保护性耕作条件下旱地农田麦-豆双序列轮作体系的水分动态及产量效应

保护性耕作(conservationtillage)能够减少水土流失、提高耕地产量,是一类具有生态保护意义的持续性农业耕作形式。2002年至2004年在定西旱地农业地区进行了保护性耕作条件下旱地农田春小麦豌豆双序列轮作土壤水分动态及产量效应的试验研究,结果表明:保护性耕作能够显著改善0～200cm土层土壤贮水量及含水量,随着降水量的增多土壤对降水的保蓄能力增强。在降水较少年份免耕秸秆覆盖的这种作用表现突出,而在降水充沛的年份免耕地膜覆盖则更具优势。耕层土壤水分因受降水等因素的影响而变化剧烈,耕层以下土壤水分变幅相对较小。播种期、五叶期及收获期土壤具有较高含水量,而开花期土壤含水量则较低。在两种轮作体系中,播种期春小麦和豌豆免耕秸秆覆盖处理0～50cm土层含水量分别较常规耕作增加28%、26%和11%、23%,降水生产效率较常规耕作提高了17.79%～26.81%。在春小麦豌豆轮作体系中免耕秸秆覆盖处理的作物产量(春小麦 豌豆)及水分利用效率分别为3420kghm2和8.11kg(hm2·mm),较常规耕作分别提高26.81%和25.39%。     

黄土高原苜蓿-粮食作物轮作下土壤细菌群落特征和生态功能预测

为揭示多年种植苜蓿后轮作不同作物对黄绵土细菌群落的影响,本研究通过布设在黄土高原雨养农业区的长期定位试验,采用16S rRNA基因高通量测序技术和PICRUSt方法探究苜蓿(LC)、苜蓿-休闲-小麦(L_FW)、苜蓿-休闲-玉米(L_FC)、苜蓿-马铃薯(LP)与苜蓿-谷子(LM)对土壤细菌群落结构和多样性的影响,并利用PICRUSt法预测了其生态功能。结果表明: 半干旱区黄绵土细菌优势门为放线菌门(20.3%～32.0%)、变形菌门(19.2%～23.0%)、酸杆菌门(12.4%～14.2%)和绿弯菌门(11.0%～12.7%),其中苜蓿翻耕轮作玉米土壤优势细菌属为芽孢杆菌属(1.9%),其余处理土壤细菌优势属均为假节杆菌属(2.5%)。多年生苜蓿翻耕轮作不同粮食作物后显著降低了放线菌门相对丰度,但显著提高了绿弯菌门和厚壁菌门的相对丰度。冗余分析表明,影响苜蓿及轮作作物土壤细菌群落结构的主要环境因子是硝态氮、铵态氮和全氮。PICRUSt功能预测结果表明,新陈代谢(78.6%～79.1%)为黄绵土细菌群落的主要功能,苜蓿翻耕轮作作物显著降低了土壤细菌碳水化合物代谢功能基因丰度,但明显提高了土壤细菌辅助因子和维生素代谢、神经退行性疾病、免疫系统等功能基因丰度。综上,多年生苜蓿翻耕轮作一年生作物改变了土壤细菌群落结构和生态功能,该结果可为黄绵土细菌群落演替特征的探索和苜蓿适宜后茬作物的确定提供理论参考。     

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.     

不同耕作措施对黄土高原旱地土壤呼吸的影响

在甘肃省定西市李家堡镇设置不同耕作措施试验,对春小麦、豌豆双序列轮作下的土壤呼吸及其对应时间的冠层温度、土壤水分进行了测定.结果表明：春小麦和豌豆在整个生育期内的土壤呼吸都表现出不同的变化趋势,春小麦地土壤呼吸在拔节前期、灌浆期和收后分别达到高峰期;豌豆地土壤呼吸在五叶期、吐丝期、开花结荚期和收后分别达到高峰期.免耕秸秆覆盖处理和传统耕作处理下春小麦地土壤呼吸日变化明显,免耕秸秆覆盖处理明显低于传统耕作处理;而豌豆地土壤呼吸日变化不明显.春小麦和豌豆冠层温度均与土壤呼吸呈显著线性相关,春小麦孕穗期相关性最高,灌浆期次之;豌豆开花结荚期相关性最高,分枝期次之.土壤含水量与土壤呼吸间存在极显著的凸型抛物线型相关,保护性耕作下的相关性都高于传统耕作,其中免耕秸秆覆盖处理的春小麦地和豌豆地土壤含水量与土壤呼吸的相关性在各层次土壤中均为最高,10～30 cm土壤含水量对春小麦地土壤呼吸的影响最大,5～10 cm土壤含水量对豌豆地土壤呼吸的影响最大.与传统耕作相比,免耕秸秆覆盖、免耕、传统耕作秸秆还田、传统耕作结合地膜覆盖、免耕结合地膜覆盖5种保护性耕作措施都能不同程度地降低土壤呼吸,其中免耕秸秆覆盖优势最明显.     

