黑河中游边缘绿洲农田土壤质量及其农业管理的影响
本文选择黑河流域荒漠绿洲过渡区绿洲农田生态系统开展土壤质量及其调控研究，得出主要结论：
一、分析了黑河中游荒漠绿洲过渡区荒漠土壤和荒漠开垦后的农田表层土壤24种化学元素的含量。对自然荒漠土壤元素含量的统计，得出研究区域土壤元素背景值:大量元素Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na和P分别为:335.3、49.4、19.1、29.4、8.9、20.1、17.5和0.338 g/kg;常见的lL种重金属元素Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb和As分别为:55.8、404.8、17.7、5.1、33.7和5.2 mg/kg;其它痕量元素Ti、V、Co、Rb、Sr、Y、Zr、Nb和Ba分别为:2.0、55.3、5.7、82.4、232.9、14.7、194.9,7.8和720.6 mg/kg。荒漠土壤开垦后，随着人为耕作、灌溉和施肥，土壤元素含量发生显著的变化。Si、K、Na、Sr、Zr和Ba元素含量有一定程度的降低，Rb未发生明显变化，其它17种元素含量均有显著的增加，增加幅度在17％～3.5倍。开垦后长期的灌溉土壤粘粉粒含量增加、长期施用化肥和农肥有机质含量增加，是土壤元素得以积累的主要原因。土壤元素积累随土壤发育程度而增加，表现为干润雏形土>早耕人为土>正常干旱土>砂质新成土。
二、对黑河中游边缘绿洲区农田表层土壤团聚体特征及其影响因素的研究表明:研究的4种土类，除干润雏形土外，大部分土壤粒级组成以沙粒为主;土壤有机碳含量低，平均为5.88±2.52 g/kg，4种土类平均含量变动在4.75～10.51 g/kg，以砂质新成土最低，干润雏形土最高;碳酸钙含量普遍较高，平均含量变动在84.7～164.8 g/kg，随土壤粘粉粒和有机碳含量的增加而增加；>0.25 mm的干团聚体以土类平均变动在65.2％～94.6％，干团聚体组成以>5 mm的大块状团聚体(土块)为主，平均重量粒径(DMWD)变动在3.2～5.5 mm；>0.25 mm的水稳性团聚体变动在23.8％～45.4％，团聚体破坏率(PAD)在52.4％～66.8％，团聚体组成和特征有利于抵抗土壤风蚀，但稳定性差，灌溉后易于分散、沉实板结、通透性差。土壤粘粉粒、有机碳、碳酸钙及铁铝氧化物均对团聚体的形成有显著作用，以土壤粘粒和细粉粒作用最大，有机碳和碳酸钙作用次之；但有机碳和碳酸钙对团聚体的稳定性较粘粉粒的影响更为明显。退耕种植多年生苜蓿后，土壤有机碳、团聚体数量及其稳定性显著增加。对生态脆弱的边缘绿洲区新垦土地，退耕还草或推行草粮轮作，是改善土壤结构、提高土壤肥力、减轻土壤风蚀的可持续土地利用的有效途径。
三、土壤有机碳和氮在维持土壤质量和环境质量方面起着重要的作用。通过对黑河中游边缘绿洲农田退耕种植苜蓿4年后表层土壤碳、氮储量的分析表明，在0～5 cm表层全量有机碳(SOC)、氮(TN)和颗粒有机碳、氮(POM-C,POM-N)的储量退耕苜蓿地显著高于相邻对照农田。但0～20 cm层，苜蓿地土壤与对照农田SOC, POM-C, POM-N有显著差异，而TN无显著差异。两种土地利用方式之间，POM-C, POM-N较SOC, TN有更显著的差异。退耕苜蓿地0～20 cm土层SOC和TN储量平均为22.05 MgC/ha和2.31 MgN/ha，相邻未退耕农田土壤为19.78 MgC/ha和2.21 MgN/ha。退耕种植苜蓿4年后有机碳的固存率(0～20 cm)平均为0.56 MgC/hayr。研究区4种主要土类。0～20 cm土层有机碳的容量水平分别为:干润雏形土，31.4～35.5gC/kg;早耕人为土，19.0～24.5 g C/kg；砂质新成土，10.8～15.2 gC/kg;正常干旱土，8.9～11.5gC/kg；表明边缘绿洲土壤有巨大的碳固存潜力。土壤有机碳含量极低的沙质土壤在土地利用转变后较粉壤质土壤有更大的碳固存潜力。在瘠薄耕地转变为多年生苜蓿地后土壤C库的增加主要是由于POC的形成量增加。研究结果表明，在研究区域边缘土地由一年生作物向多年生牧草的转变是增加土壤碳氮库、改善土壤质量的有效对策。
