农田生态学和长期试验示范引领黑土地保护和农业可持续发展

黑土肥力变化特征划分支撑了黑土地保护利用技术的提出

基于海伦站的长期定位试验，将黑土地肥力演化划分为 3 个时期，即自然肥力形成期、开垦期和稳定性利用期。黑土形成期始于第四纪最后一个冰期后，在沉积性母质上经过大约 11 000 年的漫长时间形成，即自然肥力形成期。黑土开垦后大约经历 30 年的时间，达到了相对稳定的农业利用期。在此阶段，黑土地表层土壤有机质经历快速下降过程（在开垦后的前 10 年土壤有机质以平均每年 2.6% 的速度下降），土壤碳氮比激烈的调整过程，土壤速效磷因施肥而快速提升过程。在黑土稳定性利用时期大约 10.0% 的耕地肥力水平得到了提升，20.0% 耕地地力维持在中等水平，70.0% 土壤肥力退化；目前退化土壤表层有机质正在以 0.06%—0.09% 速度下降。黑土地开垦后不同时期土壤有机质下降速度不同，不能作为一个整体讨论，否则会得出一些错误的结论。通过对黑土地肥力演变时期的划分，发现了黑土地肥力变化分为形成、剧烈变化和缓慢变化 3 个阶段，每个阶段变化规律和驱动因子是不同的，生产上提出了相应的对策。

土壤有机质含量是评价土壤肥力的重要指标，基于长期定位试验明确了黑土地退化的关键过程是土壤有机质在 0—35 cm 土层（概率为 97%）锐减，提出了影响作物产量的有机质阈值是 4.5%，黑土地土壤有机质从 4.5% 下降到 3.5%，耕地产能下降了 42 个百分点。东北黑土地分布区内以北纬 45°为分界线，北部表层土壤有机质下降至 3.0% 以下、南部下降至 2.0% 以下时黑土发生严重退化，表层土壤有机质每下降 1.0 g/kg，粮食减产 10.0%—15.0%。在区域尺度上确定了东北黑土地表层土壤有机质每年下降速度为 0.06%—0.10%。提出了秸秆还田和有机肥施用是阻控有机质锐减和提升的有效途径，研究结果表明秸秆沤制和粮食过腹还田 33 年后，黑土 0—35 cm 土层有机质提高 9.2%—12.6%；玉米秸秆连续 13 年全量原位还田后土壤有机质提高 9.7%—14.1%。

基于水分动态平衡观测场的监测，发现黑土持水能力和保水能力较强，储水库容较大。农田黑土 0—100 cm 的田间储水量为 387 mm，相当于全年降水量的 73%；土壤最大储水量为 576 mm，相当于全年降水量的 108%；土壤有效储水量为 243 mm，相当于全年降水量的 46.0%。计算了春小麦、大豆和玉米生育期平均耗水量分别为 302 mm、397 mm 和 500 mm。大气降水能够满足作物的水分需求，但是年内降水分布不均和年际间降水不平衡是限制区域内粮食产量的主要因素。提出了黑土农田水分调控措施，优化作物轮作连作的田间配置结构，合理增加整个生育期叶面积指数，减少地面蒸发量；推广组合耕法，创造虚实并存土体构造，增强土壤储水和供水能力、培肥地力，以肥促水。

基于肥料试验，阐明了黑土农田养分的时空演变特征。开垦后农田氮素一直处于亏缺状态，但进入到 20 世纪 90 年代氮素收支接近平衡，目前已略有盈余；磷素从 20 世纪 90 年代开始盈余，目前磷素盈余已达 40%；而钾素历史上一直呈大比例亏缺，但近年来亏缺程度有所缓解。探明了黑土农田养分平衡与土壤养分消长规律。农田土壤供氮量一般在 55.2—99.0 kg/hm²，占土壤总氮量的 1.1%—2.0%；土壤磷素的供应量一般在 14.3—26.2 kg/hm²，占土壤总磷量的 0.9%—1.7%；土壤钾素的供应量一般在 48.3—93.4 kg/hm²，占土壤总钾量的 0.08%—0.15%。目前农田土壤潜力肥力很高，禾本科作物某一年不施氮肥，能达到全肥产量的 60%—70%；不施磷肥，能达到全肥产量的 85% 以上；不施钾肥，能达到全肥产量的 95% 以上。但在连续不施肥的情况下，黑土农田氮、磷、钾养分的自然供给力将呈不同程度的下降趋势。提出了氮、磷、钾肥料的高效利用策略为精准施氮肥、灵活施用磷肥、因作物施用钾肥。该成果 2017 年获得了吉林省自然科学奖一等奖。

相关文章