稻田甲烷排放是农业源甲烷排放的主要来源.东北黑土地区是我国最大的粮食生产基地,农业温室气体减排是实现黑土地永续利用的关键议题之一.运用稻田甲烷排放模型(CH4MOD)核算并分析了 2009-2018年东北黑土地区稻田甲烷排放的时空演变特征,结合GOSAT卫星遥感数据探究了水稻生产与区域甲烷排放的时空动态联系,进一步量化了稻田甲烷对区域甲烷排放的贡献程度及不同情景下的排放潜力.结果表明,受水稻生产面积扩张和排放强度提高的影响,东北黑土地区稻田甲烷排放总量从2009年的39.05万t增加到2018年的79.53万t.东北黑土地区区域甲烷排放在季节变化和栅格单元上表现出与稻田甲烷排放较为一致的时空动态,大规模的稻田耕作可能会增加水稻生产与区域甲烷排放直接相关的可能性.随着水稻持续扩种稳产,2018年东北黑土地区水稻生产贡献了区域甲烷排放总量的15.04％,其中黑龙江省的贡献率高达31.06％.在基准发展情景下,预计2035年东北黑土地区稻田CH4排放量较2018年增加19.5％;在粮食供给保障情景下,维持当前稻田耕作面积,水稻生产集约化程度提高,预计其稻田CH4排放量较2018年减少0.88％;在此基础上,采取促进秸秆还田、增施有机肥、实施节水间歇灌溉等稻田管理措施将使稻田CH4排放量增加17.8％-63.6％.以满足膳食需求和供给保障为导向,优化水稻种植结构、控制稻田耕作面积,推动技术进步、品种改良以提升单产水平,采取化肥和有机肥搭配施用、节水间歇灌溉等途径能够缓解稻田甲烷排放.研究综合运用自上而下的遥感数据和自下而上的模型运算,刻画了水稻生产与区域甲烷排放的时空联系,进一步评估了稻田甲烷的排放潜力及减排措施的减排效果,为促进东北黑土地区农业甲烷减排和生产布局优化提供了理论依据和决策参考.

为阐明连续深松措施对黑土水热酶活性动态变化及细菌群落多样性的影响,于 2016—2017 年设置旋耕( CK) 、浅松1 年( QS1) 、浅松2 年( QS2) 、深松1 年( SS1) 、深松2 年 ( SS2) 、超深松1 年( CS1) 、超深松2 年( CS2) 7 个处理,研究土壤水分、温度、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性及细菌群落结构变化.结果表明: 深松可显著降低0～20 cm 土壤含水量,以SS1、SS2 降幅最小,提高各处理20～40 cm 土壤含水量,以QS2 效果最佳,深松2 年土壤含水量高于深松1 年; 各深松处理开花期土壤温度显著低于CK,而小喇叭口期、抽雄期、成熟期则显著高于CK.随着深松深度增加,0 ～ 20 cm 土壤温度显著降低; 深松可维持0 ～ 20 cm 土壤酶活性长效性,提高20～40 cm 土壤酶活性; 深松较CK 提高0 ～ 20 cm 土层玉米根际土壤细菌群落丰富度与多样性,深松2 年各处理细菌群落丰富度高于深松1 年,各深松处理以SS2 效果最优.深松可提高酸杆菌门、芽单胞菌门、浮霉菌门、奇古菌门等相对丰度,降低放线菌门、厚壁菌门等具有致病菌种菌门相对丰度.深松可优化土壤水热环境,维持土壤酶活性高效、稳定,协调细菌群落结构构建,促进黑土地可持续利用.

