松嫩平原黑土区种植结构调整对SOC、土壤pH和侵蚀的影响

在全球化进程中,农业土地利用方式受到农产品价格、产量和政策等因素影响,导致土地利用的变化日趋频繁。种植结构变化对农业生态系统产生诸多影响。本研究通过网格化样点采集松嫩平原黑土区土壤样本,并进行跟踪调研,建立了松嫩平原黑土区作物系统土壤有机碳(SOC)和土壤酸化评价方法;利用修正土壤流失方程(RULSE)建立黑土区作物系统土壤侵蚀评价方法;探讨了黑土区不同作物系统的SOC、土壤酸化和土壤侵蚀变化,提出了黑土区土壤作物系统优化管理措施。主要研究结果如下:(1)从2005到2014年,松嫩平原黑土区种植结构转变的主要驱动因素是净效益,大豆玉米效益的差距主要体现在产量和成本上。随着玉米种植密度增加和优良品种选育,玉米的产量从5.05 Mg ha-1显著增加到6.14 Mgha-1,而同期大豆的单位面积产量没有明显增长。大豆净效益的下降影响了农民的种植积极性,进而转向稳定创收的玉米生产。(2)从2005到2014年松嫩平原黑土区SOC下降了 11.9%。不同作物系统的SOC变化有显著差异,大豆连作系统的SOC含量下降了 37.7%,大豆玉米交替种植系统下降了 13.6%,玉米连作系统增加了 12.3%。初始SOC决定作物系统SOC变化的方向,但SOC变化幅度取决于作物碳投入。种植结构从低生物量作物(大豆)转变为高生物量作物(玉米)可以维持甚至提高SOC。(3)从2005到2014年,松嫩平原黑土区的土壤pH值平均降低了 0.27个单位,土壤呈逐渐酸化的趋势。其中大豆连作系统pH下降0.16个单位,玉米连作系统下降0.30个单位,大豆玉米交替种植系统下降0.25个单位。通过对作物系统净氢离子通量进行分析,发现玉米比大豆具有更强的酸化效应,因为玉米系统十年间氮循环产生的H+为91.3 kmol ha-1,高于大豆连作系统的25.5 kmol ha-1。(4)2016年克山县侵蚀总量为158万Mg,与2011年相比下降了 12万Mg(7.3%)。转换区域是土壤侵蚀变化的主要区域。转换区域土壤侵蚀下降主要原因是覆盖与管理因子的变化。在7月份,大豆转换为玉米对全县土壤侵蚀下降的贡献度为45.8%。同时,1-2°坡上大豆转换为玉米对全县土壤侵蚀下降的贡献率为35.3%。在精确量化SOC、土壤酸化和侵蚀的同时,需要综合考虑作物系统对土壤质量的其它影响因素。黑土区作物系统中大豆玉米交替种植系统的土壤质量综合效益最优。因此,在交替种植系统采取提高密度、培育高密品种、提高秸秆还田率、接种根瘤菌、优化施肥量等技术措施,结合施用石灰、保护性耕作和施用外源生物炭等优化技术措施,可以达到优化土壤质量综合效益的目的,实现黑土区农业可持续发展。