as well as the molecular masses, spectroscopic parameters and physiological effects of humic acids on germinating pea (Pisum sativum L.) seeds. Our study was conducted on a long-term experimental site on a Haplick Chernozem in the Poltava region of Ukraine over a 10-yr period from 1996 to 2006. Results indicate that conversion from conventional to reduced soil tillage systems increased SOM concentrations in 0- to 10-cm soil layer and led to the accumulation of C in fulvic acids and humins. No significant differences in SOM storage in the 0- to 100-cm layer were observed among tillage systems. However, reduced tillage systems had a higher proportion of SOCL, a lower ratio of C in humic acids/C in fulvic acids and more humic acids with molecular masses from 110 to 2000 kDa. Our study demonstrated that the quality and dynamics of SOM are closely related to soil tillage practices.
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Olson K R, Al-Kaisi M M, Lal R, et al. Experimental consideration, treatments, and methods in determining soil organic carbon sequestration rates[J]. Soil Science Society of America Journal, 2014,78(2):348-360.
In agricultural land areas, no-tillage (NT) farming systems have been practiced to replace intensive tillage practices such as, moldboard plow (MP), chisel plow (CP), and other systems to improve many soil health indicators, and specifically to increase soil organic carbon (SOC) sequestration and reduce soil erosion. Numerous approaches to estimate the amounts and rates of SOC sequestration as a result of a switch to NT systems have been published, but there is a concern regarding protocol for assessing SOC especially for different tillage systems. Therefore, the objectives of this paper are to: (i) define and understand concepts of SOC sequestration, (ii) quantify SOC distribution and the methodology of measurements, (iii) address soil spatial variability at field-or landscape-scale for potential SOC sequestration, and (iv) consider proper field experimental design, including pretreatments baseline for SOC sequestration determination. For SOC sequestration to occur, as a result of a treatment applied to a land unit, all of the SOC sequestered must originate from the atmospheric CO2 pool and be transferred into the soil humus through land unit plants, plant residues, and other organic solids. The SOC stock present in soil humus at end of a study must be greater than the pretreatment SOC stock levels in the same land unit. However, one should recognize that a continuity equation showing drawdown in atmospheric concentration of CO2 may be difficult, if not impossible, to quantify. Therefore, SOC sequestration results of paired comparisons of NT to other conventional tillage systems with no pretreatments SOC baseline, and if the conventional system is not at a steady state, will likely be inaccurate where the potential for SOC loss exists in both systems. To unequivocally demonstrate that the SOC sequestration has occurred at a specific site, a temporal increase must be documented relative to pretreatment SOC content and linked attendant changes in soil properties and ecosystem services and functions with proper consideration given to soil spatial variability. Also, a standardized methodology that includes proper experimental design, pretreatment baseline, root zone soil depth consideration, and consistent method of SOC analysis must be used when determining SOC sequestration.
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汪景宽, 李双异, 张旭东, 等. 20年来东北典型黑土地区土壤肥力质量变化[J]. 中国生态农业学报, 2007,15(1):19-24.
通过大量样品分析和数据收集,研究了最近20年来东北典型黑土地区土壤肥力质量主要指标――pH、有机质、速效磷、速效钾和黏粒的变化情况,并在地理信息系统和地统计分析的辅助下,研究了该5项肥力指标以及综合肥力指数的时空变异规律。结果表明:20年中该地区土壤pH、有机质和速效钾平均含量明显降低,速效磷平均含量有较大增加;速效磷的变异系数变化最大,pH变化最小;20世纪80年代该地区土壤肥力综合指数以一、二级为主(80%以上),但21世纪初土壤肥力质量几乎被二、三级地所占据(98%以上)。该地区土壤肥力质量明显降低
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孙波, 潘贤章, 王德建, 等. 我国不同区域农田养分平衡对土壤肥力时空演变的影响[J]. 地球科学进展, 2008,23(11):1201-1208.
