土壤有机碳(SOC)对维持土壤肥力和农业可持续发展具有重要作用.为探究长期耕作对黑土区旱作农田土壤有机碳储量(SOCS)及其组分的影响,本研究基于39年的耕作试验,比较了不同耕作方式(旋耕起垄、免耕、深松、翻耕)对0～40 cm 土层SOCS、活性有机碳组分和微生物残体碳(MNC)含量的影响.结果表明:与旋耕起垄相比,免耕处理显著增加了 0～20cm 土层SOCS、SOC、可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)和MNC含量;深松和翻耕处理在0～20和20～40 cm 土层中显著增加了SOCS、SOC和EOC含量,并在20～40 cm 土层增加了 MBC含量.此外,翻耕处理20～40 cm 土层中DOC、颗粒有机碳和MNC含量显著高于其他处理.深松和翻耕处理相较于旋耕起垄和免耕处理,显著降低了 0～20和20～40 cm 土层中MNC对SOC的贡献率.结构方程模型表明,通过提升土壤团聚体平均重量直径、田间持水量和全磷含量,增强β-葡萄糖苷酶、淀粉酶和木质素过氧化物酶活性,能促进MNC的积累.深翻促进了 0～40 cm 土层SOC、活性有机碳和MNC的均匀分布,更有利于黑土区农田SOC的固定.

为明确不同水旱轮作模式对川西平原旱作季杂草群落特征的影响,从而为旱作季杂草的高效防控提供理论依据.基于大蒜-水稻(GR)、小麦-水稻(WR)、蚕豆-水稻(BR)、油菜-水稻(RR)和马铃薯-水稻(PR)五种水旱轮作的长期定位试验,在 2022年旱季采用生态学方法探究了不同水旱轮作模式下旱作季农田杂草种类、密度、株高、生物量等杂草群落结构和物种多样性特征.结果表明:(1)五种轮作模式下杂草田间密度表现为WR＞BR＞RR＞GR＞PR,生物量表现为WR＞BR＞GR＞RR＞PR,物种多样性表现为GR＞BR＞RR＞PR＞WR,物种均匀度表现为GR＞PR＞BR＞RR＞WR,群落优势度表现为WR＞PR＞RR＞BR＞GR,表明GR杂草群落稳定性最高,WR杂草群落稳定性最低且优势物种发生危害的程度最高,RR的杂草种类数少且不易发生危害;(2)五种水旱轮作模式杂草群落相似性较高,相似性指数在 0.69-0.84 之间,WR杂草生活型以一年生单子叶杂草为主,其余四种模式以一年生双子叶杂草为主;(3)WR优势杂草种类最少,为禾本科棒头草(Polypogon fugax Nees ex Steud),其重要值为 59.53%;BR优势杂草种类最多,为棒头草、蔊菜(Rorippa indica(L.)Hiern)、毛茛(Ranunculus japonicus Thunb)和通泉草(Mazus japonicus(Thunb.)O.Kuntze);GR优势杂草为苣荬菜(Sonchus wightianus DC)和猪殃殃(Galium spurium L);RR和PR优势杂草均为三种,都包括为棒头草和蔊菜.因此,以确保旱作季杂草能得到有效控制,不同水旱轮作模式应制定不同的杂草防控措施.GR和PR应重点控制以猪殃殃为代表的双子叶杂草,WR应着重控制以棒头草等为代表的单子叶杂草,BR和RR应注重繁殖力强的单双子叶杂草的综合防治.

明确旱地绿肥腐解规律和养分释放动态特征,可为绿肥资源在我国西北旱作农业区的合理利用提供科学依据.采用田间原位埋袋法研究了三叶草(Trifolium alexandrinum)、野豌豆(Vicia sepium)、黑麦草(Lolium perenne)和燕麦(Avena sativa)4种绿肥在玉米种植系统中的残余腐解动态,观测了绿肥残余腐解养分释放过程及其对土壤有机碳、全氮与春玉米产量的影响.结果表明:绿肥腐解及其碳氮释放过程均表现为前期(0～14d)快,第21～42天分解速率中等,42 d以后较慢;腐解至42 d时,4种绿肥残余累计腐解率均达到55％以上,碳释放率达到59.79％～74.75％,氮释放率达到60.79％～76.61％;绿肥腐解至第130天时,各处理的累计腐解率均达到60％以上,且豆科绿肥累计腐解率显著高于禾本科绿肥(P＜0.05);与无绿肥添加的对照相比,绿肥还田显著提高了土壤有机碳和全氮含量,并导致玉米增产2.21％～7.06％,其中豆科绿肥增产幅度大于禾本科绿肥.综上,豆科绿肥还田能有效改善土壤质量,是一种更适合西北地区可持续农业的管理措施.

