耕作方式和坡度对黑土肥力特征的影响研究

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东北黑土区是我国极为重要的粮食生产基地,粮食生产供给量占全国的1/3,在保障国家粮食安全中具有不可替代的地位。然而,受长期过度开垦、不合理耕作以及气候、地形等自然因素的影响,东北黑土区土壤肥力退化严重,对我国粮食安全和生态环境造成威胁。作为影响坡耕地土壤侵蚀的两个重要因子,耕作方式和坡度直接或间接改变着坡耕地土壤肥力状况。在耕作方式和坡度的共同影响下,土壤肥力的下降主要是由土壤结构破坏、土壤养分流失和有机质矿化损失等过程导致的。目前,多数研究聚焦于土壤肥力对耕作方式或坡度的单因子响应特征,而关于耕作方式和坡度共同影响下的土壤肥力变化规律尚不清楚。本研究以东北典型黑土为研究对象,设置径流小区试验,在自然降雨情况下,研究不同耕作方式(常规耕作、免耕和裸地)和坡度(0°、5°、10°和15°)对坡耕地土壤养分流失和土壤肥力特征(物理、养分和生物学性质)的影响,以期为黑土区坡耕地的土壤性质调控和耕作管理提供理论依据和科学支撑。本研究的主要结果如下:(1)土壤养分流失量在不同耕作方式和坡度下差异显著,且泥沙是养分流失的主要载体。径流和泥沙中碳、氮、磷的总流失量以裸地最高,常规耕作次之,免耕最低,其中常规耕作小区的碳、氮、磷流失量均为免耕小区的10倍左右。在各耕作方式下,养分流失量均随坡度升高而增加。(2)土壤物理性质在不同耕作方式下差异显著,而坡度对其的影响较小。与常规耕作和裸地相比,免耕增加了土壤容重、田间持水量以及含水量。坡度对土壤物理性质的影响不显著,但土壤容重和含水量在一定程度上呈现出随坡度升高而降低的趋势。(3)土壤养分特征在不同耕作方式间差异显著,而坡度对土壤速效养分含量的影响大于全量养分。相比于常规耕作,免耕提高了土壤有机碳、全氮、铵态氮和速效钾的含量,降低了全磷、速效磷和硝态氮的含量。坡度对有机碳、全氮、全磷和速效钾含量无显著影响,速效磷含量随坡度升高而降低,铵态氮和硝态氮含量随坡度升高出现此消彼长的趋势。整体上,种植作物小区的0-10 cm土层土壤有机碳和养分含量高于10-20 cm土层,其中免耕小区的分层现象更明显。(4)土壤氮矿化在不同耕作方式和坡度下差异显著,并表现出明显的季节性特征。与常规耕作相比,免耕提高了土壤氮矿化速率。常规耕作和裸地小区的土壤氮矿化速率随坡度升高而上升,免耕小区的土壤氮矿化速率随坡度升高而降低。另外,7-10月土壤氮矿化速率显著高于5-7月。土壤氮矿化与土壤温度、水分和有机碳含量有关。(5)土壤酶活性在不同耕作方式和坡度间差异显著。相比于常规耕作,免耕显著提高了土壤碳循环酶(CBH、BX、BG)、氮循环酶(NAG、LAP)和磷循环酶(ACP)活性。坡度对酶活性的影响在不同耕作方式下表现不同,土壤酶活性在免耕和常规耕作下以5°小区最高,在裸地则表现为10°小区最高。综合本试验中养分流失、土壤肥力指数对耕作方式和坡度的响应特征分析发现,常规耕作不利于坡耕地的保水保肥,且坡度越高土壤养分流失越严重,耕地内养分总量越低,耕作扰动和坡度的共同作用使土壤肥力下降。
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