海河流域干旱对典型农田土壤生态系统演变的影响机理

摘要

海河流域是我国重要的粮食生产基地，而流域干旱频发、多发、连发、并发的特征，严重影响到农田土壤生态系统的生产能力和稳定性。水循环的极端情况(干旱和洪涝)对土壤生态系统的稳定性威胁极大；农田土壤生态系统是人工生态系统，其状态不仅与气候、地形地势等密切相关，还受到人类活动的强烈影响，系统变化较为复杂；而当前水文学、农学和气象学对水资源的研究主要集中在地表水、地下水、灌溉效率和大气水循环等方面，对农田土壤水循环的研究相对薄弱。因此，在流域气候-水文-生态相互作用机制日益复杂的背景下，海河流域干旱对农田土壤生态系统的影响机理、农田不同时期适宜土壤水分阈值、农田土壤生态系统干旱对产量的影响等是理论和实践中亟需解决的核心问题。
　　 本文以水文学和生态学为理论基础，以水分运移与土壤生态系统的相互作用机制为理论框架，以点面结合的原型观测实验、数理统计、地理信息技术为关键支撑，系统识别了人类活动强烈影响下农田土壤生态系统各属性间的相关性，剖析了海河流域夏季干旱对夏玉米田土壤生态系统的影响机理，以此为基础确定了现状和气候变暖模式下夏玉米不同生育期的适宜土壤水分条件，提出相应的应对和适应策略。本文可为人们主动适应干旱及气候变化形势，采取合理的农田土壤水分管理措施，维护我国粮食安全，指导水利工程建设及践行“最严格的水资源管理制度”提供理论、技术和应用支撑。
　　 在微观定量和宏观定性相结合的基础上，本文得到以下主要结论：
　　 (1)在人类活动干扰下，与土壤含水量关系密切的土壤属性有土壤颗粒组成、土壤团聚体含量和微生物量；与土壤微生物碳关系密切的有土壤含水量、团聚体含量、有机质含量、全氮含量、碱解氮和速效磷含量；与微生物氮关系密切的有土壤碳氮比、土壤颗粒组成、有机质含量和速效钾含量。
　　 (2)微生物总量随土壤水分减少而显著减少；细菌数量和放线菌数量随土壤水分减少先增加后减少，最适水分条件分别为10％和7％左右；真菌随土壤干旱程度加剧含量一直增加；三大菌群对干旱的耐受程度真菌>放线菌>细菌；底层土壤受干旱影响变化比表层复杂，且底层环境对微生物生存更有利；干旱对微生物群落结构的影响使细菌比例降低，真菌和放线菌比例升高。
　　 (3)基于土壤微生物含量的夏玉米苗期、拔节-抽穗期、乳熟期的适宜土壤水分阈值分别为：12.3-19.3％、13.0％-19.7％和12.6％-20.7％；夏玉米苗期对干旱的耐受性最强，拔节-抽穗期最弱；在气候变暖模式下夏玉米田灌溉阈值为15％左右。
　　 (4)中度干旱下复水，各层微生物量均可恢复，且高于正常水平，严重干旱条件下复水，只有部分土层微生物得以恢复，当土壤达到特大干旱后再复水，各层微生物在短期内都不能恢复；夏玉米不同生育期遭遇农田土壤生态系统干旱对产量的影响不同。
　　 最后，从干旱应急管理、干旱风险管理和供需水调节等方面提出海河流域农田土壤生态系统干旱的应对和适应策略。