东北黑土保护技术模式(20160226)

2020/4/111东北黑土地保护利用技术模式和主要技术措施沈阳农业大学汪景宽博士教授农业部黑土保护项目推进落实会议，哈尔滨，2016年2月26日2020/4/112内容：研究背景东北黑土区耕地土壤质量状况及演变保护利用的主要技术模式保护利用的主要技术措施2020/4/113一、地位与问题东北黑土区：重要粮食生产基地，占全国粮食总量20%左右，商品率保持在70%以上，被视为中国“粮食稳压器”问题：结果：水土流失黑土层变薄；重用轻养养分减少、肥力下降；不合理耕作理化性状恶化；基础设施薄弱粮食综合生产能力波动较大；法规政策不健全黑土的保护不到位研究背景2020/4/115Isohumosolprofileandsurface2020/4/117定义和范围“黑土”泛指土层深厚、有机质含量较高的肥沃土壤。“黑土区”是指分布在东北平原及周边、海拔600m以下低山、丘陵及平原以“黑土”为主的地区，100多万平方公里。黑土区土壤主要包括黑土、黑钙土、草甸土、暗棕壤、棕壤、白浆土及该区内的水稻土等土壤类型。2020/4/118碳酸盐草甸土（佳木斯市）黑土剖面（富锦）黑土景观（富锦）黑土利用（富锦）暗棕壤（小兴安岭）黑钙土景观（内蒙古哈达图）白浆土（富锦，潜育化）黑钙土（内蒙古哈述图）2020/4/119（一）关于黑土问题------黑土层在变薄020406080黑土层厚度（cm）开垦初期20年40年80年开垦时间黑土层厚度随开垦时间的变化2020/4/1110------土壤有机质在下降开垦20年，1／340年，1／270~80年，2／3目前多数，1.5%-3%2020/4/1111黑龙江观测，开垦40年比开垦5年的黑土坡耕地，表层土壤：容重0.252g/cm3总孔隙度8.9%水稳性团粒破坏率14.26%-19.95%田间持水量4.5%-6.9%------物理性状在恶化2020/4/1112------侵蚀严重100万km2黑土地，水土流失27.59万km2。典型黑土的流失面积已40%风蚀3.36万km2。“十年九春旱”，风增旱情、旱助风威2020/4/1113（二）黑土耕地土壤肥力质量状况及演变研究区选择：黑龙江的海伦、北安、嫩江、五大连池、克山、双城，吉林的公主岭2020/4/1114东北主要地区土壤pH分级2020/4/1115肥力指标的演变特征pH值：20年来，由6.70降为6.30，0.40表3-1820年来黑土区土壤pH值变化的面积和百分数指标分级一二三四五pH6.5-7.06.5-6.06.0-5.55.5-5.0≤5.07.0-7.57.5-8.08.0-8.5≥8.5面积变化(%)（2000-1980年）总体平均-32.51-0.3218.2313.870.74一、二级32.83%，土壤pH向不利于植物生长的方面转化2020/4/1116有机质：20年来，由60.96降至49.67g/kg，11.29g/kg一、三级，五级。有机质在过去20年里呈降趋，但却是向有利于作物生长的方向变化表3-2120年来黑土区土壤有机质变化指标分级一二三四五g/kg25.0-50.025.0-20.020.0-15.015.0-10.010.050.0-60.060.0-70.070.0-80.0≥80.0面积变化(%)(2000-1980年)总体平均11.36-0.9415.674.33-30.42肥力指标的演变特征2020/4/1117时空变化看，南部降幅10g/kg以内，北部减幅20g/kg以上。20年来黑土区土壤有机质增减幅度增（+）减（-）范围(g/kg)≥+10+10-00~-10-10~-20-20面积变化(%)（2000-1980年）总体平均1.7312.1034.6213.9037.65肥力指标的演变特征86.17%2020/4/1118肥力指标的演变特征全氮：20年来，由3.02降至2.70，0.32g/Kg20年前，南部公主岭土壤几乎都为五级，北部基本为一、二级。