促進(jìn)南方紅壤丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究
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系統(tǒng)分析了南方潛育性和次生潛育化水稻土的形成原因，并且創(chuàng)制了一系列改良措施，為我國潛育性水田的治理提供了技術(shù)支撐，為國家糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)
根據(jù)?1978—1979?年桃源縣農(nóng)業(yè)資源綜合考察和第二次土壤普查，桃源縣潛育性稻田的面積高達(dá)?43.6?萬畝，占全縣稻田的?41.6%，比第一次土壤普查增加?28.6?萬畝。南方各省約有潛育性稻田?1?億畝，是一個(gè)糧食產(chǎn)量提高的嚴(yán)重障礙。桃源站科學(xué)家首次提出了次生潛育化水稻土的概念，并應(yīng)用化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)理論與研究手段，對(duì)潛育性和次生潛育化水稻土的形成條件與類型，以及土壤的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)及養(yǎng)分特性，進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。闡明了潛育性水稻土的主要缺陷是土壤通透性差、土溫低、還原物質(zhì)積累較多，土壤微生物數(shù)量少、活性低，有機(jī)物礦化分解和養(yǎng)分釋放緩慢，有效養(yǎng)分不足。根據(jù)其形成原因和特性，將潛育性水稻土劃分為?6?個(gè)類型，并提出了?3?項(xiàng)主要改良措施：①針對(duì)潛育性水稻土的不同類型，采取挖明溝或暗溝的工程排水措施，排除土壤漬水；②實(shí)行水旱輪作等生物改良措施，縮短土壤漬水時(shí)間，改善土壤通氣性，改良土壤理化及生物性狀；③合理施肥，以協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況。
從?1979?年開始，通過?5?年多的研究、試驗(yàn)、示范和推廣，對(duì)潛育性水稻土的形成和改良途徑有了比較明確的認(rèn)識(shí)和措施，桃源縣全縣潛育性水稻土的改良面積已達(dá)?20?萬畝，累計(jì)共增產(chǎn)稻谷?7?680?萬斤，按當(dāng)時(shí)每百斤稻谷?11.5?元計(jì)算，共增加產(chǎn)值?883.2?萬元（若按平均價(jià)格每百斤?13.5?元計(jì)算，則增加產(chǎn)值?1?036.8?萬元），扣除工程措施成本?100?萬元，獲凈經(jīng)濟(jì)效益?783.2?萬元。該項(xiàng)研究成果也為改良我國南方約?1億畝潛育性和次生潛育化稻田提供了經(jīng)驗(yàn)。
系統(tǒng)研究紅壤稻田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)力與系統(tǒng)健康的協(xié)調(diào)機(jī)制，為稻田生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)、高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐
為研究長江中游紅壤丘陵區(qū)施肥對(duì)水稻生產(chǎn)力及肥力的影響，桃源站設(shè)置了稻田施肥長期定位試驗(yàn)（圖?1），主要設(shè)置了化肥、化肥配合有機(jī)物還田等施肥處理。通過分析稻田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力演變狀況，以及稻田生產(chǎn)力持續(xù)性特征、原因及其穩(wěn)產(chǎn)性的影響因素，證實(shí)稻田生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)自我維持能力較高的生態(tài)系統(tǒng)。氮（N）、磷（P）、鉀（K）養(yǎng)分均衡施用是高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基本條件，而稻草、綠肥等有機(jī)物的配合施用均表現(xiàn)出了產(chǎn)量增益效應(yīng)，但是隨著?N、P、K?肥料配合程度的提高，有機(jī)物循環(huán)利用的增產(chǎn)效益呈明顯下降趨勢。施肥對(duì)水稻產(chǎn)量及其持續(xù)性影響的實(shí)質(zhì)主要體現(xiàn)在養(yǎng)分的均衡供應(yīng)方面，在養(yǎng)分缺乏情況下，有機(jī)肥的施用能顯著提高水稻產(chǎn)量及穩(wěn)產(chǎn)性。但在均衡施肥（N、P、K?施肥模式）的基礎(chǔ)上，大量的有機(jī)物無機(jī)肥的施用反而降低了產(chǎn)量穩(wěn)定性。可見，適量和平衡地提供水稻所需的營養(yǎng)元素是水稻穩(wěn)產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，利用稻田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)物能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)和部分養(yǎng)分的替代功能。因此，控制化肥的投入或配合有機(jī)肥的施用是區(qū)域稻田生產(chǎn)力可持續(xù)性及系統(tǒng)健康的重要調(diào)控手段。
