土壤水分库容量与旱地农田土壤地力密切相关,研究秸秆源有机物料还田条件下土壤水分动态特征,有助于揭示秸秆源有机物料还田保水核心与土壤地力提升的效应关系.基于长期玉米田间定位试验,以无秸秆添加为对照(CK),设置玉米秸秆炭化还田(BC)和玉米秸秆粉碎直接还田(SD)处理,采用土壤温湿度记录仪连续定位监测不同秸秆源有机物料还田方式下玉米土壤湿度,分析土壤湿度与土壤孔隙结构等土壤理化因子之间的关系.结果表明:与CK相比,BC和SD处理条件下玉米全生育期内平均土壤湿度分别提高了 19.8％(P＜0.05)和9.7％;5月土壤持续干旱数日发生降水后,BC处理土壤湿度快速上升且增幅高于SD;7-9月伴随较大降水事件土壤湿度急剧上升达到峰值后,BC 土壤湿度比SD处理下降缓慢.与CK相比,BC和SD处理的土壤总孔隙度分别增加18.9％和7.0％,土壤孔隙含水率分别增加8.2％和2.5％.BC处理土壤水分与土壤有效磷、全磷含量等指标密切相关(P＜0.05),SD处理土壤孔隙结构与碱解氮含量等指标密切相关(P＜0.05).上述研究结果可为秸秆资源肥料化利用提供科学依据.

为控制氮磷面源污染提供理论基础,研究了秸秆粉构建隔离层方式对土壤氮磷淋溶阻控效应.通过盆栽辣椒试验,设置空白对照(T1)、单层深埋(T2)、双层深埋(T3)、单层深埋+土壤混合(T4)、土壤混合(T5)五种处理,构建秸秆隔离层,在不同时间点取淋溶水,测试淋溶水中氮磷含量,明确不同秸秆构建隔离层方式对土壤氮磷淋溶的阻控效应.结果表明,T4 明显比其他处理和对照表现出阻截氮磷淋溶效应的优势,全氮、总磷、有效磷、氨氮、硝态氮、亚硝态氮累积淋溶量分别比对照减少了50.6%、42.64%、25.8%、11.4%、65.6%、46.9%,同时增加辣椒生物量10.54%.四种处理均表现出阻截氮磷淋溶效应的趋势,但程度各有不同,具体应用到实际农业生产中还需进一步研究.

阐明东北黑土区玉米秸秆不同还田方式的土壤温度效应,对农田秸秆管理和热量资源高效利用具有重要意义.本研究在大田试验条件下,设置传统垄作秸秆不还田(CT)、秸秆深翻还田(PTSR)、秸秆碎混还田(RTSR)和秸秆覆盖还田(NTSR)4个处理,2018-2020年测定了玉米生育期5、15、30 cm 土壤温度和含水率动态变化及秸秆覆盖率,分析了不同处理各土层温度差异、≥10℃ 土壤积温和有效积温(GDD)、土壤温度日动态变化和空气积温生产效率,以及影响土壤温度差异的因素.结果表明:不同处理主要影响玉米播种至出苗期(S～VE)的土壤温度,土壤日平均温度呈现CT＞PTSR＞RTSR＞NTSR的趋势,随着生育进程推进和土壤深度增加土壤温度差异逐渐缩小.与CT相比,PTSR、RTSR和NTSR处理5 cm 土壤温度分别降低0.86、1.84和3.50 ℃;NTSR处理显著降低了不同土层≥10℃积温和GDD,5、15和30 cm 土层≥10℃积温分别降低216.2、222.7和165.1 ℃·d,GDD分别降低201.9、138.7和123.9 ℃·d;NTSR处理还显著降低了空气积温生产效率,降幅为9.7％～15.6％.综上,PTSR和RTSR对玉米播种至出苗期表层土壤温度会产生显著影响,但是对空气积温生产效率无显著影响;而NTSR显著降低了耕层土壤温度和空气积温生产效率.

