半干旱黄土丘陵区苜蓿人工草地土壤磷素有效性及对生产力的响应

研究了半干旱黄土丘陵区以垄沟集雨技术建成的紫花苜蓿（Medicago sativa L．）人工草地对土壤磷索的影响。土壤全磷在处理之间和采样期之间均无显著差异。但在各处理土壤中速效磷在试验期间的减少量和苜蓿的干草产量成正比,垄上覆盖薄膜的2个垄沟处理（M30-垄和沟宽度均为30em,M60-垄和沟宽度均为60cm）比平作（CK）的干草产量分别显著提高了10．7％和40．3％,两个未覆盖的垄沟处理（B30-垄和沟宽度均为30cm,B60-垄和沟宽度均为60em）干草产量分别比平作对照下降了14．2％和28．3％。相应地,3a试验期间速效磷的减少量为M60（55．5％）〉M30（51．5％）〉CK（34．6％）〉B30（23．4％）〉B60（17．5％）。并且在3年试验后,所有处理的土壤有机碳和速效磷的比值（C／P比）均比播种前有显著增加,其中M30和M60的C／P比分别达到1165．1和1326．1,显著高于其他处理。试验还发现,在干旱年份土壤有机碳和有效磷显著正相关,而在湿润年份二者为显著负相关。要进一步提高苜蓿人工草地产草量或延长草地高产年限,必须寻找增加土壤有效磷的途径或方法。     

不同集雨种植方式对干旱区紫花苜蓿种植的影响

在甘肃省定西半干旱黄土丘陵区采用完全随机设计,研究不同覆盖材料(普通地膜CMR、生物可降解地膜BMR和土垄SR)和不同沟垄比(60 cm∶30 cm、60 cm∶45 cm和60 cm∶60 cm)对径流效率、土壤贮水量、土壤含水量、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率的影响.结果表明：SR、BMR和CMR的平均径流效率分别为32.0%、90.7%和96.4%.在紫花苜蓿生育前期(4-6月),各处理之间土壤贮水量差异不显著;在紫花苜蓿生育后期(7-10月),BMR和CMR的土壤贮水量显著高于SR,SR的土壤贮水量显著高于平作,如在紫花苜蓿孕蕾期,平作、SR、BMR和CMR 0~140 cm土层土壤贮水量分别为223.27、248.56、277.81和284.16 mm.平作、SR、BMR和CMR全生育期实际干草产量分别为4112.1、3397.5、4317.8和4523.8 kg·hm^-2,水分利用效率分别为11.08、10.48、14.56、14.95 kg·mm^-1·hm^-2.在同一覆盖材料下,不同沟垄比对土壤贮水量和水分利用效率的影响不显著.当沟垄比为60 cm∶44 cm时,CMR和BMR处理的实际产量均达到最大.     

覆盖材料和沟垄比对土壤水分和紫花苜蓿干草产量的影响

为寻求半干旱黄土高原区种植紫花苜蓿的适宜覆盖材料和最佳沟垄比,采用完全随机设计布置大田试验,以传统平作为对照,研究不同垄覆盖材料(土壤结皮、生物可降解地膜和普通地膜)和不同沟垄比(沟宽:垄宽分别为60∶30、60∶45和60∶60,单位是cm)对土壤水分和紫花苜蓿干草产量等的影响。结果表明:通过对2012年和2013年紫花苜蓿生育期降雨量统计,2a平均值显示,无效降雨次数(53次)大于有效降雨次数(27次),无效降雨对总降雨量的贡献率(19%)小于有效降雨(81%)。就紫花苜蓿全生育期而言,与平作相比,SR_(30)、SR_(45)、SR_(60)、BMR_(30)、BMR_(45)、BMR_(60)、CMR_(30)、CMR_(45)和CMR_(60)(SR、BMR和CMR分别代表土垄、生物可降解膜垄和普通膜垄,下标分别表示垄宽为30、45cm和60cm)连续2a的平均根层(0—140 cm)土壤贮水量分别提高12.8、19.2、24.4、26.0、30.7、40.5、29.9、37.1 mm和47.7 mm。垄沟集雨种植第1年龄和第2年龄紫花苜蓿根层没有出现明显干层。与平作相比,SR_(30)、SR_(45)和SR_(60)的连续2a紫花苜蓿平均实际干草产量分别降低3%、8%和13%,WUE分别提高52%、58%和55%;BMR_(30)、BMR_(45)、BMR_(60)、CMR_(30)、CMR_(45)和CMR_(60)的连续2a紫花苜蓿平均实际干草产量分别提高14%、12%、7%、17%、19%和9%,WUE分别提高49%、62%、59%、51%、67%和56%。当紫花苜蓿生育期降雨量为380.7—427.6 mm和沟垄比为60 cm∶35—36 cm时,生物可降解膜垄和普通膜垄的紫花苜蓿实际干草产量达到最大值,为该地区垄沟集雨种植紫花苜蓿提供参考。     

