北方生态脆弱区农牧复合种植模式保水固碳机制及系统评价研究

The crop and forage cropping models will be established in ecotone of northern China to solve the oversimplified crop structure, fragile agro-ecosystem, lower resource utilization and agricultural productivity. (1) Establishing crop-based and diversified crop rotation, reveal the water consumption, distribution and utilization mechanism among the different farming systems. The field-scale process of crop utilization in soil-crop-atmospheric system based on multi-site long-term field trials will be monitored to optimize higher water use efficiency. (2) The carbon sequestration and enrichment mechanism for different integrated crop-livestock farming system will be examined. The different intercropping system and diversified rotation system will be studied to reveal the mechanism of soil carbon enrichment and nutrient balance. (3) The crop simulation model and ecological evaluation approach as emergy and ecosystem service were used to explicit the potential productivity of diversified farming system. Base on the above research work, we will put forward the agroecological principals, approaches and strategies to build up the resilience, active and sustainable integrated crop-livestock systems in dryland farming area.

针对农业种植结构单一，农业生态系统脆弱、资源利用效率低，系统生产力低等问题，构建我国北方生态脆弱地区的主导的作物和饲草品种进行优化组合，（1）研究豆科牧草和禾本科牧草为主的间作模式以及马铃薯-燕麦-谷子等为主的多样化作物轮作模式下作物和土壤水分时空分配规律和水分高效利用和平衡机理；（2）研究牧草和多种作物为主的农牧复合模式的土壤有机碳含量、储量及其活性有机碳组分（易氧化碳、颗粒态碳和微生物量碳）的时空变化规律，以及不同农牧结合模式下土壤有机碳的固持效应和碳库培育机理；（3）应用作物生产模拟模型和能值、生态系统服务等生态学评价方法，对不同农牧复合种植模式的系统生产力进行评价，提出生态安全、资源高效合理、经济效益最大化的农牧系统优化结构。

针对农业种植结构单一，农业生态系统脆弱、资源利用效率低，系统生产力低等问题，通过研究不同间混作及轮作模式下作物和土壤水分时空分配规律、土壤有机碳含量、储量及活性有机碳的时空变化规律，以及不同农牧结合模式下土壤理化性状的变化。结果表明，秸秆还田和生物炭施用均能够显著增加土壤中有机碳及活性有机碳含量。生物炭施用处理的土壤总有机碳和微生物生物量碳含量较CK分别提高36.02-41.83%和48.39%-58.76%。轮作一年后各粒级土壤易氧化有机碳含量均有不同程度的增加，施用有机复合肥较不施肥处理各粒级间平均含量高出16.84%，施用有机肥条件下的玉米连作和大豆玉米轮作的轻组有机碳含量降低了9.4%-28.6%。混作RS3:7模式施化肥处理有机质含量最高，两年分别较其他两种混播比例增加了5.88%-20.00%、1.43%-15.96%。燕麦间作黑豆土壤微生物生物量碳较燕麦间作马铃薯、燕麦间作苜蓿高出17.89%、7.90%和2.70%、4.47%。燕麦箭筈豌豆2:1间作显著提高了土壤有机质含量，较单作提高了1.2%-79.02%。油菜高丹草混作在施化肥处理下的有机质含量较单作提高了1.43%-20.00%；间作结合施肥显著提高了土壤总有机碳和活性有机碳含量，其中微生物量碳含量提升显著，高达52.21%，施用有机肥的农田显著增加了土壤可溶性有机碳和微生物量碳含量。油菜间作箭筈豌豆、玉米提高了农田有机质含量，较单作提高了2.27%-27.68%。在马铃薯-燕麦轮作农田中，不同肥料配施均显著提高了0-100cm土层的土壤含水量，秸秆覆盖的土壤含水量最高，生物炭次之，较不施肥提高了11.4%-30.39%。禾豆间作有效提高耕层土壤含水量。轮作和肥料类型对细菌含量影响较小，对放线菌和真菌的比例影响相对较大。不同间作组合均可以有效地提高作物产量，增幅为12.92%-56.3%。在生态脆弱区，通过多样化的种植模式（间混作、轮作），改善土壤性状，提高了土地利用效率和作物产量，丰富了系统生物多样性，提高农业生态系统服务价值，为推进我国北方生态脆弱地区农业的可持续发展提供了理论参考。