東北地理所在黑土耕層厚度影響作物養分吸收和產量方面取得重要進展
黑土耕層變薄，有機碳儲量下降，作物生產力和土壤肥力降低，是侵蝕黑土農田的主要特征。由于土壤退化過程緩慢，很難評估土壤侵蝕與作物生產力的關系。目前，研究土壤侵蝕影響作物生產力的方法主要有剖面線法、小區比較法和人為加土和削土法等人工模擬的方法。作物產量對土壤侵蝕的響應，取決于作物類型、土壤性質、管理措施和氣候特征。然而，土壤侵蝕導致黑土層變薄降低中國黑土不同作物生產力研究，尤其是有關作物根系吸收養分方面的研究缺少科學數據。
東北地理所農田分子生態學科組針對黑土層變薄如何影響作物產量的科學問題，建立了農田耕層人為剝離后重建不同黑土層的定位模擬試驗，對試驗地塊剝離 30 cm 耕層厚度的全部土壤，混勻全部剝離的土壤，根據土壤平均容重和擬設置的黑土層厚度，計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。經過連續三年的田間試驗，研究結果表明，與30 cm耕層厚度相比，10 cm耕層厚度使玉米減產9-22%，但對大豆產量沒有影響。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。這些結果表明，與大豆相比，玉米對耕層厚度的響應更為敏感，主要是土壤養分有效性降低及作物從土壤中獲取養分的能力下降，耕層變薄進一步加劇了養分缺乏對玉米產量的限制。因此，針對土壤侵蝕導致的耕層變薄的黑土，關注玉米的施肥策略保證養分供應，以確保玉米產量，比大豆更為關鍵。
圖1. 2016、2017和2018年耕層厚度對玉米和大豆成熟期產量的影響
注：所有數據為平均值±標準差（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期（V7）和乳熟期（R3）及大豆始花期（R1）和鼓粒期（R6）植物營養吸收的影響
相關研究成果于2021年4月發表在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研發（2017YFC0504200/GX18B028）、國際科學組織聯盟專業協會（ANSO-PA-2020-12）和國家自然科學基金（41671274）等項目的資助。
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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