垄作与覆膜对川中丘陵春玉米根系分布及产量的影响

通过设置田间试验,研究种植方式(垄作垄播、平作、垄作沟播)与覆膜措施对川中丘陵春玉米根系分布和玉米产量的影响.结果表明: 垄作与覆膜对玉米根系形态影响显著,覆膜显著提高了玉米根长、根表面积和根体积,拔节期覆膜较不覆膜处理分别提高了42.3%、50.0%和57.4%.覆膜提高了各土层和各水平各层次根质量,扩大了根系在土壤垂直和水平方向上的分布,提高了拔节期20～40 cm土层和水平方向上宽行0～20 cm根系比例.种植方式对根系生长和分布的影响因覆膜而异,覆膜下垄作垄播显著提高了各土层根质量和20～40 cm土层根量分配比例,同时提高了水平方向上各层次根量和宽行根系分配比例,总根质量表现为:垄作垄播>平作>垄作沟播;不覆膜下垄作沟播显著提高了窄行0～40 cm根量,吐丝期总根质量表现为:垄作沟播>垄作垄播>平作.从玉米穗部性状和产量看,覆膜降低了玉米秃尖长,提高了穗长、穗粒数、千粒重和产量,覆膜下产量表现为:垄作垄播＞平作＞垄作沟播;不覆膜下则表现为:垄作沟播＞平作＞垄作垄播.覆膜下垄作垄播促进了根系特别是深层根质量的增加,同时增加了深层根系和水平20～40 cm根系比例,这是其增产的重要原因;而不覆膜下垄作沟播有利于根系生长,从而提高产量.     

陕北半干旱区沟垄覆膜集水模式下糜子边际效应及生理特性

通过连续3年大田定位试验,研究了陕北半干旱区不同沟垄覆膜集水模式下糜子边际效应和生理特性.试验设4种不同的沟垄宽度(带型),垄∶沟分别为40 cm∶40 cm(P₄₀)、60 cm∶60 cm(P₆₀)、80 cm∶80 cm(P₈₀)、100 cm∶100 cm(P₁₀₀),对照为露地平播(NM).结果表明: 随着沟垄宽度的增大,糜子的产量边际效应指数和边际效应增大,边行的增产作用呈上升趋势,最大增产率达207.7%,而中行的增产作用呈下降趋势,增产幅度最低仅为103%.带型60 cm∶60 cm的糜子产量在3年中均为最高.同一处理内,边行对糜子产量的贡献率大于中行,差异达到显著水平.不同带型边行的叶绿素含量、Chl a/Chl b、光合速率均大于中行;沟垄宽度越大,边行的光合能力越强,中行的光合能力越弱.带型60 cm∶60 cm是陕北半干旱区糜子种植的适宜带型.     