以旱作雨养条件下的春玉米为试验对象,在长武黄土高原农业生态试验站进行田间试验,研究了地膜覆盖和施氮量对农田净温室效应和温室气体排放强度的影响.结果表明:采用地膜覆盖与增加施氮量都会影响净温室效应与温室气体排放强度,地膜覆盖条件下(FM),不同施氮量的春玉米产量为1643～ 16699 kg·hm-2,净温室效应(CO2当量,下同)为595 ～4376 kg·hm-2·a-1,温室气体排放强度为213～358 kg·t-1;无覆膜条件下(UM),不同施氮量的春玉米产量为956～8821 kg·hm-2,净温室效应为342～4004 kg·hm-2·a-1,温室气体排放强度为204～520 kg·t-1.研究表明,对于旱作春玉米农田系统,地膜覆盖可以有效降低温室气体排放强度,增加作物产量,地膜覆盖下施氮250kg·hm-2可以实现高产与降低环境代价的双赢.

在主要粮食作物系统休闲期间种植填闲作物可兼顾环境与经济效益.综述了填闲种植对农田土壤水分、养分和后续粮食作物生产力形成等生态过程的影响及其具有的固碳减排、减少淋溶、控制侵蚀等环境与经济效益,并在此基础上从土壤水分限制、养分提高和产量经济效益等角度探讨了填闲种植在黄土高原旱作农业区的可行性,指出今后应重点加强填闲种植系统的水肥生产力形成机制、关键环境效益的形成机理、填闲作物与管理措施选择、生态经济效益评价以及气候变化背景下的填闲种植系统综合效益评估等方面展开定位观测与模型模拟研究,为填闲种植在黄土高原旱作农业区的推广提供科学依据.

以全球年平均地表气温升高为主要特征的全球气候变暖给农业、农业生态和区域粮食安全带来严峻挑战.气候变暖对农业发展、农业生态的影响已成为社会各界关注的热点.气候变暖对作物生育期、形态特征、植物生理、产量形成和品质的影响及其机理的研究,是认识气候变暖对农业影响,制定应对气候变化策略的科学基础.本文在给出西北区域气候变化基本特征的基础上,综述了气候变暖对西北旱作区主要粮食作物、经济作物和特色林果生长发育、生理生态、产量和品质影响研究的进展,以及气候变暖对农田生态环境、农业气象灾害及病虫害影响的主要进展.提出了以往研究中存在的问题,展望了未来西北地区应对全球变暖的农业研究重点,即:充分利用模拟、试验、观测手段,揭示气候变化多因子对主要农作物的综合影响;探索气候变暖对主要作物生理生态的影响;开展农业气象灾害对气候变暖的响应特征研究,开展农业气象灾害风险评估与应对技术研究;进行精细化动态农业种植区划、农业结构布局及种植制度方面应对气候变暖的技术策略研究.

为了探讨黄土高原旱作雨养条件下覆盖种植胡麻田土壤硝态氮动态特征和增产效果,在2015和2016年胡麻生长季,以常规种植模式为对照(CK),研究了3种覆盖方式(全膜微垄覆土穴播、全膜覆土穴播和秸秆覆盖条播)对胡麻籽粒产量和关键生育时期农田硝态氮分布的影响.结果表明:与CK相比,覆盖处理的胡麻籽粒产量分别增加56.1％(2015)和22.7％(2016),且均以全膜覆土穴播处理的籽粒产量最高.覆膜提高了胡麻根际土壤水分含量,在整个生育期的影响程度为先增加后降低;随着胡麻生育进程的推进,土壤硝态氮含量逐渐降低.两年试验中,覆盖处理下胡麻现蕾期0～～40 cm土层硝态氮含量分别比CK增加3.1％～18.6％(2015)和5.1％～ 16.4％(2016),其中,全膜覆土穴播的增幅最大.2015年,胡麻盛花期和成熟期0～100 cm土层土壤硝态氮积累量较CK分别增加10.2％ ～ 22.2％和8.6％ ～21.4％,特别是在降雨较多的成熟期,0～～40 cm土层土壤硝态氮含量较40～100 cm土层显著提高3.3％ ～4.9％,说明覆盖处理可以减缓硝态氮向下层的迁移.2016年,生育后期的高温干旱对胡麻生长造成了极大的影响,胡麻成熟期覆盖处理0～ 100 cm土层硝态氮积累量较CK显著增加6.6％～ 18.0％.相关分析表明,胡麻关键生育时期不同土层的土壤硝态氮含量与籽粒产量之间有显著正相关关系.综合考虑,全膜覆土穴播模式是适宜干旱、半干旱区推广应用的胡麻高产高效栽培方式.