土壤侵蚀是东北黑土退化的主要原因之一,了解不同土地利用方式下土壤水气传输性质的差异,可以为黑土区水土资源的高效利用和保护提供科学依据.本研究选取东北黑土区典型的3种土地利用方式(农地、林地、撂荒地)进行0～5 cm土层原位土壤饱和导水率、导气率和相对气体扩散率的测定,探讨土壤侵蚀和土地利用方式对土壤水气传输性质的影响.结果 表明:不同侵蚀程度农地之间以及不同土地利用方式之间土壤水气传输性质差异显著.重度侵蚀农地容重显著高于其他样地,未侵蚀农地容重显著低于其他样地.与未侵蚀农地相比,轻度、中度和重度侵蚀农地容重分别增加12.7％、17.6％和39.2％,饱和导水率分别降低84.4％、53.7％和12.7％,导气率分别降低94.6％、64.4％和14.0％,相对气体扩散率分别降低91.3％、82.6％和4.3％.松林地饱和导水率、导气率和相对气体扩散率较未侵蚀农地分别降低86.5％、83.0％和91.3％.沙棘林地饱和导水率、导气率和相对气体扩散率较未侵蚀农地分别降低51.7％、45.6％和82.6％,撂荒地饱和导水率、导气率和相对气体扩散率较未侵蚀农地分别降低16.2％、1.4％和73.9％.可以利用测得的土壤导气率、相对气体扩散率估算土壤饱和导水率.土壤侵蚀和土地利用方式显著影响黑土地土壤水气传输特性.

不同种植模式具有不同的经济学和生态学意义,因地制宜确立合理的种植模式是保护黑土地的重要措施.目前,对东北黑土区的种植模式类型及其空间格局尚缺乏系统的认识.本研究基于东北黑土区2017-2019年作物分类数据,应用地学信息图谱理论和方法构建种植模式图谱,以揭示黑土区种植模式类型及其空间格局,并在此基础上使用分布指数模型和双变量空间 自相关方法分析了种植模式的分布规律.结果表明:1)东北黑土区种植模式主要有玉米连作、水稻连作、大豆连作和米(玉米)豆(大豆)轮作,面积占比分别为38.3％、18.5％、10.3％、26.0％.其中,米豆轮作又包括米豆两年轮作、米米豆三年轮作、豆豆米三年轮作,分别占轮作面积的44.1％、34.5％、21.4％;2)各类种植模式的水平地带性分异规律显著.其中,玉米连作在温度和湿度上的梯度分异特征均非常明显,水稻连作仅在湿度上的梯度分异特征非常明显,大豆连作和米豆轮作在温度和湿度上的梯度分异特征均不明显;3)各类种植模式的空间集聚特征显著,种植模式间存在"大豆连作→豆豆米三年轮作→米豆两年轮作→米米豆三年轮作→玉米连作"的空间过渡特征.东北黑土区种植模式以连作为主,其分布规律可为今后轮作空间优化提供依据.

探讨不同秸秆还田量和氮肥量配施对辽西北半干旱区玉米田土壤CO2排放的影响,可为固碳减排和黑土地保护计划的实施提供理论支撑.本试验主区设置3个秸秆还田水平,分别为3000(S1)、6000(S2)和9000 kg·hm-2(S3,秸秆全量还田);副区设置3个氮肥施用水平,分别为105(N1)、210(N2,常规施氮量)和420 kg N·hm-2(N3),另设置不施氮肥不添加秸秆的对照处理(CK),共10个处理.采集定位试验4年后玉米田间土壤,通过培养试验,探究不同处理对玉米田土壤CO2排放的影响及CO2排放与土壤溶解性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)的关系.结果表明:秸秆还田和氮肥施用均会促进玉米田土壤CO2排放,并随秸秆还田量和施氮量的增加而显著增加,其中氮肥施用是促进玉米田土壤CO2排放的最主要因素;秸秆还田与氮肥配施通过促进微生物生物量增加并加剧DOC消耗来促进玉米田土壤CO2排放;MBC和DOC含量显著刺激玉米田土壤CO2排放,且主要受两者培养前期含量的影响.从保障秸秆还田培肥地力同时减少CO2排放的角度考虑,210 kgN·hm-2常规施氮量与6000 kg·hm-2秸秆还田配合施用(N2S2)是本试验条件下辽西北半干旱区最有潜力的田间施肥模式.