覆膜方式对一膜两年覆盖旱地玉米籽粒产量、水分利用效率和土壤水分平衡的影响

以挖掘黄土高原半干旱区全膜双垄沟播玉米节本增效技术,探讨一膜两年覆盖系统土壤水分平衡为目标,通过大田定位试验,量化研究了一膜两年覆盖条件下,全膜沟垄作(F₁M)、全膜平作(F₂M)、半膜平作(F₃M)和不覆膜平作(F₄M,对照)玉米的产量、经济收益、水分利用效率和土壤水分平衡.结果表明: 2年全膜沟垄作、平作的生物产量较对照平均增加32.8%和32.9%,籽粒产量增加60.8%和51.7%,水分利用效率和降水利用效率平均增加59.8%、35.9%和87.6%、64.4%.新覆膜全膜沟垄作、平作属于高产高投模式,其总产值较对照增加51.0%、41.2%,产投比较对照降低15.1%和16.2%;一膜两年覆盖全膜沟垄作、平作属于节本增效型生产模式,其总产值较对照增加40.8%和42.2%,产投比增加40.3%和42.2%.在606.5 mm的低降水条件下,一膜两年覆盖全膜沟垄作、平作的总耗水量分别达731.3和746.8 mm,土壤水分亏缺分别达124.8和140.3 mm,较对照增加22.7%和38.0%.一膜两年覆盖使全膜沟垄作、平作休闲期土壤水耗水量较对照降低了28.6%和30.0%,休闲效率较对照增加178.9%、148.3%.这说明全膜沟垄作、平作具有明显的增产和提高水分利用效率的作用,该技术结合一膜两年覆盖技术能实现节本增效,但在推广应用时需考虑低降水条件下的土壤水分亏缺问题.     

不同栽培模式对渭北旱塬区冬小麦生长期间土壤水分、温度及产量的影响

通过2a大田试验研究了不同栽培模式对渭北旱塬区冬小麦生育期内0-2 m土壤水分,耕层(10 cm处)地温,以及作物产量和水分利用效率的影响。结果表明:(1)推荐施肥+垄上覆膜+沟内覆草(NP+PF+S)、推荐施肥+垄上覆膜(NP+PF)和推荐施肥+麦秸覆盖处理(NP+S)均能增加土壤储水量,但以NP+PF+S和NP+PF处理较好;(2)3种覆盖栽培模式均提高了冬小麦越冬期间耕层地温,但推荐施肥+麦秸覆盖处理(NP+S)在冬小麦返青期耕层地温要低于对照(CK),推荐施肥+垄上覆膜+沟内覆草(NP+PF+S)和NP+S处理在冬小麦返青期后期到收获期耕层地温也均低于CK;(3)NP+PF+S处理较其它处理可增加冬小麦产量,并提高水分利用效率,其次是NP+PF处理,而NP+S处理增产效果不明显。可见,覆膜覆草和覆膜是较为适宜渭北旱塬雨养区冬小麦发展的栽培模式。     

不同覆盖施肥措施对黄土旱塬冬小麦土壤水分的影响

于2007年9月—2008年7月在位于黄土高原渭北旱塬的王东沟试验区进行冬小麦不同覆盖施肥措施（包括不施肥、农民习惯施肥、推荐施肥、推荐施肥+有机肥、推荐施肥+垄上覆膜、推荐施肥+垄上覆膜+沟内覆草、推荐施肥+全区覆草7个处理）田间试验,并采用水分中子仪定期观测土壤含水量,研究黄土高原旱塬区不同栽培措施下土壤水分的变化特征.结果表明：在干旱季节（春季）,推荐施肥+垄上覆膜+沟内覆草措施有利于贮存更多的土壤水分,其土壤储水量约比最低值（推荐施肥+有机肥）高48.2 mm,并可将土壤水分保持到冬小麦需水的关键期,而且推荐施肥+垄上覆膜措施仅次于推荐施肥+垄上覆膜+沟内覆草,表明这两种措施能够在田间蓄积较多天然降水,有利于黄土高原旱区雨养农业的发展.     

