第2章 研究区域与定位试验
2.1 研究区域概况
2.1.1 自然和农业经济条件
黄淮海平原是我国最大的平原，其地理位置位于东经112°29′49″至东海岸线，北纬31°21′30″至40°26′10″［图2.1（a）］。包括黄河、淮河、海河流域中下游的京、津、冀、鲁、豫大部分地区及苏北、皖北的部分地区，总面积30万km2。耕地面积2521.38万hm2，占全国总耕地面积的1/6。黄淮海平原是我国粮、棉、油的重要产区。冬小麦/夏玉米一年两熟是该区主要耕作制度（石元春和贾大林，1988）。20世纪90年代初，两种作物年平均产量约7500kg／hm2（中国农业部，1992）。自20世纪70年代以来，通过中低产田综合治理，该区已成为中国的粮仓（Shi，2003）。2001年，黄淮海平原区小麦-玉米粮食产量9977万t，分别占黄淮海平原区和全国粮食总产80.0%和27.5%。该地区粮食产量的稳定提高和土地的可持续利用，直接关系到国民经济的长期稳定发展，关系到全国乃至全球粮食安全问题。
图2.1 研究区域和试验点位分布图
黄淮海平原属暖温带半湿润季风气候，年平均气温8～15℃，最冷月平均气温-7～2℃，随纬度的降低年均温逐渐升高。不低于0℃积温为4200～5500℃，不低于10℃积温为3600～4800℃，无霜期170～200天，年日照时数为2100～2800h，热量适于1年2熟。年降水量500～950mm，由于受我国东南季风的影响，年降水量由东南向西北逐渐减少。其中，黄河以北地区年降水量为500～600mm，60%～70%集中在夏季，春旱、夏涝严重。黄淮以南地区年降水量为700～900mm，雨水分布较均匀，但有时会发生伏旱。黄淮海平原浅层地下水埋深的平均值为2.2m，黄河流域最深、淮河流域最浅、海河流域居中。
在大的地貌形态上，黄淮海平原主要包括山前洪积冲积扇形平原、冲积平原以及海积平原，平均海拔为25.3m，总体呈现为西北高东南低的趋势。土壤类型主要是潮土和褐土，分布区土地平坦，土层深厚，土质适宜耕作。此外，还分布有少量棕壤和水稻土。障碍性土壤主要是部分砂土、盐土（滨海）、砂姜黑土（皖北、豫东南）（石元春，1988）。
黄淮海平原总人口30213万，人口密度大（687人／km2），农业人口24711万，人均耕地面积0.083hm2（1.25亩），灌溉面积占62.5%。黄淮海平原是我国新的经济快速增长区，在国家粮食安全、能源、原材料工业和城市化发展等方面具有无可替代的作用。但是，华北平原的人均水资源量只有450m3左右，远低于国际公认的人均水资源危机线，是我国经济发展过程中受水资源制约最严重的地区之一（刘昌明等，1996）。
2.1.2 黄淮海平原施肥措施
20世纪60年代中期以前，我国基本上以有机肥为主（占肥料投入量的80.7%），70年代化肥用量迅速增加，有机肥比重迅速下降。进入80年代后，化肥用量开始超过有机肥用量。此后，农业耕作发生了很大变化：①农业种植规模从土地集体所有制度转到家庭联产承包经营，黄淮海地区人均耕地1.49亩[1]；②化学肥料，尤其是氮肥的广泛使用使得有机肥所占比重迅速下降；③复种指数的提高（1985年达到158.7%），耕地利用强度越来越大；④生产力成本加大，部分农村劳动力转移到其他经济部门；⑤经济回报在农民种植决策中起着十分重要的作用。这些改变极大地提高了农民种植的自主性和积极性。同时，由于国家对黄淮海平原盐碱土壤综合治理和中低产田改造开发，极大地推动了该地区农业的快速发展。由于这些变化，有机肥对作物氮的平均贡献由50年代的80%、70年代的50%下降至目前的30%左右，农业发达地区仅20%或更低。在许多地方，秸秆还田和农家肥施用几乎消失，绿肥的种植面积也在逐渐缩小，其他形式的有机肥料，如城市垃圾农用也越来越不受重视（周鸣铮，1989；沈中泉，1993；汤建东，2002；中国农业科学院土壤肥料研究所，1994）。有机肥施用量减少引发了一些矛盾：一方面，作物的产量在不断提高，土壤中的大量元素钾及其他中微量元素被作物不断带走，仅仅依靠化肥（比例不协调），作物产量很难持续提高；另一方面，黄淮海平原粉黏粒含量少、游离碳酸钙含量高，且农田耕翻频繁，土壤有机质矿化旺盛，加上季节间和季节内干湿交替明显，更促使土壤有机质矿化加强。部分地区由于作物绝大部分生物量被收获带走，有机肥还田量减少使得土壤有机质难以维持平衡（王克孟，1990）。