保护性耕作对麦药轮作土壤酶活性和微生物数量的影响

以传统耕作(T)为对照,研究了免耕(NT)和免耕+秸秆覆盖(NTS)保护性耕作对麦药轮作后土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性与细菌、真菌和放线菌数量的影响。试验结果表明:麦药轮作后,从T、NT至NTS,0-5cm、5-10cm和10-30cm同层土壤各种酶活性均逐渐增强,以NTS处理效果最好。表层土壤水解酶活性变化最明显,NTS较T菘蓝土壤表层脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性分别提高38.53%、39.65%和110.00%,小麦土壤分别提高28.10%、19.71%和75.00%,均对蔗糖酶活性影响最大;过氧化氢酶均为深层土壤变化最明显,菘蓝和小麦土壤分别提高9.09%和18.91%。麦药轮作后菘蓝T、NT至NTS同层土壤各种微生物数量和总数逐渐升高,NTS处理效果最好,而小麦土壤表层和中层微生物数量逐渐增加,NTS处理效果最好,但深层土壤细菌、真菌数量和微生物总数呈T低,NT升高,NTS又降低的趋势,土壤放线菌数量则逐渐升高。菘蓝0-5cm土壤细菌、真菌、放线菌数量和微生物总数NTS较T分别提高22.81%、55.56%、67.14%和22.81%,小麦土壤分别提高62.84%、92.86%、14.29%和66.67%。麦药轮作后菘蓝不同耕作处理土壤细菌数量和微生物总数较小麦土壤减少了10倍左右。     

不同耕作措施下春小麦和豌豆叶水势变化及其与环境因子的关系

以长期定位试验为基础，对不同耕作措施下春小麦和豌豆叶水势的变化特征及其与环境因子的关系进行了研究，并对叶片相对含水量和水分饱和亏的变化规律进行了探讨.结果表明：豌豆在整个生育期内的叶水势都明显高于春小麦，它们在不同生育期的日变化趋势大致相同，均为清晨最高，然后随着时间的推移而下降，在持续一段低谷后逐渐回升.春小麦各处理的叶水势在拔节和抽穗期相对较高，孕穗和开花期次之，灌浆期最低；豌豆各处理的叶水势在现蕾期达到最大值，分枝和开花期次之，结荚鼓粒期最低.春小麦各处理的叶片相对含水量在抽穗期最高，拔节和开花期次之，灌浆期最低，水分饱和亏的变化正好相反；豌豆各处理的叶片相对含水量随生育进程呈下降趋势，水分饱和亏的变化也与之相反.春小麦和豌豆各处理的叶水势与土壤含水量、气温、太阳辐射、大气相对湿度、大气水势均有显著的相关关系.通径分析表明，对春小麦和豌豆叶水势日变化影响最强的气象因子分别为大气水势和大气温度.与传统耕作相比，免耕、免耕秸秆覆盖、传统耕作秸秆还田3种保护性耕作措施可不同程度地提高作物叶水势和叶片相对含水量，其中免耕秸秆覆盖的优势最明显.     

不同耕作措施对土壤真菌群落结构与生态特征的影响

以传统耕作（T）为对照，研究了免耕秸秆覆盖（NTS）、免耕（NT）、秸秆还田（TS）3种保护性耕作措施对黄土高原西部雨养农业区耕层土壤真菌数量、垂直分布及群落结构的影响。结果表明：不同耕作措施对土壤真菌数量有一定影响，耕层土壤真菌总数．TS〉T，NTS〉NT，T〉NT；耕作措施对真菌群落结构的影响比较明显，3种保护性耕作处理其土壤均以绿僵菌属（Metarrhizium）、腐霉属（Phythium）、曲霉属（Aspergillus）占绝对优势，B-P优势度指数三者之和都在0．6左右；而T处理占绝对优势的菌属是绿僵菌属（Metarrhizium）和镰刀菌属（Fusarium），B—P优势度指数二者之和在0．7左右；土壤真菌群落的多样性指数和均匀性指数均呈现NTS〉TS〉T〉NT。因此，在黄土高原西部雨养农业区实施NTS和TS耕作措施，既有利于土壤有益真菌数量的增加，提高养分转化率，又有利于促进该区农业的可持续发展。     

