東北地理所在土壤障礙因子解析及其精準(zhǔn)管理分區(qū)研究取得新進(jìn)展
障礙因子解析及其管理是鹽堿地治理與利用領(lǐng)域的重要課題。東北是我國五大鹽堿地分布區(qū)之一，面積高達(dá)765萬公頃。松嫩平原是蘇打鹽堿地最大的集中分布區(qū)，土壤鹽分組成以NaHCO3與Na2CO3為主，土壤理化性質(zhì)惡劣，作物產(chǎn)量低，治理難度大、時(shí)間長(zhǎng)、見效慢。針對(duì)這一問題，中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所依托吉林大安農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，開展了蘇打鹽堿地土壤障礙因子解析及其管理研究，近期主要研究進(jìn)展如下：
傳統(tǒng)的土壤障礙因子鑒定方法，常以播種前土壤特征為自變量，以作物產(chǎn)量為因變量，利用多元統(tǒng)計(jì)方法量化作物產(chǎn)量與土壤特征的定量關(guān)系而解析出土壤主導(dǎo)障礙因子。這些被鑒定的土壤主導(dǎo)障礙因子，常作為關(guān)鍵變量，或者直接通過主成分分析等降維方法將播種前的土壤特征變換提取出主成分作為關(guān)鍵變量，而被用于劃分土壤精準(zhǔn)管理區(qū)。然而，作物敏感生育期（例如抽穗開花期）土壤特征對(duì)于作物產(chǎn)量的影響可能要大于播種前土壤特征對(duì)于作物產(chǎn)量的影響。基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出將作物敏感生育期土壤特征納入研究體系，能夠提升對(duì)于土壤主導(dǎo)障礙因子鑒定、作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)精度以及土壤管理區(qū)劃分適宜性的假說。
研究團(tuán)隊(duì)選取一系列不同改良方式及年限的蘇打鹽堿地水田，以水稻抽穗開花期為例，研究作物敏感生育期土壤特征在障礙因子解析、產(chǎn)量預(yù)測(cè)精度以及土壤管理區(qū)劃分適宜性方面的作用及意義。于泡田前調(diào)查分析土壤物理化學(xué)特征，于抽穗開花期調(diào)查分析土壤化學(xué)特征，于收獲期調(diào)查水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成，采用分類回歸樹模型量化并比較了傳統(tǒng)障礙因子解析方法與納入不同自變量的解析方法（圖1）。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法（僅納入泡田前土壤特征）對(duì)于產(chǎn)量的總解釋力為77.5%，泡田前0-10cm土層碳酸根離子為水稻產(chǎn)量的單個(gè)最大解釋力變量（53.4%）。而納入抽穗開花期土壤特征與產(chǎn)量構(gòu)成，無論納入泡田前土壤特征與否，對(duì)于水稻產(chǎn)量的總解釋力提升至81.3%。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘發(fā)現(xiàn)，只要納入抽穗開花期土壤特征，無論納入泡田前土壤特征及產(chǎn)量構(gòu)成與否，抽穗開花期0-10cm土層殘余碳酸鈉均為水稻產(chǎn)量的單個(gè)最大解釋力變量（60.5%），可被鑒定為土壤主導(dǎo)障礙因子。
圖1蘇打鹽堿地水田不同土壤特征及產(chǎn)量構(gòu)成解釋水稻產(chǎn)量變異性的回歸樹
進(jìn)一步采用相對(duì)方差、變異系數(shù)及方差分析比較傳統(tǒng)土壤管理區(qū)劃分方法與納入不同自變量的管理區(qū)劃分方法，發(fā)現(xiàn)相比于其他管理區(qū)劃分方法，納入水稻抽穗開花期土壤特征及水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的管理區(qū)劃分方法的水稻產(chǎn)量相對(duì)方差更高，管理區(qū)內(nèi)水稻產(chǎn)量及其主導(dǎo)因素的變異系數(shù)降低，判別管理區(qū)之間的重要土壤及水稻參數(shù)的能力有所改善。
圖2 傳統(tǒng)管理區(qū)劃分方法框架圖及改進(jìn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)
研究結(jié)果證實(shí)，納入抽穗開花期土壤特征，可通過增加鑒定出的土壤主導(dǎo)障礙因子解釋力而提高對(duì)于水稻產(chǎn)量的預(yù)測(cè)精度，從而可提高管理區(qū)劃分的適宜性。這凸顯了作物敏感生育期土壤特征在障礙因子解析及管理區(qū)劃分研究中的重要性，對(duì)于靶向消減土壤主導(dǎo)障礙因子與精準(zhǔn)調(diào)控作物產(chǎn)量具有重要的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。這些結(jié)果在更多的土壤類型及氣候條件鼓勵(lì)下開展研究，進(jìn)一步驗(yàn)證作物敏感生育期土壤特征在障礙因子解析、作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)精度以及管理分區(qū)方面的重要作用及意義（圖2）。
該研究由東北地理所王明明副研究員、梁正偉研究員（通訊作者）、澳大利亞阿德萊德大學(xué)Pichu Rengasamy研究員、沃加沃加農(nóng)業(yè)研究所（Wagga Wagga Agricultural Institute）Ehsan Tavakkoli博士等共同完成。
相關(guān)成果發(fā)表在Land Degradation & Development上。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0501200）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41101304）、山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2019JZZY010726）、中科院STS項(xiàng)目、西部計(jì)劃及創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作伙伴計(jì)劃項(xiàng)目（KFJ-STS-ZDTP-029; KZCX2-XB2-13; KFJ-SW-STS-141-01; Y2B1001001），研究所一三五暨特色研究所服務(wù)項(xiàng)目、中科院黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2016ZKHT-07）以及國家留學(xué)基金委項(xiàng)目（201904910143）等支持。
論文信息：
Wang MM, Rengasamy P, Wang ZC, Yang F, Ma HY, Huang LH, Liu M, Yang HY, Li JP, An FH, Li YY, Liu XL, Liang ZW. 2018. Identification of the most limiting factor for rice yield using soil data collected before planting and during the reproductive stage. Land Degradation & Development, 29:2310–2320.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ldr.3026
Wang MM, Tavakkoli E, Rengasamy P, Huang LH, Ma HY, Yang F, Wei TJ, Lu XR, Xu ZC, Fang YY, Liang ZW. 2021. Management zone delineation based on soil properties measured during the reproductive stage of rice in the field. Land Degradation & Development, 32:3106–3121. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ldr.3971
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