基于黄土高原干旱地区生态环境特性,研究了4种糜子(P)-绿豆(M)间作模式下[2∶2(2P2M)、4∶2(4P2M)、4∶4(4P4M)、2∶ 4(2P4M)]农田小气候特征及产量效应.结果表明:糜子-绿豆间作模式显著增加了生育后期糜子的株高、叶面积指数(LAI)和叶绿素含量(SPAD),使其达到最佳的生长状态;由于高位糜子的遮阴,导致矮位绿豆阶段性徒长,株高显著增加,而LAI和SPAD均有所下降.糜子-绿豆间作模式降低了糜子籽粒灌浆过程中的群体上层光照度和空气温度,而相对湿度显著上升.地上部气候环境的变化调控了间作体系地下部的土壤温度,减少了群体的漏光损失,使其表现出冷湿的生态环境.而矮位绿豆较差的通风透光条件形成相对封闭的间作系统,抑制了绿豆植株的生长发育,使其处于间作劣势.与单作相比,2P2M、4P2M、4P4M和2P4M处理的糜子单株穗数、穗长、单株粒重和千粒重分别增加了7.5％ ～45.0％、2.2％ ～ 12.2％、35.4％ ～94.0％和2.3％ ～4.7％,产量比单作提高了5.6％ ～ 20.7％;间作处理下矮位绿豆的分枝数、单株荚数、单株粒重和百粒重均有不同程度的下降,2P4M间作模式下的绿豆受糜子影响最小,产量比单作降低了34.8％.糜子-绿豆间作存在明显的间作优势,各间作处理下的土地当量比(LER)均大于1,2P4M间作模式下的LER达到最大值(1.86).因此,黄土高原地区糜子-绿豆最佳的间作配比为2P4M.

基于田间定位试验,研究了秸秆和地膜覆盖措施对旱作春玉米田土壤氮组分和作物产量的影响.试验包括无覆盖对照,秸秆覆盖和地膜覆盖3个处理,观测指标包括土壤全氮(STN)、颗粒有机氮(PON)、潜在可矿化氮(PNM)、微生物量氮(MBN)、硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)含量及作物产量.结果表明:试验进行5到7年后,与对照相比,秸秆覆盖处理0-10 cm土层STN、PON、PNM、MBN和NO3--N含量3年平均分别提高了13.11％、64.29％、17.51％、16.94％和55.37％,10-20 cm土层STN、PON、MBN和NO3-N含量3年平均分别提高了5.93％、33.33％、15.78％和27.57％(P＜0.05).而地膜覆盖处理0-10 cm和10-20 cm土层NO3-N的含量较对照分别提高了189.14％和135.75％(P＜0.05),其他氮组分与对照处理差异不显著.秸秆和地膜覆盖处理玉米产量较对照处理3年平均分别提高了6.90％和36.74％ (P＜0.05).玉米产量与0-20 cm土层NO3--N含量和NO3--N/STN值呈显著正相关关系.总的来看,秸秆覆盖能显著增加旱地土壤全氮和活性有机氮含量,促进氮素固定,但需注意作物生长后期补充氮肥以满足作物生长需要.而地膜覆盖能显著提高土壤氮素有效性和作物产量,但不利于土壤有机氮的固定,且表层土壤存在潜在氮淋失风险.

研究不同地膜覆盖时间对北方旱作农田土壤团聚体粒级稳定性和有机碳的影响,可为提升旱作农田生产力和保护农田环境选择合适的管理方式提供科学依据.以辽宁阜新5年秋覆膜(AP)、春覆膜(SP)和不覆膜(CK)的定位试验为研究对象,分析不同覆膜时间对0-10 cm和10-20 cm土层中＞2 mm、0.25-2 mm、0.053-0.25 mm和＜0.053 mm粒级的土壤水稳性团聚体的稳定性及有机碳的影响.结果表明,在北方旱作农田,连续5年的地膜覆盖可显著改变0-10 cm土层的土壤各级团聚体的分布、团聚体中有机碳的含量及其对土壤有机碳含量的贡献率,进而增加土壤水稳性团聚体的稳定性,而对10-20 cm土层影响不显著.与不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜可显著提高0-10 cm土层＞2 mm的水稳性团聚体的含量,分别提高了36.3％、47.9％ (P＜0.05),而对微团聚体无显著影响,说明地膜覆盖有利于提高大团聚体数量及稳定性.在0-10 cm土层,粒径＞2 mm团聚体有机碳含量及储量表现为秋覆膜最高,显著高于春覆膜和不覆膜处理(P＜0.05).与裸地不覆膜相比,秋覆膜和春覆膜显著提高＞2 mm团聚体中有机碳含量对土壤有机碳的贡献率,分别提高了37％和26.1％ (P＜0.05).而在0-10 cm和10-20cm土层中,微团聚体中有机碳含量对土壤有机碳贡献率没有影响.在辽宁阜新土壤及种植条件下,秋覆膜处理不仅显著提高0-10 cm土壤水稳性大团聚体的含量和稳定性,还可以显著增加水稳性大团聚体有机碳含量及储量,促进有机碳的固存.