论文部分内容阅读
研究气候变化下农田土壤生产力的变化并分析其影响因素，根据区域土壤特点提出适应气候变化的应对措施对农业生产具有重要意义。本研究基于中国东部南北样带上的土壤互置试验平台(设置在中国科学院鹰潭红壤生态实验站、封丘农业生态实验站和海伦农业生态实验站)，通过4年的田间试验研究了气候和土壤类型(性质)对玉米产量和土壤氮素供应(玉米生长季小区土壤表层0-20 cm硝态氮和无机氮含量)的影响；通过室内培育实验，研究了温度和土壤类型(性质)对氮素矿化和硝化特性的影响，补充并验证了田间试验结果；分析了玉米种植前和抽雄期田间土壤硝态氮、无机氮含量对玉米产量稳定性的影响，抽雄期玉米叶片叶绿素相对含量(SPAD值)对土壤硝态氮、无机氮供应的响应及玉米产量的预测，并分别建立了相应的土壤氮素含量对玉米产量稳定性的预测方程，和玉米叶片叶绿素相对含量(SPAD值)对土壤硝态氮、无机氮供应的响应及玉米产量的预测方程。
在不同的气候区，同一类型土壤(黑土、潮土和红壤)玉米产量和生物吸氮量从大到小的顺序均是：封丘>海伦>鹰潭，玉米施肥贡献率从大到小的顺序是：鹰潭(100～69％)>海伦(78～52％)>封丘(56～17％)；在相同的气候区(鹰潭、封丘和海伦)，三种类型土壤玉米产量和生物吸氮量从大到小的顺序均是：黑土>潮土>红壤。积温、太阳辐射和降水量是影响玉米产量和生物吸氮量的关键气候因子，其中降水量(Prec)解释了施肥贡献率差异的27.9％，积温和太阳辐射解释了玉米生物吸氮量差异的28.5％；土壤TN、TK、NO3-、速效磷(EP)和速效钾(EK)含量及pH值是影响玉米产量和生物吸氮量的关键土壤因子，其中土壤TK、NO3-和EP含量及pH值对玉米产量的决定系数(R2)为0.325(n=216)，土壤NO3-、TN和EK含量对玉米吸氮量的决定系数为0.298(n=216)。
气候和土壤性质共同影响土壤氮素供应，气候决定了土壤硝态氮动态供应的变化趋势，而土壤性质决定了其变化幅度。在不同气候区，施肥(NPK)处理中3种类型土壤的氮素供应顺序是：海伦(中温带)>封丘(暖温带)>鹰潭(中亚热带)；不施肥(CK)处理中的顺序是：封丘>海伦>鹰潭。在同一气候区，所有的CK处理中，黑土和潮土氮素供应量显著高于红壤，在NPK处理中，黑土氮素供应量显著高于潮土和红壤。玉米生育期降水量(Prec)、相对湿度(RH)、和日照时数(SH)是影响土壤氮素供应的关键气候因子；土壤全氮(TN)、速效磷(EP)含量和土壤pH值是影响土壤氮素供应的关键土壤因子。
在15-30℃培养范围内，随着温度升高，黑土、潮土和红壤氮素累积矿化量(好气恒温培养下，土壤铵态氮和硝态氮的增加量)增加，增加幅度的大小顺序是：黑土>潮土>红壤，这与田间试验中NPK处理下3种土壤氮素供应随气候条件和土壤类型而变化的顺序一致。土壤氮素累积矿化量(30℃恒温培养)和土壤有机质、全氮、全钾含量，粘粒含量及田间持水量呈显著相关；决定系数(R2)表明土壤有机质含量和田间持水量解释了土壤氮素矿化量变异的93.4％。
在15-30℃培养范围内，随着培养温度的升高，土壤硝化率总体上呈升高趋势。土壤硝化率从大到小的顺序是：高有机质含量潮土(CS-H)>低有机质含量潮土(CS-L)>高有机质含量黑土(BS-H)>低有机质含量黑土(BS-L)>低有机质含量红壤(RS-L)>高有机质含量红壤(RS-H)。土壤硝化率(25℃恒温培养)和土壤全磷、全钾含量，粘粒含量及pH值呈极显著相关；土壤pH值和全磷含量解释了土壤硝化率差异的98.1％。土壤pH值是影响其硝化势的主要因素，土壤有机质含量及温度对硝化势的影响均受低pH的抑制。
3种类型土壤玉米产量年际变异系数从大到小的顺序是：红壤(41.60～28.85％)>潮土(34.48～29.68％)>黑土(24.00～18.73％)。玉米种植前和玉米抽雄期土壤硝态氮含量和无机氮含量和玉米产量年际变异系数呈显著负相关，说明增加土壤的氮素供应量可以提高玉米产量的稳定性。玉米种植前，当土壤硝态氮含量和无机氮含量分别达到15.1 mg kg-1和21.0 mg kg-1时，玉米产量年际变异系数可控制在20％。玉米抽雄期，当土壤硝态氮含量和无机氮含量分别达到14.0mg kg-1和17.8 mg kg-1时，玉米产量年际变异系数在20％。不同类型土壤的硝态氮和无机氮含量对玉米产量年际变异系数的预测方程不同。玉米种植前，红壤预测图中产量年际变异系数均在20％以上；当黑土硝态氮和无机氮含量分别达到13.7 mg kg-1和18.0 mg kg-1时，产量年际变异系数即可控制在20％以下；当潮土硝态氮和无机氮含量分别达到13.0 mg kg-1和17.5 mg kg-1时，产量年际变异系数即可控制在20％以下。在玉米抽雄期，红壤预测图中玉米产量年际变异系数均在30％以上；当黑土硝态氮和无机氮含量分别达到5.7 mg kg-1和8.2 mg kg-1时，产量年际变异系数即可控制在20％以下；对潮土而言，当土壤硝态氮含量达到9.7mg kg-1时，产量年际变异系数即可控制在20％以下。
鹰潭、封丘和海伦3个气候区，玉米生长抽雄期功能叶SPAD值和土壤表层硝态氮、无机氮含量相关性显著，和土壤表层铵态氮含量相关性不显著，玉米抽雄期功能叶SPAD值和玉米产量相关性显著。玉米抽雄期功能叶SPAD值均能很好地解释玉米产量的差异，决定系数(R2)0.749～0.829，可以作为预测玉米产量的速测指标，预测玉米产量方程为：Y=1424.857*exp(x/25.180)-2420.977(R2=0.775)；土壤硝态氮及无机氮含量受降水量及降水强度的影响较大，玉米抽雄期功能叶SPAD值不能很好地响应土壤硝态氮和无机氮含量。