区域农田养分盈亏是驱动农田土壤肥力时空变化的主要因素。对我国6个农业生态试验站(海伦、沈阳、 栾城、长武、常熟、鹰潭)站区农田土壤肥力在近年来时空演变的研究表明,除了海伦站黑土和常熟站水稻土的有机质和全氮平均含量下降外,其他站区均呈现增加趋势,主要原因是黑土和乌栅土有机质和全氮含量较高,目前农田有机C和N投入水平无法维持其平衡;6个站区土壤速效磷有增有减,而土壤速效钾除了栾城和鹰潭站区域外均呈降低趋势。从站区农田养分的年平衡与土壤养分的年变化量关系看,农田氮、磷、钾的盈亏量决定了土壤养分的变化方向。土壤有机碳和全氮的初始含量过高(分别超过15.1 g/kg和1.60 g/kg)时,也会导致其年际间的变化方向从增加变为降低。农田氮素盈亏量与土壤全氮变化量之间相关不显著,主要是由于化肥投入和作物籽粒输出的农田氮平衡不能完全代表土壤氮素的真实盈亏情况;而农田磷素和钾素的盈亏量与土壤速效磷和速效钾的年变化量的显著相关。
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郝小雨, 周宝库, 马星竹, 等. 长期不同施肥措施下黑土作物产量与养分平衡特征[J]. 农业工程学报, 2015,31(16):178-185.
为了明确长期不同施肥措施下黑土作物产量及养分平衡特征,利用开始于1979年的哈尔滨黑土肥力长期定位试验,以小麦-大豆-玉米轮作(3a)为一个周期,选取对照(不施肥,记作CK)、常量氮磷钾化肥配施(小麦施N、P2O5量分别为150、75 kg/hm2,大豆施N、P2O5量分别为75、150 kg/hm2,玉米施N、P2O5量分别为150、75 kg/hm2,K2O共施75 kg/hm2,记作NPK)、常量有机肥(施肥18 600 kg/hm2,记作M)、常量化肥有机肥配施(化肥施量同NPK,有机肥施量同M,记作MNPK)和二倍量氮磷化肥有机肥配施(小麦施N、P2O5量分别为300、150 kg/hm2,大豆施N、P2O5量分别为150、300 kg/hm2,、玉米施N、P2O5量分别为300、150 kg/hm2,有机肥共37 200 kg/hm2,记作M2N2P2)5个处理,研究了不同作物的平均产量、产量年际变化和土壤养分表观平衡。结果表明:1)较CK,长期平衡施用化肥或化肥配施有机肥提高了作物产量,多年平均增产率分别在82.5%~91.6%(小麦)和35.6%~40.9%(玉米)之间。长期不同施肥措施增产效果表现为M2N2P2 >MNPK>NPK>M,有机无机肥配施与单施化肥处理间作物产量差异不显著。2)长期不施肥处理小麦和玉米产量随试验年限推移呈下降趋势,降幅分别为13.93和42.61 kg/(hm2·a),大豆则以7.409 kg/(hm2·a)的速率增加。施肥处理小麦、大豆和玉米产量随试验年限的增加呈总体上升的趋势。3)在该试验条件下,长期施用常量化肥处理(NPK)和常量化肥有机肥配施处理(MNPK)土壤氮亏缺量分别为29.7和17.5 kg/hm2,磷盈余量分别为33.4和61.2 kg/hm2。各处理土壤中钾素均表现为亏缺,亏缺量在30.4~73.0 kg/hm2之间。MNPK处理氮、钾供应状况有所改善,较NPK处理分别增加12.2和27.6 kg /hm2。4)作物产量与土壤有机质、碱解氮、有效磷、降雨量、生育期日平均气温呈显著正相关关系(P<0.05)。5)在黑土小麦-大豆-玉米典型轮作制度下,基于土壤养分平衡特征提出"稳氮、减磷和增钾"的施肥策略。该研究为评价和建立长期施肥模式、促进粮食持续生产提供依据。
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李世清, 李生秀, 邵明安, 等. 半干旱农田生态系统长期施肥对土壤有机氮组分和微生物体氮的影响[J]. 中国农业科学, 2004,37(6):859-864.