半干旱区垄沟集雨系统点尺度土壤水分动态随机模拟

为揭示土壤水分动态对半干旱区垄沟集雨系统水文和生态过程的影响机理,基于Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型),利用中国气象局定西干旱气象与生态环境试验基地2012—2013年垄沟集雨燕麦生长季根系层土壤水分观测数据及2000—2015年日降水资料,分析不同覆盖材料(生物可降解膜、普通塑料膜和土壤结皮)和不同沟垄比(30∶60,45∶60和60∶60cm)对生长季燕麦根系层土壤水分动态的影响,研究点尺度土壤水分概率密度函数特征,并对模型涉及参数进行敏感性分析。结果表明:研究区年降水的季节分配极不均匀,主要集中在5—10月份,占总降雨次数的66.6%;年降雨量的85.32%来源于10 mm的降雨,以暴雨为主;近16年研究区降水量呈缓慢增长趋势。生物可降解膜垄(BMR)、普通地膜垄(CMR)和土垄(SR)临界产流降雨量分别为1.35、0.95 mm和5.31 mm,平均集水效率分别为87.892%、94.203%和27.488%;在燕麦生长季,BMR和CMR的土壤含水量显著大于SR,SR的土壤含水量显著大于传统平作,各处理土壤含水量均服从正态分布;通过Laio模型模拟得到的各处理土壤水分概率密度函数的曲线特征(峰值及其位置、90%置信区间)及数字特征(期望、方差)与观测结果基本一致,CM指数均大于0.5,且可将集雨垄径流量作为单次降水的随机事件处理,说明该模型可应用于垄沟集雨系统土壤水分概率密度函数的模拟,为半干旱区农田水分高效利用管理提供理论依据。     

半干旱区垄沟集雨系统点尺度土壤水分动态随机模拟

为揭示土壤水分动态对半干旱区垄沟集雨系统水文和生态过程的影响机理,基于Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型),利用中国气象局定西干旱气象与生态环境试验基地2012—2013年垄沟集雨燕麦生长季根系层土壤水分观测数据及2000—2015年日降水资料,分析不同覆盖材料(生物可降解膜、普通塑料膜和土壤结皮)和不同沟垄比(30∶60,45∶60和60∶60cm)对生长季燕麦根系层土壤水分动态的影响,研究点尺度土壤水分概率密度函数特征,并对模型涉及参数进行敏感性分析。结果表明:研究区年降水的季节分配极不均匀,主要集中在5—10月份,占总降雨次数的66.6%;年降雨量的85.32%来源于10 mm的降雨,以暴雨为主;近16 a研究区降水量呈缓慢增长趋势。生物可降解膜垄(BMR)、普通地膜垄(CMR)和土垄(SR)临界产流降雨量分别为1.35、0.95 mm和5.31 mm,平均集水效率分别为87.892%、94.203%和27.488%;在燕麦生长季,BMR和CMR的土壤含水量显著大于SR,SR的土壤含水量显著大于传统平作,各处理土壤含水量均服从正态分布;通过Laio模型模拟得到的各处理土壤水分概率密度函数的曲线特征(峰值及其位置、90%置信区间)及数字特征(期望、方差)与观测结果基本一致,CM指数均大于0.5,且可将集雨垄径流量作为单次降水的随机事件处理,说明该模型可应用于垄沟集雨系统土壤水分概率密度函数的模拟,为半干旱区农田水分高效利用管理提供理论依据。     

Dynamics of soil organic carbon and soil fertility affected by alfalfa productivity in a semiarid agro-ecosystem

