促进南方红壤丘陵区农业可持续发展的复合农业生态系统研究
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系统分析了南方潜育性和次生潜育化水稻土的形成原因，并且创制了一系列改良措施，为我国潜育性水田的治理提供了技术支撑，为国家粮食安全作出了重要贡献
根据 1978—1979 年桃源县农业资源综合考察和第二次土壤普查，桃源县潜育性稻田的面积高达 43.6 万亩，占全县稻田的 41.6%，比第一次土壤普查增加 28.6 万亩。南方各省约有潜育性稻田 1 亿亩，是一个粮食产量提高的严重障碍。桃源站科学家首次提出了次生潜育化水稻土的概念，并应用化学、物理学、生物学等现代科学理论与研究手段，对潜育性和次生潜育化水稻土的形成条件与类型，以及土壤的物理学、化学、生物学及养分特性，进行了较为系统的研究。阐明了潜育性水稻土的主要缺陷是土壤通透性差、土温低、还原物质积累较多，土壤微生物数量少、活性低，有机物矿化分解和养分释放缓慢，有效养分不足。根据其形成原因和特性，将潜育性水稻土划分为 6 个类型，并提出了 3 项主要改良措施：①针对潜育性水稻土的不同类型，采取挖明沟或暗沟的工程排水措施，排除土壤渍水；②实行水旱轮作等生物改良措施，缩短土壤渍水时间，改善土壤通气性，改良土壤理化及生物性状；③合理施肥，以协调土壤养分供应状况。
从 1979 年开始，通过 5 年多的研究、试验、示范和推广，对潜育性水稻土的形成和改良途径有了比较明确的认识和措施，桃源县全县潜育性水稻土的改良面积已达 20 万亩，累计共增产稻谷 7 680 万斤，按当时每百斤稻谷 11.5 元计算，共增加产值 883.2 万元（若按平均价格每百斤 13.5 元计算，则增加产值 1 036.8 万元），扣除工程措施成本 100 万元，获净经济效益 783.2 万元。该项研究成果也为改良我国南方约 1亿亩潜育性和次生潜育化稻田提供了经验。
系统研究红壤稻田生态系统可持续生产力与系统健康的协调机制，为稻田生态系统持续、高效生产提供理论依据和技术支撑
为研究长江中游红壤丘陵区施肥对水稻生产力及肥力的影响，桃源站设置了稻田施肥长期定位试验（图 1），主要设置了化肥、化肥配合有机物还田等施肥处理。通过分析稻田生态系统生产力演变状况，以及稻田生产力持续性特征、原因及其稳产性的影响因素，证实稻田生态系统是一个自我维持能力较高的生态系统。氮（N）、磷（P）、钾（K）养分均衡施用是高产、稳产的基本条件，而稻草、绿肥等有机物的配合施用均表现出了产量增益效应，但是随着 N、P、K 肥料配合程度的提高，有机物循环利用的增产效益呈明显下降趋势。施肥对水稻产量及其持续性影响的实质主要体现在养分的均衡供应方面，在养分缺乏情况下，有机肥的施用能显著提高水稻产量及稳产性。但在均衡施肥（N、P、K 施肥模式）的基础上，大量的有机物无机肥的施用反而降低了产量稳定性。可见，适量和平衡地提供水稻所需的营养元素是水稻稳产的物质基础，利用稻田生态系统内的有机物能实现稳产和部分养分的替代功能。因此，控制化肥的投入或配合有机肥的施用是区域稻田生产力可持续性及系统健康的重要调控手段。
由于稻田 N、P 等养分流失较其他土地利用方式严重，且化肥撒施是导致稻田 N、P 流失的重要原因之一，桃源站构建了基于化肥一次性深施的减氮控磷施肥技术，并建立了双季稻减氮控磷长期定位试验。连续 6 年的田间试验结果表明，通过将双季稻化肥施用方式由表面撒施改为深施，减少 30% 氮肥用量不仅可以维持双季稻产量的稳定，还可以增产 5%—10% 左右，且氮肥利用效率提高到 44% 左右，每年可减少双季稻田氮肥投入 90 kg · hm−2。通过分析发现，该施肥技术可降低稻田表层水中 70%—90% 的氨氮和 20%—30% 的总磷，每年减少双季稻田 N 流失 9 kg · hm−2，P 流失 0.15 kg · hm−2。基于双季稻田减氮控磷施肥技术的研发，在桃源县枫树乡开展了机械化大田示范。连续 2 年的试验结果显示，与当地的常规抛秧相比，该技术可以显著降低控制稻田表面水层的氮、磷浓度，进而有效控制了氮、磷损失，显著提高了氮肥利用效率。因此，通过进一步的技术改进和理论探究，该施肥技术可以在我国南方双季稻田进行推广应用。
近 10 年来，稻田面临着休耕、弃耕等土地利用方式改变的风险。农村劳动力不足和稻作经济收益较低是我国南方传统稻作区弃耕日趋严重的关键驱动因素之一。稻田土壤碳库是在长期人为水耕条件下形成的，其弃耕前后土壤的物理、化学和生物学特征显著改变，且有别于其他农田生态系统弃耕前后的改变，因此稻田弃耕后土壤碳库的变化特征应不同于其他弃耕农田。为弄清弃耕对稻田土壤碳库影响，我们利用稻田弃耕长期定位试验为研究平台，从土壤有机碳、活性碳库动态变化特征及其影响因素等角度开展了相关研究。数据结果表明，弃耕 8 年后稻田土壤有机碳及碳库分别降低了 9.9%—20.9% 和 10.2%—20.8%，即平均年降低速率为 0.30—0.60 g·kg−1·yr-1和0.50—1.15 t·hm−2·yr-1，碳下降速率是碳积累速率的1.5—1.8 倍。高碳土壤对弃耕更为敏感，总体表现为弃耕前稻田碳含量越高，弃耕后下降的速度越快，弃耕 4 年是土壤碳快速下降的时间节点。研究还阐明了土壤有机碳显著下降的关键原因：土壤由稻田的厌氧环境转变为弃耕后的好氧环境，加速了有机物和土壤有机碳的分解，同时也降低了土壤团聚体、土壤矿物及铁氧化还原过程对土壤碳的固持及保护作用，从而导致土壤碳形成量远小于碳分解量。研究还显示，弃耕后植被恢复并没有弥补土壤碳库的损失，稻田土壤从碳库向碳源转变。可见，稻田弃耕与传统意义上的弃耕地力恢复结论不同，稻田土地利用方式转变应采取配套措施防止土壤的退化，保持土壤的高肥力。