土壤剖面基础性质差异对农田水氮过程和作物产量的影响

【目的】华北平原地区是中国最重要的冬小麦和夏玉米生产基地，不同农田土壤基础性质差异是造成该地区农田生产力空间变异的基本原因。通过研究该地区冲积始成土冬小麦-夏玉米轮作农田土壤剖面性质对水氮过程以及作物产量形成的影响，以期为该地区高产农田的水氮利用与管理提供参考。【方法】选取位于山东省泰安市研究区3块具有不同土壤基础性质且产量存在显著性差异的农田，进行3年田间试验，测定土壤剖面的土壤基本性质，具体包括机械组成、饱和导水率、田间持水量、永久萎蔫点、有机碳、全氮；监测土壤剖面0—160 cm的水分和硝态氮的动态变化以及作物生物量、叶面积指数和产量等。运用根区水质模型（RZWQM）对各农田的水氮过程进行模拟计算。【结果】RZWQM 模型在整体上可以很好地模拟2009年10月至2012年9月3年不同基础土壤性质农田水分、无机氮、作物产量、地上部生物量和叶面积动态特征，并计算各农田水氮平衡项。各农田土壤基础性质差异对水氮过程及产量形成的影响具体为：高产农田0—160 cm 剖面的最大有效贮水量为223 mm，分别高出中产和低产农田28和56 mm，同时30 cm 深度以下土层具有相对较低的饱和导水率。该基础性质差异使得高产农田年均水分损失（地表径流+深层渗漏）仅为150.3 mm，分别低于中产和低产农田5.7和26.4 mm，从而使高产农田作物受到相对低的水分胁迫。高产农田土壤表层土壤有机碳含量较中低产田高，而碳氮比则较低，使得高产农田具有更高的净矿化氮量（较中产和低产农田高52.0和82.6 kg·hm-2），且较低的氮损失（氨挥发+氮淋洗+反硝化作用），较中产和低产农田分别少6.9和10.9 kg·hm-2。高产农田的水分利用效率（WUE）为2.32 kg·m-3，分别较中产和低产农田高12.1%和6.8%，这是因为高产农田受到较低的氮素胁迫。在本研究区不同土壤基础性质农田的氮素利用效率（NUE）差异不显著。【结论】在华北平原冬小麦-夏玉米轮作区，理想的土体构型能够存储更多的有效水，高土壤有机碳含量和低的碳氮比能矿化出更多的无机氮，保障了充足的水氮供应，减缓作物受到的水氮胁迫，从而获得高产。