有机氮替代无机氮对旱作全膜双垄沟播玉米产量和水氮利用效率的影响

为了促进黄土高原西部半干旱区水氮高效利用和农业的可持续性生产,探索适宜的有机氮替代无机氮水平,于2016—2018年在甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行了3年的大田试验,设置了6个处理:单施化学氮肥不施有机肥(T₁)、有机肥50%替代化学氮肥(T₂)、有机肥37.5%替代化学氮肥(T₃)、有机肥25%替代化学氮肥(T₄)、有机肥12.5%替代化学氮肥(T₅)和不施氮肥对照(CK),研究了有机氮替代无机氮对全膜双垄沟播玉米种植系统产量、经济效益、水氮利用效率的影响.结果表明: 氮肥施用显著增加了玉米产量和水氮利用效率.在200 kg·hm^-2施氮水平下,有机肥氮替代处理在干旱年份表现出明显的增产增效作用;而在丰水年,有机氮替代无机氮处理籽粒产量、水氮利用效率与对照无显著差异.总体来说,与单施化肥相比,50%和37.5%替代处理籽粒产量分别增加15.6%和18.2%,收获指数分别增加35.1%和27.0%;水分利用效率、降水利用效率、氮肥农学利用效率和偏生产力分别增加17.4%、15.7%、15.6%、155.2%和22.3%、17.7%、18.0%、179.3%.表明在相等的总氮量投入下,50%和37.5%是该地区全膜双垄沟播玉米有机氮替代无机氮的适宜水平,建议在生产中推广应用.     

陇中黄土高原半干旱区苜蓿地土壤干燥化特征及适宜种植年限

研究了陇中黄土高原半干旱区不同种植年限紫花苜蓿地土壤水分特征及适宜种植年限.结果表明： 3、8、12和14年生苜蓿地0～300 cm土层土壤平均含水量均明显低于当地土壤稳定湿度值.12和14年生苜蓿地0～300 cm土层土壤含水量仅为9.2%和7.1%,甚至低于作物有效水分下限.1、3、8、12和14年生紫花苜蓿地0～300 cm土层干燥化指数分别为125.4%、30.5%、18.4%、-34.2%和-83.3%,除1年生苜蓿地土壤无干燥化现象之外,其余种植年限苜蓿地土壤均呈不同程度的干燥化.随苜蓿种植年限的延长,土壤干燥化程度加剧,但干燥化速率呈减缓趋势.综合苜蓿生产力动态和土壤水分状况,该区紫花苜蓿适宜的种植年限为8～10 年.     

不同保护性耕作措施对旱作农田土壤水分的影响

研究了黄土高原西部旱农区传统耕作措施和五种保护性耕作措施对土壤水分垂直分布、动态变化、作物耗水量、水分利用效率及作物产量的影响。结果表明,不同保护性耕作措施对表层0~10cm土壤水分含量影响较大,免耕秸秆覆盖(NTS)在作物播种期可以显著增加播种期表层土壤含水量。0~200cm土壤剖面贮水量年变化分春夏作物旺盛生长失墒期(5月中旬~7月中旬)、夏秋雨季增墒期(7月中旬~10月下旬)和冬春稳墒期(11月~翌年5月上旬)3个阶段。尽管不同保护性耕作措施对0~200cm剖面贮水量影响不大,但作物耗水量却存在显著差异。免耕秸秆覆盖在增加作物耗水量的同时也提高了作物产量以及水分利用效率。地膜覆盖在有些年份也有利于降水的高效利用和作物产量的提高,但与秸秆覆盖相比不利于土壤肥力的持续提高。而且,如果种植小麦,出苗前若一次性降水较多时地膜覆盖将造成严重板结,影响出苗,进而降低产量和水分利用效率。因此,在黄土高原西部旱农区实施免耕 秸秆覆盖的保护性耕作措施,既有利于作物对有限降水的高效利用,提高作物产量,也可以促进农业可持续发展。