果园生草是提高果园生产力、促进果园可持续生产的有效措施.为探究自然生草制苹果园行间草耕翻还田对土壤生物学性状和养分含量的影响,本试验以清耕(CK)为对照,设置草被刈割还田(NG)和草被刈割耕翻还田处理(NGR),研究不同草被还田方式对行间 0～20 cm土层土壤微生物数量、酶活性以及不同形态氮、钾含量的影响.结果表明:苹果园土壤中微生物以细菌占绝对优势,放线菌次之,真菌数量最少;与CK相比,NG和NGR处理均显著提高了土壤细菌和真菌数量,以NGR处理提升效果最显著,显著提高了土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性,增幅分别为 59.0%、20.7%、38.3%和 73.5%、45.9%、67.8%.NGR处理显著提高了土壤氮、钾养分含量,铵态氮、硝态氮、颗粒有机态氮、微生物生物量氮及速效钾和水溶性钾含量分别为CK的1.5、1.8、1.6、2.0、1.3 和 1.4 倍,显著提高了果实可溶性糖含量和糖酸比,进而提高了果实品质.综上,NGR可提高苹果园土壤微生物数量、酶活性、氮钾养分含量和果实品质,是生草制苹果园一种可行的行间草被还田方式.

秸秆及其生物炭性质的差异可能会导致其还田后土壤微生物结构与特性的改变,从而影响土壤的物质循环.本研究选取芦苇秸秆(Straw,ST)及其生物炭(Biochar,BC)为还田材料,研究它们短期内对土壤微生物群落结构及微生物酶活性的影响.结果表明,BC和ST处理都显著增加了微生物的多样性,但增加的微生物类型存在显著差异.BC处理诱导的特异性微生物其腐殖化能力相对较强,或多以自养方式生存;ST处理诱导的微生物一般氧化活性高,往往在易降解碳源丰富的条件下占优势.较CK而言,ST处理显著增加了酶的活性,使得β-葡萄糖苷酶和脱氢酶活性分别提高了19.23％和187.27％;而BC处理则相反,其抑制了两种酶的活性,使得β-葡萄糖苷酶和脱氢酶活性分别下降了20.85％和61.09％.

通过渭北旱塬黑垆土8年定位试验,研究了秸秆还田下6种耕作方式,即连年翻耕(CT/CT)、免耕(NT/NT)、深松(ST/ST)和免耕/深松(NT/ST)、翻耕/免耕(CT/NT)、翻耕/深松(CT/ST)对土壤团聚体、有机碳、作物产量和水分利用效率(WUE)的影响.结果表明:与CT/CT相比,NT/NT、ST/ST及3种轮耕措施减小了土壤力稳性团聚体的平均质量直径;NT/NT、ST/ST和NT/ST措施增加了20～50 cm土层＞0.25 mm水稳性团聚体的含量(WR0.25)和平均质量直径,降低了土壤团聚体结构破坏率(PAD).在0～10 cm土层,NT/ST、CT/NT、NT/NT和ST/ST处理土壤有机碳含量显著高于CT/CT处理.随着土层加深,各耕作处理土壤有机碳含量下降,但3种单一耕作处理(ST/ST、NT/NT和CT/CT)下降幅度大于3种轮耕处理(CT/NT、ST/CT和NT/ST).与CT/CT相比,其他5种耕作方式均增加了农田0～200 cm土层的土壤蓄水量、作物产量和水分利用效率,其中,NT/ST处理作物产量和WUE分别显著提高了15.1％和27.5％.相关分析表明,玉米产量、WUE与0～ 200 cm土层生育期和休闲期的蓄水量呈显著正相关,且生育期蓄水量与0～50 cm土层的WR0.25呈显著正相关,与PAD呈显著负相关;其中,20～ 50 cm土层的WR0.25、PAD与玉米产量、生育期蓄水量以及WUE关系最密切;生育期蓄水量和WUE还与0～ 10 cm土层的有机碳含量呈显著正相关.综合考虑不同耕作措施对土壤结构、作物产量和水分利用效率的影响,免耕/深松是最适宜于渭北旱塬区黑垆土春玉米种植的耕作方式.

秸秆直接还田易造成土秸混合度差、秸秆腐解慢和幼苗群体质量差等问题,不利于作物稳产和增产.秸秆颗粒具有还田性能好、还田质量高的优点,但还田后对作物生长和土壤碳排放特征的影响仍不清楚.通过田间微区试验,以秸秆不还田和常规粉碎还田为对照,分析了秸秆颗粒还田对冬小麦和夏玉米籽粒产量、还田一年内土壤呼吸速率和土壤碳排放效率的影响,为改进秸秆还田方式提供理论依据.结果表明:秸秆颗粒还田显著提高了冬小麦和夏玉米籽粒产量,其周年作物产量较秸秆不还田和常规粉碎还田分别显著提高14.0％和5.8％.秸秆颗粒还田促进土壤碳排放,其小麦生长季和玉米生长季土壤呼吸速率和碳累积排放量显著高于秸秆不还田.与常规粉碎还田相比,秸秆颗粒还田显著提高了冬小麦生长季土壤呼吸速率和碳累积排放量15.2％和8.9％,但夏玉米生长季两者无显著差异.此外,秸秆颗粒还田降低了土壤呼吸温度敏感指数(Q10),提高了土壤碳排放效率.与秸秆不还田和常规粉碎还田相比,秸秆颗粒还田土壤呼吸敏感指数显著降低22.6％和10.1％,周年土壤碳排放效率提高2.3％和1.9％.可见,秸秆颗粒还田短期内显著促进土壤碳排放,但由于较高的作物产量,其碳排放效率能维持在较高水平.在黄淮海粮食主产区,秸秆颗粒还田可以作为一种新型的秸秆还田方式,但其土壤碳排放的长期效应仍需进一步研究.