由于稻田?N、P?等養(yǎng)分流失較其他土地利用方式嚴(yán)重，且化肥撒施是導(dǎo)致稻田?N、P?流失的重要原因之一，桃源站構(gòu)建了基于化肥一次性深施的減氮控磷施肥技術(shù)，并建立了雙季稻減氮控磷長期定位試驗(yàn)。連續(xù)?6?年的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，通過將雙季稻化肥施用方式由表面撒施改為深施，減少?30%?氮肥用量不僅可以維持雙季稻產(chǎn)量的穩(wěn)定，還可以增產(chǎn)?5%—10%?左右，且氮肥利用效率提高到?44%?左右，每年可減少雙季稻田氮肥投入?90?kg?·?hm?2。通過分析發(fā)現(xiàn)，該施肥技術(shù)可降低稻田表層水中?70%—90%?的氨氮和?20%—30%?的總磷，每年減少雙季稻田?N?流失?9?kg?·?hm?2，P?流失?0.15?kg?·?hm?2。基于雙季稻田減氮控磷施肥技術(shù)的研發(fā)，在桃源縣楓樹鄉(xiāng)開展了機(jī)械化大田示范。連續(xù)?2?年的試驗(yàn)結(jié)果顯示，與當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)拋秧相比，該技術(shù)可以顯著降低控制稻田表面水層的氮、磷濃度，進(jìn)而有效控制了氮、磷損失，顯著提高了氮肥利用效率。因此，通過進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)和理論探究，該施肥技術(shù)可以在我國南方雙季稻田進(jìn)行推廣應(yīng)用。
近?10?年來，稻田面臨著休耕、棄耕等土地利用方式改變的風(fēng)險(xiǎn)。農(nóng)村勞動(dòng)力不足和稻作經(jīng)濟(jì)收益較低是我國南方傳統(tǒng)稻作區(qū)棄耕日趨嚴(yán)重的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素之一。稻田土壤碳庫是在長期人為水耕條件下形成的，其棄耕前后土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征顯著改變，且有別于其他農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)棄耕前后的改變，因此稻田棄耕后土壤碳庫的變化特征應(yīng)不同于其他棄耕農(nóng)田。為弄清棄耕對(duì)稻田土壤碳庫影響，我們利用稻田棄耕長期定位試驗(yàn)為研究平臺(tái)，從土壤有機(jī)碳、活性碳庫動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素等角度開展了相關(guān)研究。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，棄耕?8?年后稻田土壤有機(jī)碳及碳庫分別降低了?9.9%—20.9%?和?10.2%—20.8%，即平均年降低速率為?0.30—0.60?g·kg?1·yr-1和0.50—1.15?t·hm?2·yr-1，碳下降速率是碳積累速率的1.5—1.8?倍。高碳土壤對(duì)棄耕更為敏感，總體表現(xiàn)為棄耕前稻田碳含量越高，棄耕后下降的速度越快，棄耕?4?年是土壤碳快速下降的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。研究還闡明了土壤有機(jī)碳顯著下降的關(guān)鍵原因：土壤由稻田的厭氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)闂壐蟮暮醚醐h(huán)境，加速了有機(jī)物和土壤有機(jī)碳的分解，同時(shí)也降低了土壤團(tuán)聚體、土壤礦物及鐵氧化還原過程對(duì)土壤碳的固持及保護(hù)作用，從而導(dǎo)致土壤碳形成量遠(yuǎn)小于碳分解量。研究還顯示，棄耕后植被恢復(fù)并沒有彌補(bǔ)土壤碳庫的損失，稻田土壤從碳庫向碳源轉(zhuǎn)變。可見，稻田棄耕與傳統(tǒng)意義上的棄耕地力恢復(fù)結(jié)論不同，稻田土地利用方式轉(zhuǎn)變應(yīng)采取配套措施防止土壤的退化，保持土壤的高肥力。