東北地理所在黑土耕層厚度影響作物養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量方面取得重要進(jìn)展
黑土耕層變薄，有機(jī)碳儲量下降，作物生產(chǎn)力和土壤肥力降低，是侵蝕黑土農(nóng)田的主要特征。由于土壤退化過程緩慢，很難評估土壤侵蝕與作物生產(chǎn)力的關(guān)系。目前，研究土壤侵蝕影響作物生產(chǎn)力的方法主要有剖面線法、小區(qū)比較法和人為加土和削土法等人工模擬的方法。作物產(chǎn)量對土壤侵蝕的響應(yīng)，取決于作物類型、土壤性質(zhì)、管理措施和氣候特征。然而，土壤侵蝕導(dǎo)致黑土層變薄降低中國黑土不同作物生產(chǎn)力研究，尤其是有關(guān)作物根系吸收養(yǎng)分方面的研究缺少科學(xué)數(shù)據(jù)。
東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組針對黑土層變薄如何影響作物產(chǎn)量的科學(xué)問題，建立了農(nóng)田耕層人為剝離后重建不同黑土層的定位模擬試驗(yàn)，對試驗(yàn)地塊剝離 30 cm 耕層厚度的全部土壤，混勻全部剝離的土壤，根據(jù)土壤平均容重和擬設(shè)置的黑土層厚度，計(jì)算單位面積回填土壤量，重建3個耕層厚度，即耕層厚度 10 cm、20 cm和 30 cm。種植方式為大豆和玉米免耕輪作。經(jīng)過連續(xù)三年的田間試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，與30 cm耕層厚度相比，10 cm耕層厚度使玉米減產(chǎn)9-22%，但對大豆產(chǎn)量沒有影響。與30 cm和20 cm耕層厚度相比，10 cm耕層顯著降低了玉米拔節(jié)期（V7）和乳熟期（R3）及大豆鼓粒期（R6）的根生物量和地上部生物量。另外，與30 cm耕層相比，10 cm耕層厚度降低土壤速效氮和速效磷含量，其中玉米分別減少了42%和36%，大豆減少了25%和19%，而且10 cm耕層厚度也降低了單位根長N、P和K的吸收量，玉米的減少幅度低于大豆。與30 cm耕層相比，10 cm和20 cm耕層顯著提高了玉米根際土壤脲酶活性、磷酸酶活性和蔗糖轉(zhuǎn)化酶的活性，而在大豆根際土壤中，20 cm耕層增加了38%的脲酶活性。這些結(jié)果表明，與大豆相比，玉米對耕層厚度的響應(yīng)更為敏感，主要是土壤養(yǎng)分有效性降低及作物從土壤中獲取養(yǎng)分的能力下降，耕層變薄進(jìn)一步加劇了養(yǎng)分缺乏對玉米產(chǎn)量的限制。因此，針對土壤侵蝕導(dǎo)致的耕層變薄的黑土，關(guān)注玉米的施肥策略保證養(yǎng)分供應(yīng)，以確保玉米產(chǎn)量，比大豆更為關(guān)鍵。
圖1. 2016、2017和2018年耕層厚度對玉米和大豆成熟期產(chǎn)量的影響
注：所有數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=3），誤差線上字母表示同一年份不同處理間方差分析，其中相同字母表示處理間無顯著差異（P > 0.05），不同字母表示處理間存在顯著差異（P < 0.05）。
圖2. 2017年耕層厚度對玉米拔節(jié)期（V7）和乳熟期（R3）及大豆始花期（R1）和鼓粒期（R6）植物營養(yǎng)吸收的影響
相關(guān)研究成果于2021年4月發(fā)表在Land Degradation and Development，東北地理所博士生郭麗麗為第一作者，劉曉冰研究員和金劍研究員為共同通訊作者。研究成果得到國家重點(diǎn)研發(fā)（2017YFC0504200/GX18B028）、國際科學(xué)組織聯(lián)盟專業(yè)協(xié)會（ANSO-PA-2020-12）和國家自然科學(xué)基金（41671274）等項(xiàng)目的資助。
論文信息：Lili Guo, Yue Yang, Yue Zhao, Yansheng Li, Yueyu Sui, Caixian Tang, Jian Jin*, Xiaobing Liu*. Reducing topsoil depth decreases the yield and nutrient uptake of maize and soybean grown in a glacial till. Land Degradation and Development, 2021, 32, 2849–2860. DOI: 10.1002/ldr.3868
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