农田地力水平的高低取决于生产消耗与培育补偿的动态平衡。我国幅员辽阔,由于地理环境、土壤理化性状和耕作管理模式不同,不同区域农田地力存在显著差异。同时在高强度利用条件下,重生产,轻保育,农田地力水平总体处于比较低水平的平衡。面对人口日益增长,国家增粮需求与高强度利用条件下农田地力总体水平低的矛盾,加强农田基础地力培育和挖掘农田生产潜力成为我国急需探索和解决的问题。国家重点基础研究发展计划(973计划)“农田地力形成与演变规律及其主控因素(2011CB100501)”专家组经过反复研究讨论,定义农田土壤基础地力(Basic Soil Productivity,BSP)狭义是指在当地的立地条件、土壤剖面理化性状、农田基础设施建设水平下,经过多年水肥培育后,当季旱地无水肥投入、水田在无养分投入时的土壤生产能力。本研究以973专家组给出的农田基础地力定义为基础,以我国东北黑土粮食主产区农田土壤为研究对象,选择当地主要作物春玉米,利用公主岭黑土肥力和肥料效益长期定位监测点22年(1990-2011年)试验数据和12个黑土区国家级耕地土壤监测点1988-2006年数据,建立时空坐标(以长期试验的时间序列为时间坐标,以黑土区南北纬度梯度带为空间坐标),应用农业技术转移决策支持系统DSSAT(Decision Support System for Agro-Technology Transfer)作物生长模型和构建的基础地力指数模型(BSPI)模拟研究黑土区农田长期不同施肥条件下基础地力的时空演变规律。以多元统计分析方法解析影响基础地力提升的主控因素,并通过大田和盆栽试验进行验证,为我国粮食主产区地力定向培育提供科学依据,对保障国家粮食安全,实现增粮需求具有重要的理论和实际意义。主要结论与结果如下:(1)本研究利用校验好的DSSAT模型模拟不同施肥处理下黑土春玉米20年(1992-2011年)的基础地力产量和地力贡献率,可以很好的表征不同施肥处理的基础地力变化。结果表明,化肥与有机肥或秸秆配施可以显著提高农田基础地力产量,年平均增长率在4.1%-6.0%之间。施用化肥(NPK)、有机肥与化肥(NPKM)、高倍有机肥与化肥(l.5NPKM)和玉米秸秆与化肥(NPKS),4种施肥处理下20年春玉米基础地力贡献率均值分别为76.4%、80.4%、84.7%和74.4%。说明增施有机肥不仅具有增产效应,对培肥地力,提高农田基础地力贡献较大。而长期不施肥CK处理的产量整体呈下降趋势,下降了8.9%。因此,长期定位试验中CK产量的变化不能真实反映施肥条件下农田基础地力的演变特征。(2)利用大田试验和盆栽试验对模拟结果进行验证,结果显示,模型模拟的基础地力贡献率与大田试验实测的贡献率比较接近,归一化均方根差RMSE=5.39%,一致性指数d=0.74。与盆栽试验相比,模拟和实测的基础地力贡献率大小排列次序一致,均为:1.5NPKM>NPKM>NPK>NPKS。有机肥与化肥配施(1.5NPKM、NPKM)两个处理模型模拟值与盆栽试验实测值最接近,误差在8.3%以内。(3)当地农民常规施肥方式下,农田基础地力指数(BSPI)随着时间的变化呈现显著上升趋势(P<0.01);基础地力指数与黑土的纬度分布有关,随着纬度的升高呈现增加趋势。这一变化趋势与黑土有机质、全氮和碱解氮含量随着纬度的升高而增加的空间变化趋势一致。(4)公主岭长期定位试验点基础地力贡献率与土壤有机质含量极显著相关,与全氮、全磷和有效磷也达到了显著的相关水平。吉林和黑龙江12个国家黑土监测点的春玉米农田基础地力指数都与土壤有机碳(SOC)、全氮含量相关性最显著。说明土壤有机碳和氮素是影响东北黑土区农田基础地力的最关键因素。当SOC含量增加1 g kg-1,春玉米农田基础地力产量大约提高220 kg ha-1。(5)NPKM和1.5NPKM处理下,SOC含量均随着施肥年限的增加呈显著上升趋势。到2008年,1.5NPKM、NPKM、NPKS、NPK 4个处理分别比对照不施肥处理(CK)SOC含量增加了65.6%、65.1%、26.0%和21.7%。而CK处理的SOC含量从1990年的12.49 g kg-1下降到2008年的11.67 g kg-1,下降了6.6%。0-20 cm土层SOC储量也提升了12.8%-41.5%。只有长期不施肥CK处理SOC储量从31.0 t C ha-1下降到29.2 t C ha-1,下降了6.2%,说明没有有机物料的投入,仅靠根茬很难维持黑土SOC水平。NPKM和1.5NPKM处理的固碳速率比较高,分别为0.895、0.823 t C ha-1 yr-1。单施化肥虽然也能增加SOC储量,但固碳速率只有0.218 t C ha-1 yr-1。公主岭黑土农田碳的平均转化效率约为0.12,SOC的年分解速率约为0.14。要维持SOC的稳定,每年需维持投入1.17 t ha-1。(6)NPKM和1.5NPKM施肥处理下全氮含量随时间均呈显著上升趋势,尤其是1.5NPKM处理,土壤全氮含量由试验初期的1.43 g kg-1增加到2008年的1.76 g kg-1,提高了21.7%。而NPK和CK处理的全氮含量呈现显著下降趋势,20年分别下降了20.7%和30.3%。NPKS处理19年来土壤全氮含量维持稳定,变化不显著,平均1.33 g kg-1。(7)不施肥CK处理和单施化肥、秸秆还田配施化肥处理土壤速效氮含量呈下降趋势,下降了7.4%-15.0%。而无机有机配施土壤速效氮含量呈上升趋,增加了11.4%-12.5%。不同施肥处理土壤速效氮平均含量(1990-2005年)顺序为1.5NPKM(149.06 mg kg-1)>NPKM(135.07 mg kg-1)>NPK(122.26 mg kg-1)>NPKS(114.56 mg kg-1)>CK(109.06 mg kg-1)。(8)黑土不同施肥处理下土壤C/N随着时间发生了不同变化,其中长期不施肥CK处理和NPK处理C/N值有显著增加,分别由1990年的9.5、8.3上升到2008年的12.7和12.8,提高了33.7%和54.2%。主要原因是19年来SOC含量变化不大,但全氮含量发生了显著下降,因此C/N提升显著。而长期施用有机肥(1.5NPKM和NPKM处理),SOC含量增加显著,同样全氮含量也显著增加,使C/N值有升高,但不如CK和NPK处理升高那么显著。分别由1990年的10.1、9.5上升到2008年的11.1和12.2,提高了9.9%和28.4%。秸秆还田处理(NPKS)使耕层土壤有机质含量缓慢增加,而全氮含量变化不大,因此C/N也呈现缓慢升高趋势,提高了23.3%。