在半干旱农田生态系统红油土上20年的肥料定位试验表明,施用秸秆和厩肥会显著改变耕层土壤有机氮组分和微生物体氮。施肥后酸解性氮的含量及比例明显增加,非酸解性氮含量下降。酸解性氮在不施肥时含量最低(646.3 mgN·kg-1),其次为施用化肥(684.3 mgN·kg-1),同时施用秸秆和化肥居中(794.1~950 mgN·kg-1),施用厩肥和化肥最高(1 103.2 mgN·kg-1)。各处理中,酸解性氮是土壤全氮的主体,占全氮的 73.4%~82.6%,这一比例从仅施化肥、对照、化肥+ 低量秸秆、化肥
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Zhang W J, Xu M G, Wang B R, et al. Soil organic carbon, total nitrogen and grain yields under long-term fertilizations in the upland red soil of southern China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2009,84(1):59-69.
A long-term experiment with various fertilizations was carried out during 1990–2006 in a double cropping system rotated with wheat (Triticum Aestivium L.) and corn (Zea mays L.) in the red soil of southern China. The experiment consisted of eight treatments: non-fertilization (CK), nitrogen–phosphorus fertilization (NP), phosphorus–potassium fertilization (PK), nitrogen–phosphorus–potassium fertilization (NPK), pig manure (M), pig manure and NPK fertilization (NPKM), high rates of NPKM (hNPKM), and straw returned with inorganic fertilizers (NPKS). Applications of manure (i.e., M, NPKM and hNPKM) significantly increased soil organic carbon (SOC) and total nitrogen contents. Applications of inorganic fertilizers without manure showed small influences on SOC, but resulted in declines of soil total nitrogen over the long-term experiment. Grain yields were more than doubled under fertilizations for both wheat and corn, with the highest under the NPKM and hNPKM treatments and the lowest under non-fertilization. Long-term cropping practices without fertilization or with unbalanced fertilizations (e.g., NP and PK) caused low grain yields. The balanced fertilization of NPK increased grain yields. However, such practice was not able to maintain high grain yields during the last few years of experiment. Our analyses indicate that both wheat and corn grain yields are significantly correlated with SOC, total and available nitrogen and phosphorus. However, the relationships are stronger with total nitrogen (r = 0.5–0.6) than with available nitrogen (r = 0.26–0.3), indicating the importance of maintaining soil total nitrogen in agricultural practice.
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杜晓玉, 徐爱国, 冀宏杰, 等. 华北地区施用有机肥对土壤氮组分及农田氮流失的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2011(6):13-19.
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东北黑土区是世界四大片黑土区之一,它以高有机质和高肥力而著称,不仅是东北农业发展的基础,也是中国的粮仓,在保障国家粮食安全中具有举足轻重的地位。针对东北黑土自身的特色和面临的问题,首先描述了东北黑土地形成的条件及自然黑土的属性特征;其次阐述了黑土被开垦后农田化过程中土壤属性和肥力的演化情况,土壤有机质大幅度下降,土壤肥力降低,已严重影响到东北黑土地农业的可持续发展;在此基础上分析了黑土区耕作土壤不同保护途经及其对土壤肥力的影响机制;最后展望了未来黑土地理论研究的侧重点:应加大新技术、新方法和跨学科交叉理论的研究,培育更适合东北黑土地气候条件的高产优质作物品种,并结合目前黑土地保护的技术调控模式,优化作物种植模式,提升作物品质和产量,提高黑土区农业的综合生产力和竞争力、保证黑土区农业的永续利用。

基金

国家现代农业产业技术体系建设专项“国家大豆产业技术体系建设项目”(CARS-04)

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