砂姜黑土是我国重要的农业耕作土壤,面积约400万公顷,主要集中分布在黄淮海平原南部。砂姜黑土成土母质主要为河湖相沉积物,一般由表土层、黑土层和钙质结核黄土层构成。由于其粘土矿物以2：1型的蒙脱石为主,土壤具有强烈干缩湿胀特征,土壤质地粘重,结构性差,土壤蓄水保水能力弱,易旱易涝,土壤抗御自然灾害的能力脆弱。同时,砂姜黑土肥力质量不高,生产性能不稳,目前仍是我国面积最大的中低产土壤之一。但是,砂姜黑土地区具有丰富的光、热和水等自然资源,农业生产有很大的增产潜力和提升空间。本研究采用宏观与微观、室内与室外、长期与短期相结合的研究方法,对砂姜黑土耕作土壤的性状特点、供肥能力、主要作物平衡施肥技术、有机物料改良土壤的效果与机理、水肥配合的综合效应以及改良和培肥土壤的综合技术措施进行了较为系统的研究,以期为砂姜黑土耕地保育,提高土壤生产力,以及合理高效地开发利用砂姜黑土的水土资源,提供技术支撑,对区域农业的可持续发展具有重要的意义。研究表明,土壤粘粒含量高、质地粘重、结构和孔隙性差仍是砂姜黑土主要物理性状特征,受其影响,土壤表现出耕作性能差、蓄水能力弱、保水能力不强等特点。砂姜黑土化学性状主要表现为有机质含量不高、质量差,土壤氮素水平仍较低,土壤供肥性能较差等特点。从区域上来看,目前砂姜黑土耕作土壤养分仍属Ⅳ级,处于较低水平。因此,仍需加强砂姜黑土改良和培肥工作,以促进土壤养分资源的可持续利用。长期定位施肥研究结果表明,1年不施,砂姜黑土地力贡献率就降至50%左右,15年不施肥,其地力贡献率仅为13.6%。不施氮肥,土壤N素供给能力第1年降至64.0%,第2年降至22.0%,15年后降至15.0%左右。不施磷肥,土壤P素供给能力第1年降至96.6%,第3年降至80%左右,15年后降至40.0%左右。不施K肥,土壤K素供给能力,第1年降至90.0%,第4年降至84.0%左右,15年后降至60.0%左右。因此,砂姜黑土养分供给能力表现为K>P>N。而且,土壤磷、钾素供给能力在小麦、玉米上表现有所不同,这为制定不同作物的磷、钾肥合理施用提供了重要参考依据。氮、磷、钾肥对作物产量影响,在小麦生产上表现为N>P>K,在玉米生产上表现为N>K>P。反映了小麦和玉米对磷肥和钾肥不同的响应特点。与试验前相比,土壤全氮在N.NP.NK处理区中增加4.40%～12.09%,在CK.PK.NPK处理区中降低3.29%～20.88%；土壤全磷和有效磷在不施磷肥处理小区中分别降低了26.01%～31.26%和85.69%～86.51%,在施磷处理小区分别增加21.0%～33.41%和78.26%～151.56%。土壤有效磷含量的变化幅度明显大于全磷含量的变化幅度；土壤全钾和有效钾在CK、N.NP.NPK处理区中分别降低6.34%～11.97%和6.00%～49.43%,在NK和PK处理区中分别增加1.41%～2.82%和12.2%～22.4%；土壤有机质在CK.PK处理中降低9.29%～13.57%,其它处理基本持平；土壤pH在不施N肥处理中增加1.1～1.18个单位,在施氮处理中降低1.1-1.48个单位,长期施氮土壤有酸化趋势。氮、磷和钾肥在小麦和玉米上的表观利用率分别为68.2%、55.1%、49.0%和53.5%、43.8%、61.0%。长期施入有机物料可以使砂姜黑土理化性质发生一系列的变化。首先,长期施用有机物料可以使砂姜黑土耕层容重降低8.9%～20.0%,土壤总孔隙度提高4.5～10.1个百分点,砂姜黑土质地粘重、结构性差的不良特性得到一定程度上的改善。其次,施入土壤中的有机物料在微生物作用下腐解产生有机酸可以溶解土壤里的CaC03,释放出的活性钙离子在土壤有机胶体和无机胶体之间起到桥梁和胶结作用,有利于形成有机矿质复合体等团聚体,而且活化钙离子还能影响胶粒的定向排列,减少土粒间的接触点,削弱土体的坚实度,改善砂姜黑土僵、粘等不良物理性质。第三,长期施用有机物料提高了土壤有机复合体的化学稳定性和热稳定性,有利于土壤有机物质的积累。同时土壤的缓冲性能也得到提高,从而为作物提供了良好安全的生长环境。第四,经过七年连续施用有机物料土壤有机质提高了50.9%～67.1%,土壤全氮提高20.8%～23.9%,土壤有效磷提高11.5%～39.9%,土壤有效钾提高27.3%～75.8%,作物产量平均提高3.72～10.35%。总之,在砂姜黑土区连续施用有机物料能起到较好的培肥土壤,提高地力的作用。受区域降水时空分配不均和土壤水分物理性状以及作物需水特性的影响,淮北砂姜黑土区小麦、玉米生长期间常会出现阶段性缺水现象。在本次试验期间,小麦季有效降水只占总降水量的78.3%,只能满足小麦需水量的61.4%,玉米季有效降水量只占总降水量的62.8%,只能满足其需水量的66.8%。生理干旱主要出现在作物的生殖生长旺盛的孕穗灌浆期,此时水分供应不足会严重影响作物产量形成。因此,必须进行补充灌溉,才能保证作物的高产与稳产。进行补充灌溉,不仅可以起到及时调节土壤水分,提高作物产量,缓解或解除干旱对作物产量的影响,而且能显著提高作物对肥料和水分的利用效率。在本次研究中,及时补充灌溉后,小麦和玉米产量分别提高了11.2%和10.9%,水分利用效率分别增加了0.16kg hm-2mm-1和1.19kg hm-2mm-1,月巴料利用率分别提高4.8个百分点和3.1个百分点,水肥配合具有良好的正效应。通过对小麦、玉米平衡施肥技术的研究,获得了作物的农学参数、肥料的养分效率参数和土壤的养分参数等指标,进而初步建立了两种作物高产高效平衡施肥技术模式。综合上述的试验结果和已有的研究成果,提出从环境体系建设、区域水资源开发利用、水分管理与利用方式的水利工程与技术措施、有机和无机物料培肥土壤、作物平衡施肥技术、病虫害监测与群防群治、普及农业机械化、新品种和新技术的推广应用以及调整种植结构发展集约化种植等九大方面综合治理与利用砂姜黑土的技术措施与对策。