We explore the dynamics of soil organic carbon of various forms and its relation with soil fertility in seeded alfalfa grassland established using a field micro-catchment technique to harvest water on the semiarid Loess Plateau in China. Five regimes were set up: (1) conventional flat cultivation without mulch (CK), (2) ridges and furrows were set up alternately on flat land, with 15 cm between each so that the distance between successive ridges (or successive furrows) was 30 cm, and the ridges were mulched with plastic film (M30), (3) similar to M30, but with twice the distance between furrows and ridges (M60), (4) similar to M30, but the ridges were not mulched (B30), (5) similar to M60, but the ridges were not mulched (B60). The increase in alfalfa forage yield in the mulch regimes promotes soil organic carbon (SOC) content, the light fraction of organic carbon (LFOC), the heavy fraction of organic carbon (HFOC) and microbial biomass carbon (MBC). MBC was significantly higher in M30 and M60 than in the other regimes. Significant positive correlation is found between MBC and LFOC (R=0.89; P<0.0001), and MBC and HFOC (R=0.82; P=0.00016). At the end of our three-year experiment, the C/N ratio of 10.09 in M60 was significantly (P<0.005) higher than the other regimes. Since a lower C/N ratio accelerates SOC decomposition in this region, the higher C/N ratio in M60 could limit mineralization of soil nitrogen, conserving soil nitrogen and SOC. The lower ratio of nitrate and nitrite nitrogen to total nitrogen, of 10.74, in M60 at the end of this experiment than in the other regimes and before sowing supports this point. The correlations of SOC with available P and with the ratio of available P to total P are positive in the dry year of 2001, but negative in the wet year of 2002. This can be explained on the basis that a high forage yield of alfalfa requires more soil available P in the wet years than in the dry years.     

Availability and contributions of soil phosphorus to forage production of seeded alfalfa in semiarid Loess Plateau

The availability of soil phosphorus was studied in response to the forage production of seeded alfalfa (Medicago sativa L.), established by the ridge and furrow water-harvesting technique in the semiarid Loess Plateau of China. The following 5 treatments were set up in this study: (1) conventional cultivation in a flat plot without mulch (CK); (2) plastic mulched ridge with 30 cm width of ridge and furrow (M30); (3) plastic mulched ridge with 60 cm width of ridge and furrow (M60); (4) bare ridge with 30 cm width of ridge and furrow (B30); (5) bare ridge with 60 cm width of ridge and furrow (B60). The forage yield, evapotranspiration (ET), soil organic carbon (SOC), total phosphorus, available phosphorus and the ratio of soil organic C to available P (C/P) were measured in the experiment. Results showed that the positive correlation occurred between the decrease in soil available P and the total forage yield of alfalfa after three-year alfalfa stand. M30 and M60 were higher than those of conventional flat cultivation (CK) by 10.7% and 40.3%, respectively, whereas the yield of two bare treatments (B30 and B60) was lower than that of CK by 14.2% and 28.3%, respectively. After a 3-year alfalfa stand, the trend of the decrease in soil available P was in the order of M60 (55.5%) > M30 (51.5%) > CK (34.6%) > B30 (23.4%) > B60 (17.5%). Moreover, after 3-year alfalfa growth, the C/P ratio increased significantly in all of the treatments by comparing with that before sowing. The C/P ratios of M30 (1165.1) and M60 (1326.1) were significantly higher than those of the other treatments. More interesting finding was that the increase in SOC in dry years promoted the accumulation of soil available P. However, in wet years, the increase of SOC limited the accumulation of soil available P. Therefore, to further increase the forage yield of alfalfa, the effective technique must be developed to increase the soil available P.     

半干旱区旱地不同覆盖种植方式玉米田的土壤水分和产量效应

为探讨半干旱区旱地不同种植方式玉米(Zea mays)田的土壤水分动态特征, 测定了全膜双垄沟播(PMF)、全沙覆盖(SM)和裸地(CK) 3种不同处理0-200 cm土壤水分季节变化、垂直变化及年际变化。结果表明: PMF明显改善玉米拔节前0-200 cm土壤的水分条件, 有利于玉米前期生长; 随着玉米生育进程的推进, 3种处理的耗水量依次为: PMF﹥SM﹥CK, 而土壤贮水量表现为CK﹥SM﹥PMF; 在相同降雨条件下, PMF处理0-200 cm土壤水分降雨入渗补给深度最大, SM次之, CK最小。随着种植年限增加, PMF的耗水量和耗水深度增加, 两年种植期间耗水深度从20-120 cm向120-200 cm推移; 连续种植两年后, 3种处理40-120 cm土壤含水量下降至9.0%以下, 其中PMF下降最快(7.9%), 土壤含水量接近萎蔫系数7.2%, 玉米只能靠当年降水生长, 如种植年限继续增加, 土壤极有可能形成干层。3种处理之间耗水量、产量、水分利用效率都存在显著差异, PMF最高, SM次之, CK最低。因此, 在半干旱区采用全膜双垄沟播种植玉米可显著提高产量, 但连续种植可导致土壤贮水量显著降低, 对农田可持续生产能力造成不利影响。     