杂草管理是农田生产活动的重要内容,影响农田生物多样性的维持.土壤动物为农田生物多样性重要组成部分,其对不同类型叶片还田的响应值得关注.本研究在中国科学院东北地理与农业生态研究所内的实验田中开展,利用放置凋落物袋的方式,研究2种杂草(旱稗、苋菜)叶片和2种玉米叶片(新鲜叶片及老熟叶片)的分解对土壤跳虫群落的影响,旨在为农田杂草管理提供科学依据.共获得6269只跳虫,隶属于5科9属11种,优势种为Thalassaphorura encarpata、Heteroisotoma sp.1和Folsomia sp.1.叶片添加增加了跳虫优势种的绝对数量,改变了跳虫群落结构,其中玉米新鲜叶片对跳虫群落结构影响最为显著(P＜0.01),但对类群丰富度无影响,对多样性指数影响较小.与玉米老熟叶片相比,新鲜叶片对跳虫有更高的吸引作用,并持续时间更长.苋菜叶片分解速率最快,其次是玉米新鲜叶片,旱稗叶片和玉米老熟叶片分解较慢.表明叶片的基质质量对分解速率有重要影响.叶片添加增加了跳虫数量,但不同的叶片种类和分解时期对跳虫影响不同.叶片分解速率与跳虫数量没有显著的相关性,这可能与跳虫食性有关.

农业活动是温室气体重要的排放源,土壤碳库[土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)]稍微变化会对大气CO2产生很大影响.汉中盆地是南水北调的重要水源涵养地,在该区域秸秆还田、农田撂荒和林地是目前常见土地利用方式,但缺乏不同利用方式对SIC和SOC影响的研究.该研究采集该区域典型样地土壤,用滴定法和有机碳分析仪分别测定其SIC和SOC含量,研究3种土地利用方式对土壤碳库的影响.结果表明:SOC随土层深度最为敏感的是农田,其次是撂荒地,林地最不敏感.0～140 cm土层SOC碳密度,林地最大,是撂荒田的2.26倍,农田是撂荒田的1.37倍.深土层SOC碳密度,林地是撂荒田的2.44倍,农田是撂荒田的1.07倍.撂荒田的SIC密度最大,其次是农田,林地的SIC碳密度最低.在0～140 cm土层中,SIC密度依次为12.37、11.68和9.77 kg·m2,撂荒田的SIC碳密度是林地的1.27倍.随着我国农村发展,土地利用管理出现新的方式,今后在估算土地利用管理方式对土壤碳影响时还需要综合考虑SOC和SIC.

针对设施土壤C/N比失调,蔬菜产量下降的问题,采用裂区设计大田试验,研究了秸秆还田(S1)在水肥一体化(FG)和膜下沟灌(FP)两种灌溉方式对设施土壤碳、氮及蔬菜产量的影响.结果表明,在水肥一体化(FG)灌溉方式下的秸秆腐解率相比膜下沟灌(FP)高出10.7个百分点.在两种灌溉方式下,秸秆还田均增加了0-20 cm、20-40 cm土壤有机质含量,FG灌溉方式下分别增加了14.8％和12.4％;FP灌溉方式下分别增加了12.4％和2.9％.秸秆还田与FP灌溉方式结合,增加了0-200 cm土壤剖面硝态氮淋洗的风险.秸秆还田均降低了0-20 cm和20-40 cm层次土壤的pH,FG灌溉方式下分别降低了0.17和0.10个单位;FP灌溉方式下均降低了0.02个单位.无论是灌溉方式、秸秆还田还是两者的交互作用,均极显著提高了黄瓜产量,其中水肥一体化灌溉方式结合秸秆还田的效果最好.