四、土壤有机碳的保持是农业生态系统生产力长期稳定的物质基础。不同的施肥管理措施显著影响SOC的动态变化。在黑河流域中游灌漠土长期肥料定位试验研究表明，和不施肥对照相比，长期单独施用化肥，能够维持较高的农作物产量，但并不能增加SOC含量，23年的化肥施用较试验开始时SOC含量下降了18％。长期不平衡施用化肥(单施氮肥和氮磷肥配施)显著降低了有效P和K的含量。这表明，在研究区域实行常规耕作管理，农作物秸秆不能还田的情况下，长期无机肥的施用并不能维持SOC的养分水平。而长期农肥的施用或农肥与化肥的配施，SOC和全N含量从试验开始时的12.1 g/kg和0.76 g/kg增加到15.46 g/kg和1.28 g/kg，在23年期间有效N, P和K含量分别增加了47％、50％和68％。施用有机肥处理较不施有机肥处理，土壤团聚体的平均重量粒径(MWD)增加0.48mm，同时增加了>2mm和2～0.25mm大团聚体的比例。土壤有机碳含量与MWD有显著的正相关关系((R2=0.75)。2-0.25mm团聚体有最高的有机碳含量，而微团聚体((0.25-0.05mm)中含量最低。在不施有机肥的处理中，54％～60％的SOC被保护在微团聚体((0.25-0.05mm)和土壤粘粉粒组分中(<0.05 mm)，长期施用有机肥的处理，57％～64％的SOC被保护在大团聚体(>0.25 mm)。长期有机肥和N、P、K化肥的平衡配合施用对促进土壤大团聚体的形成和稳定性、保持和提高SOC和养分水平有显著的效应。
五、研究了黑河中游边缘绿洲沙地农田不同灌溉水平(常规灌溉，12000 m3/ha；节水10％，10800 m3/ha；节水20％,9600 m3/ha)和施氮水平(0、150、225、300和375kgN/ha)下玉米产量、氮肥利用率、灌溉水生产力及硝态氮在土壤剖面中的分布。结果表明，常规高量灌溉(12000 m3/ ha)和节水10％和20％的处理玉米产量和地上生物量无显著差异;在施有机肥和磷、钾肥的基础上，施氮量150～375 kgN/ha较不施氮处理增产74.8％～108.6％，施氮量超过225 kg Nhm-2，产量不再显著增加;氮肥利用率平均变动在50.6％～83.7％，随施氮量的增加而下降，超过225 kgN/ha时显著降低。在施用氮肥时，玉米灌溉水生产力变动在0.97～1.35 kg m-3,随灌溉量的增加而下降，施氮量超过225 kgN/ha时，灌溉水生产力不再显著增加。水肥配合有显著的交互效应，高量的水氮配合可获得较高的产量，但水肥利用效率显著下降。对每次灌溉前土壤剖面水分含量的测定结果表明，3个灌溉水平下0～160 cm土层土壤水分含量无显著差异，表明常规高量灌溉并不能保持较长时间的有效水分供作物吸收利用;高量灌溉下，0～200cm土壤剖面中N03-N的积累量低于节水灌溉处理，表明高量灌溉使更多的N03-N淋溶至更深的土层，对地下水氮污染风险加大。从水肥高效利用、降低氮污染风险和缓解水资源短缺综合考虑，进行合理的水肥调控、适度降低灌溉量和氮肥投入是沙地农田生态系统管理的合理选择。通过合理的水肥调控沙地农田仍有很大的节水潜力。
黑河中游
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
博士后
自然地理学
王涛
2007
中文
S151.9
92
2011-05-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）