2.1.3 黄淮海平原土壤有机质状况
黄淮海平原土壤质地由砂粒到黏粒，因来源和地形状况而异。在这一地区，土壤有机质一般低于或在10g／kg左右。研究表明，以目前这种低的土壤有机质水平很难持续提高作物产量（孟凡乔等，2000；张爱君和张明普，2002）。
土壤有机碳含量及其动态平衡也是反映土壤质量或土壤健康的一个重要指标，直接影响着土壤肥力和作物产量的高低。土壤有机质在很大程度上影响着土壤结构的形成和稳定性、土壤的持水性能、植物营养的生物有效性、土壤的缓冲性能和土壤生物多样性等，缓解和调节与土壤退化。众多研究表明，土壤有机质含量与作物产量呈显著正相关，尤其对黄淮海中低产田更是如此（崔风俊，1997；邢恩荣等，1989；孟凡乔等，2000；张爱君和张明普，2002）。因此，土壤有机质是决定和影响该地区作物产量的首要因素。
20世纪80年代以来耕种措施的改变使得土壤有机质变化更为不定，对土壤有机质长期变化而言更是如此。在不同土壤有机质含量、土壤质地、肥料种类与用量、作物轮耕作方式和作物产量水平下，不同的研究者经常得出有争议的结论：土壤有机质有增加（王克孟，1990；曾江海等，1996；王茹等，2001），也有基本不变（崔风俊，1997）甚至减少（王克孟，1990）。长期不施肥，土壤有机质几乎都呈下降趋势（王绍中，1992；古伯贤等，1992；刘春增，1996；王旭东等，2000；张爱君和张明普，2002）。单施化肥土壤有机质含量略有增加（王绍中等，1992；车玉萍等，1992；郝晋珉和牛灵安，1996；宋永林等，2002）或基本不变（车玉萍等，1992；崔风俊，1997；王旭东等，2000；张爱君和张明普，2001，2002），或者下降（马成泽，1990；曾木祥等，1992；刘春增，1996；史吉平，2002；韩志卿等，2000）。有机肥施用或有机肥与化肥配施使土壤有机质含量增加（郝晋珉和牛灵安，1996；严慧峻等，1997；张爱君和张明普，2001，2002；史吉平，2002；宋永林等，2002），但达到一定水平后不再加大肥料投入量后土壤有机质含量将会发生下降（曾江海等，1996）。在同样的施肥和管理水平下，减少耕翻可促进土壤有机质含量的提高而产量基本不变（赵秉强等，1991）。
黄淮海平原区已几乎不存在后备耕地资源，这严重制约了有机物料的潜在产量，进而限制了有机物料的还田量。对作物栽培制度和有机质长期动态的深入认识是制定和评估种植管理策略，获得作物持续高产的关键。因此，获取可靠方法以预测土壤有机质动态显得十分必要。
王维敏等（1988）通过测算土壤有机质的年矿化率、还田有机物的腐殖化速率，采用腐殖化系数0.3及新形成腐殖质分解速率0.246，估算了黄淮海地区土壤有机质含量为0.7%～0.9%的低产田，在适当增施化肥年产量达到500kg以上、年秸秆产量一半以上还田的条件下，5～6年后土壤有机质含量可增加到1%以上。应用单组分可变矿化速率模型（Yang和Janssen，2000），Yang（1996）指出，黄淮海农业地区只有保持稳定的作物根系还田量，才可以维持土壤有机质在1%，要进一步提高土壤有机质含量水平，需要加大绿肥、秸秆或堆肥的还田量。李忠佩等（2002）根据田间测定的有机物质腐殖化系数和土壤有机碳矿化系数，以及统计测算的有机物质投入量，分析了黄淮海平原农田土壤有机碳的平衡状况，结果表明，在目前现实有机物料还田水平下，土壤有机质水平处在略微盈余状况，土壤有机质含量保持稳定。