20年来，北部降幅大，南部的公主岭、双城未降。说明北部与有机质降快密关，南部与施肥关系大指标分级g/kg一二三四五≥4.54.5-3.03.0-2.02.0-1.5≤1.5变化(%)(2000-1980年)总体平均-15.962.7913.914.25-4.992020/4/1119肥力指标的演变特征全磷：20年来，由1.03增至1.41，0.38g/Kg南部增加幅度更大，主要是20年来该区重视施用磷肥表3-2720年来黑土区土壤全磷变化指标分级一二三四五Pg/kg≥1.31.3-0.90.9-0.70.7-0.5≤0.5变化占总面积(%)总体平均14.822.43-8.15-7.66-1.442020/4/1120肥力指标的演变特征速效养分------碱解氮（AN）：20年来，AN基本持平，仅降低1.53mg/kgAN在80年代是降的，但90年代以来，AN呈增加趋势说明随着年限增加及产量提高，大量养分被带走，致AN降低。但施肥又使AN保持了一定平衡2020/4/1121肥力指标的演变特征速效养分------速效磷（AP）：20年来，由9.53增至20.50mg/kg，10.97。且都有增加，但无明显规律性目前68%以上的AP属于二级。说明总体上磷素不缺，可减少磷肥的施用数量和强度指标分级一二三四五(Pmg/kg)≥30.030.0-20.020.0-10.010.0-5.05.0变化(%)(2000-1980年)总体平均12.2140.82-12.28-36.03-4.722020/4/1122肥力指标的演变特征速效养分-----速效钾（AK）：20年来，由228降至180，48mg/kg，-21%北部多数从一级降到二级；南部公主岭从三级降到四级表3-3220年来黑土区土壤速效钾变化指标分级(Kg/kg)一二三四五≥30.030.0-20.020.0-10.010.0-5.05.0变化(%)(2000-1980年)总体平均-29.6528.98-1.432.102020/4/1123肥力质量的演变特征选择评价因子：pH、有机质、速效磷、速效钾、粘粒等。用肥力质量综合指数（IFI0~1），判定土壤肥力质量分级2020/4/1124黑龙江五县（嫩江、五大连池、克山、北安、海轮）黑龙江双城1980年黑土地区土壤肥力质量综合指数分级与分布图2020/4/11252000年黑土地区土壤肥力质量综合指标分级与分布图2020/4/1126肥力质量的演变特征表3-37黑土地区土壤（0-20cm）肥力质量综合指数变化2000年1980年变化值IFI0.6620.678-0.015主要是pH值、有机质和速效钾含量降低所致。南部IFI有所提高，主要磷肥施用使速效磷大幅提高的结果从南到北IFI呈增加趋势，且主要在二、三级；南部在四级。20年来，IFI降0.015，一、二级降，说明肥力质量总体呈下降态势指标分级一二三四五IFI≥0.80.8-0.70.7-0.60.6-0.40.4变幅（%）-18.43-1.6318.522.60-1.072020/4/1127（三）30年来东北黑土地区土壤有机质的变迁（1980-2010）有机碳：与土壤肥力关系（土壤有机碳与产量在一定程度是正相关）与气候变化关系（东北土壤是碳“汇”，还是碳“源”？）有机碳的变化趋势（平衡点？）研究区域示意图农业部哈尔滨黑土生态环境重点野外科学观测试验站★★★●●●●海伦农田生态系统国家野外研究站公主岭黑土生态环境重点野外科学观测试验站沈阳农业大学地膜覆盖与肥料施用长期定位实验站（b）海伦公主岭昌图海伦公主岭昌图（a）为表层采样点分布图；（b）为剖面采样点分布图研究区1980年和2010年旱田土壤表层和剖面采样点分布图（a）1980年采样点是以第二次土壤普查时期所记载的《中国土种志》、《黑龙江土种志》、《吉林土种志》以及海伦、公主岭和昌图三个县（市）的土壤志和相关手册为参考，共收集1980年海伦、公主岭和昌图旱田土壤表层（0-20cm）有效样点135个（海伦53个，公主岭51个，昌图29个）；旱田土壤剖面（0-1m）有效样点64个（海伦20个，公主岭16个，昌图28个）。