为探讨山水林田湖草系统治理策略,实现生态系统服务价值的综合提升,以黑龙江省小兴安岭—三江平原区为研究对象,在分析研究区不同土地利用类型变化的基础上,基于不同土地利用类型的生态服务价值的变化,识别其面临的主要生态环境问题,提出研究区开展生态保护修复的策略.研究结果表明:(1)2005—2015年,小兴安岭—三江平原区耕地面积持续增加,林地、草地和湿地的面积持续下降,土地利用结构失衡.耕地面积主要由林地和草地转入,且主要分布在三江平原东部;(2)研究区生态系统服务价值从2005年的519.47亿元下降至2015年的495.71亿元.其中生物多样性以及土壤保持功能下降最为严重.土地利用类型的急剧变化,导致区域生态系统出现供给服务失衡、土壤保持和生物多样性功能下降及黑土退化等生态环境问题;(3)研究区山水林田湖草保护修复需突破行政边界的限制,合理规划工程布局,建立科学的评价体系和完善的监管制度;同时,需关注区域农田土壤质量变化,突出黑土地作为珍稀自然资源在山水林田湖草生态系统中的重要性.

保护性耕作是退化黑土地培肥地力的重要措施,但地力提升后氮肥减施条件下保护性耕作农田的稳产增产是否具有可持续性尚不明晰.本研究依托中国科学院保护性耕作研发基地的长期免耕定位试验研究平台,设置常规垄作(RT)、免耕无秸秆还田(NTO)、免耕100％秸秆还田(NTS)和连续9年免耕100％秸秆还田培肥后氮肥减施20％(RNTS)4个处理,采用15N示踪田间微区试验,探究长期保护性耕作培肥地力下氮肥减施对玉米产量和肥料氮转化的影响.结果表明:经过一个完整生育期,不同耕作方式下肥料氮在东北黑土农田中的土壤残留率、植株利用率和气态损失率平均比例分别为34％、50％和16％;与常规垄作相比,保护性耕作(NTS和RNTS)使肥料氮当季利用效率显著提高了 10％～14％.通过氮素来源分析发现,不同耕作方式下植株及各部位(籽粒、秸秆、根和玉米芯)吸收的肥料氮占其总吸氮量的比例均在40％左右,土壤始终是为作物供应氮素的主体;与常规垄作相比,保护性耕作通过降低土壤扰动、增加有机质输入显著提高了0～40 cm土壤全氮储量,有效保障了退化黑土地农田土壤氮库扩容增效.2016-2018年,NTS和RNTS处理玉米产量较常规垄作显著提高.综上,长期实施免耕秸秆覆盖还田耕作方式,可提高肥料氮当季利用效率、保障土壤对作物持续供氮,即使氮肥减施20％,也可实现连续3个生长季玉米稳产高产,同时降低肥料氮损失带来的环境风险,实现东北黑土地农业绿色可持续发展.

为探明农田生物结皮发育对黑土团聚体稳定性和击溅侵蚀的影响及其水土保持功能,于作物生长季采集农田藻、藓生物结皮样品,比较了生物结皮与无结皮土壤的团聚体稳定性差异,测定了生物结皮对雨滴动能的削减作用及其单雨滴和模拟降雨溅蚀量,并分析了土壤团聚体稳定性和溅蚀特征与生物结皮基本性质的相关性.结果表明:藻、藓结皮中＜0.25 mm团聚体的比例比无结皮分别减少了 10.5％和21.8％,但5～10 mm团聚体的比例分别为无结皮的4.0和8.8倍;生物结皮的大团聚体含量、平均重量直径和几何平均直径比无结皮分别提高了 31.5％、76.2％和33.5％.与无结皮相比,生物结皮使雨滴动能平均削减了 0.48 J;藻、藓结皮的击穿雨滴动能分别为无结皮的2.9和26.2倍,高生物量藻结皮削减的雨滴动能为中、低生物量藻结皮的1.3和6.6倍.在单雨滴击溅和模拟降雨条件下,生物结皮使溅蚀量分别减少了 47.5％和79.4％;生物结皮溅蚀颗粒中＞0.25 mm大团聚体占比为37.9％,比无结皮减少了 40.3％,并随结皮生物量的增加而减少.土壤团聚体稳定性、溅蚀量和生物结皮基本性质三者具有显著相关性,其中,团聚体平均重量直径与单雨滴和模拟降雨溅蚀量呈极显著负相关,表明生物结皮提高团聚体稳定性是其减少溅蚀的原因之一;生物结皮的生物量、厚度、含水率和有机质含量等也对团聚体稳定性和溅蚀特征有显著影响.综上,黑土区农田生物结皮能显著提高土壤团聚体稳定性并减少击溅侵蚀,对农田土壤侵蚀防治和黑土地保护与可持续利用具有重要意义.