半干旱黄土高原地区地膜覆盖和底墒对春小麦生长及产量的影响

在年均降水量为415mm的半干旱地区黄绵土旱地上,以春小麦为供试作物进行大田实验,研究不同底墒(包括低底墒、中底墒和高底墒)下．地膜覆盖(包括不覆膜、播种后覆膜30d、覆膜60d和覆膜120d即全程覆膜)进程对作物生产的影响。结果表明．增加底墒和合理的覆膜进程均会显著增加作物的生长和产量,但底墒不同,其最佳覆膜进程不同：在低底墒时,覆膜处理反而使产量低于不覆膜处理;在中底墒时．覆膜30d产量最高,随着覆膜时间延长．产量呈下降趋势,甚至全程覆膜产量低于不覆膜处理;高底墒以覆膜60d产量最高。综合作物生长和产量,全程覆膜并没有多少实际意义。在同种覆膜处理下,随着底墒的增加,根生物量、地上干物质、叶面积及产量也增加显著,高底墒覆膜60d处理的产量在所有处理中为最高。     

乌兰布和沙区紫花苜蓿根系生长及吸水规律的研究

研究了不同水分处理下,乌兰布和沙区紫花苜蓿系生长发育规律及根系吸水速度,结果表明：不同水分处理的根系生长规律最基本一致的,在生长季风均呈增加的趋势;但适度干旱可促进根系的伸长生长。在当地土壤类型条件下,根系主要分布在０－３０cm土层;根重密度在土壤剖面上的分布遵循对数规律,并随深度的增加呈降低趋势。运用一维土壤水分运动方程,计算得到了不同水分处理根系吸水速度在土壤剖面上的分布状况;根系吸水速率与土壤含水量和根密度密切相关。     

微咸水滴灌对土壤酶活性、CO2通量及有机碳降解的影响

利用微咸水灌溉是解决干旱区水资源短缺的重要途径.通过田间小区滴灌试验,研究了不同矿化度微咸水(0.31、3.0、5.0 g·L^-1,NaCl浓度)对土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、β-葡萄糖苷酶和纤维素酶活性的影响,采用土壤碳通量和物料袋法研究了土壤CO₂通量和有机碳降解对微咸水滴灌的响应.结果表明: 微咸水(3.0 g·L^-1)处理下蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶的活性分别比淡水处理降低31.7%～32.4%、29.7%～31.6%、20.8%～24.3%,而土壤多酚氧化酶活性则随灌溉水矿化度提高而显著升高,在膜下微咸水、咸水处理多酚氧化酶较淡水处理提高2.4%、20.5%.土壤微生物生物量碳和微生物熵均随灌溉水矿化度提高呈降低趋势,而代谢熵则呈升高趋势.不同处理对土壤CO₂通量影响表现为淡水＞微咸水≥咸水,且膜下CO₂通量显著高于膜间(P<0.05),棉花吐絮期(9月20日)膜下淡水处理较咸水和微咸水处理的CO₂通量分别升高29.8%、28.2%,微咸水滴灌显著降低了土壤CO₂通量.不同矿化度微咸水滴灌对有机物(棉花和苜蓿秸秆)的降解率表现为淡水＞微咸水＞咸水,膜下有机物降解显著高于膜间.在培养第125天时,咸水、微咸水、淡水处理的膜间棉花秸秆回收率分别为39.7%、36.3%、30.5%,膜间苜蓿秸秆回收率分别为46.5%、36.5%、35.4%.微咸水灌溉明显抑制了北疆滴灌棉田土壤酶活性,造成土壤微生物量和CO₂通量下降,土壤有机物降解率降低,使绿洲农田土壤生物性状变差.