2010年采样点数据来自国家自然科学基金项目（41171237）和中国科学院战略性先导科技专项课题(XDA05050501)，共收集2010年海伦、公主岭和昌图旱田土壤表层（0-20cm）有效样点237个（海伦91个，公主岭67个，昌图79个）；旱田土壤剖面有效样点68个（海伦22个，公主岭22个，昌图24个）。区域统计叠加评价单元土壤图土地利用现状图行政区划图采样点图评价单元图采样点GISIDW比例尺：1：50000研究区评价单元海伦1283公主岭40861昌图25624数据处理过程（评价单元）提取数据处理流程图（评价单元）耕地图斑养分分级图土壤表层有机碳密度1.结果19802010昌图公主岭海伦土壤表层有机碳密度的时空变化结果过去30年，土壤表层有机碳密度总体呈现下降趋势，少量地块有所增加，下降最为严重地方发生在海伦的中北部。84.36%的旱田面积91.34%的旱田面积56.77%的旱田面积15.64%8.66%研究区SOCd均值(kgm-2)△SOCd(kgm-2)198020101980-2010昌图2.622.57-0.05公主岭2.962.46-0.50海伦8.197.72-0.46均值4.594.25-0.3443.23%昌图公主岭海伦土壤表层有机碳储量时空变化结果研究区SOCs(Tg)△SOCs(Tg)198020101980-2010昌图8.558.41-0.14公主岭9.417.85-1.56海伦27.1824.91-2.27总计38.0233.37-4.65与密度趋势相似，过去30年，土壤表层有机碳储量总体呈现下降趋势，少量地块有所增加，下降最为严重地区发生在海伦。43.59%56.41%的旱田面积81.34%的旱田面积83.36%的旱田面积16.64%8.66%昌图公主岭海伦假设1：自然环境对土壤有机碳平衡有正向的影响假设2：土壤性质对土壤有机碳平衡有正向的影响假设3：人为管理对土壤有机碳平衡有正向的影响假设4：自然环境与土壤性质有相关影响假设5：土壤性质与人为管理有相关影响假设6：自然环境与人为管理有相关影响2.概念模型建立有机碳平衡关系概念模型潜变量Latentvariable测量详细内容Details可信度Cronbach'sAlpha自然环境ξ1年均温度x10.751年均降水量x2坡度x3土壤性质ξ2土壤质地x40.736pHx5人为影响ξ3肥料施用量x60.76秸秆施用量x7耕种方式x8土壤碳平衡η作物单产y10.705土壤有机碳含量y2各变量一览表及数据信度值土壤性质、气候环境和人为管理对土壤有机碳平衡过程起到直接或间接的作用，且土壤性质和气候环境对土壤有机碳平衡过程更具影响力。因此，从区域土壤有机质提升或培肥角度，我们需要通过影响有机碳平衡关系的因素来确定提升或培肥的目标，即土壤有机碳的平衡点，从而对培肥或固碳起到指导作用。自然土壤农田3.土壤有机碳平衡点当前主流假设理想饱和模型自然未被扰动的土壤模式开垦T.O.WestandJ.Six.2007.ClimaticChange,80:25-41随着碳的不断投入最终达到饱和状态自然土壤有机碳含量远大于开垦后农田土壤有机碳含量但是，如何在现有的状态下确定土壤有机碳平衡点，使其具有现实的可操作的意义？本研究提出的土壤有机碳平衡点概念是在当前一定气候条件下（主要指温度与降水），通过人为培肥（主要是施用有机肥等）后土壤有机碳所能达到的并处于相对平衡状态的有机碳含量，并将这一时期的土壤有机碳含量称为有机碳的平衡点。从区域土壤肥力角度出发，土壤有机碳平衡点是指当前实际的区域肥力水平和耕作管理条件下土壤有机碳能够达到的理想目标值，即高肥力水平土壤有机碳的含量。当前状态下，有机碳平衡点和气候、土壤因素之间的关