促進南方紅壤丘陵區農業可持續發展的復合農業生態系統研究
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系統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支撐，為國家糧食安全作出了重要貢獻
根據?1978—1979?年桃源縣農業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?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，是一個糧食產量提高的嚴重障礙。桃源站科學家首次提出了次生潛育化水稻土的概念，并應用化學、物理學、生物學等現代科學理論與研究手段，對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、化學、生物學及養分特性，進行了較為系統的研究。闡明了潛育性水稻土的主要缺陷是土壤通透性差、土溫低、還原物質積累較多，土壤微生物數量少、活性低，有機物礦化分解和養分釋放緩慢，有效養分不足。根據其形成原因和特性，將潛育性水稻土劃分為?6?個類型，并提出了?3?項主要改良措施：①針對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實行水旱輪作等生物改良措施，縮短土壤漬水時間，改善土壤通氣性，改良土壤理化及生物性狀；③合理施肥，以協調土壤養分供應狀況。
從?1979?年開始，通過?5?年多的研究、試驗、示范和推廣，對潛育性水稻土的形成和改良途徑有了比較明確的認識和措施，桃源縣全縣潛育性水稻土的改良面積已達?20?萬畝，累計共增產稻谷?7?680?萬斤，按當時每百斤稻谷?11.5?元計算，共增加產值?883.2?萬元（若按平均價格每百斤?13.5?元計算，則增加產值?1?036.8?萬元），扣除工程措施成本?100?萬元，獲凈經濟效益?783.2?萬元。該項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驗。
系統研究紅壤稻田生態系統可持續生產力與系統健康的協調機制，為稻田生態系統持續、高效生產提供理論依據和技術支撐
為研究長江中游紅壤丘陵區施肥對水稻生產力及肥力的影響，桃源站設置了稻田施肥長期定位試驗（圖?1），主要設置了化肥、化肥配合有機物還田等施肥處理。通過分析稻田生態系統生產力演變狀況，以及稻田生產力持續性特征、原因及其穩產性的影響因素，證實稻田生態系統是一個自我維持能力較高的生態系統。氮（N）、磷（P）、鉀（K）養分均衡施用是高產、穩產的基本條件，而稻草、綠肥等有機物的配合施用均表現出了產量增益效應，但是隨著?N、P、K?肥料配合程度的提高，有機物循環利用的增產效益呈明顯下降趨勢。施肥對水稻產量及其持續性影響的實質主要體現在養分的均衡供應方面，在養分缺乏情況下，有機肥的施用能顯著提高水稻產量及穩產性。但在均衡施肥（N、P、K?施肥模式）的基礎上，大量的有機物無機肥的施用反而降低了產量穩定性。可見，適量和平衡地提供水稻所需的營養元素是水稻穩產的物質基礎，利用稻田生態系統內的有機物能實現穩產和部分養分的替代功能。因此，控制化肥的投入或配合有機肥的施用是區域稻田生產力可持續性及系統健康的重要調控手段。
由于稻田?N、P?等養分流失較其他土地利用方式嚴重，且化肥撒施是導致稻田?N、P?流失的重要原因之一，桃源站構建了基于化肥一次性深施的減氮控磷施肥技術，并建立了雙季稻減氮控磷長期定位試驗。連續?6?年的田間試驗結果表明，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量的穩定，還可以增產?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。通過分析發現，該施肥技術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的研發，在桃源縣楓樹鄉開展了機械化大田示范。連續?2?年的試驗結果顯示，與當地的常規拋秧相比，該技術可以顯著降低控制稻田表面水層的氮、磷濃度，進而有效控制了氮、磷損失，顯著提高了氮肥利用效率。因此，通過進一步的技術改進和理論探究，該施肥技術可以在我國南方雙季稻田進行推廣應用。
近?10?年來，稻田面臨著休耕、棄耕等土地利用方式改變的風險。農村勞動力不足和稻作經濟收益較低是我國南方傳統稻作區棄耕日趨嚴重的關鍵驅動因素之一。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、化學和生物學特征顯著改變，且有別于其他農田生態系統棄耕前后的改變，因此稻田棄耕后土壤碳庫的變化特征應不同于其他棄耕農田。為弄清棄耕對稻田土壤碳庫影響，我們利用稻田棄耕長期定位試驗為研究平臺，從土壤有機碳、活性碳庫動態變化特征及其影響因素等角度開展了相關研究。數據結果表明，棄耕?8?年后稻田土壤有機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。高碳土壤對棄耕更為敏感，總體表現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間節點。研究還闡明了土壤有機碳顯著下降的關鍵原因：土壤由稻田的厭氧環境轉變為棄耕后的好氧環境，加速了有機物和土壤有機碳的分解，同時也降低了土壤團聚體、土壤礦物及鐵氧化還原過程對土壤碳的固持及保護作用，從而導致土壤碳形成量遠小于碳分解量。研究還顯示，棄耕后植被恢復并沒有彌補土壤碳庫的損失，稻田土壤從碳庫向碳源轉變。可見，稻田棄耕與傳統意義上的棄耕地力恢復結論不同，稻田土地利用方式轉變應采取配套措施防止土壤的退化，保持土壤的高肥力。