冻融对东北黑土硒酸盐吸附解吸的影响

为探究冻融过程对东北黑土硒酸盐(Se(Ⅵ))吸附、解吸的影响机理,通过室内不同初始含水率及冻融次数模拟冻融循环,随后利用冻融后土壤进行Se(Ⅵ)的吸附和解吸试验,分别采用Langumuir和Freundlich方程对Se(Ⅵ)吸附过程进行拟合。结果表明:冻融显著(P <0.05)改变了东北黑土pH值、有机质、球囊霉素相关土壤蛋白及各粒级团聚体含量,冻融后土壤Se(Ⅵ)吸附量显著高于未冻融土壤。通过拟合发现东北黑土对Se(Ⅵ)的吸附更符合Langmuir模型(R2> 0.967),高初始含水率及冻融循环次数均增加了冻融后黑土对Se(Ⅵ)的最大吸附量及缓冲容量,同时提高了Se(Ⅵ)的解吸率。70%含水率及多次冻融循环提高了黑土对Se(Ⅵ)的吸附潜能,促进Se(Ⅵ)的解吸,使得冻融后土壤硒的生物有效性增加,有利于作物根系对硒的吸收。     

冻融作用对黑土重金属Zn形态转化的影响

通过对重金属Zn污染的黑土进行冻融频次和不同含水量的实验研究得到,随着冻融次数的增加,重金属Zn交换态含量,铁锰氧化物结合态含量和有机结合态含量均呈不同程度的降低趋势,残渣态含量明显增加,表明冻融作用可使土壤重金属Zn生物有效态含量降低。重金属Zn各赋存形态含量与土壤所经历的冻融次数之间呈二次多项式的函数关系,相关系数在0.948和0.988之间。随着土壤含水量的增加,冻融作用对重金属Zn交换态含量影响不大,铁锰氧化物结合态含量降低,有机结合态含量增加,而残渣态含量明显增加。     

冻融交替对不同施肥水平的黑土中氮磷元素含量的影响

为探究冻融交替对不同施肥水平的黑土中氮磷元素含量变化的影响,对东北地区的黑土进行了模拟冻融处理,并分析其氮磷指标（总氮磷、有效氮磷）的变化。结果表明,冻融交替处理后黑土中全氮的含量会降低,而有效氮和有效磷的含量会提高。单独施加无机肥会加剧冻融交替造成的土壤全氮流失（P<0.05）,5次冻融交替后有效氮含量的增长率降低,有效磷含量的增长率升高。5次冻融交替后,施加有机肥的土壤全氮和全磷含量无显著变化,有效氮和有效磷含量增长率均显著提高（P<0.05）。在寒冷地区冻融条件下的农业生产实践过程中,应适当提高有机肥的施用量,以抑制黑土中氮元素的流失,增强氮磷元素的可用性,保持土壤肥力并降低水体富营养化的风险。     

冻融交替作用对表层黑土结构的影响

通过室内实验模拟冻融交替作用,研究冻融交替作用对表层黑土结构的影响。结果表明:1)冻融作用使表层黑土体积增大,导致表层黑土密度降低,土壤大团聚体破碎为小团聚体,团聚体的平均质量直径减小,团聚体稳定性能降低;2)土壤含水率大小、冻融循环次数是土壤结构破坏程度的重要影响因素;3)冻融作用破坏了表层黑土物理性状,降低了黑土黏聚力和抗冲能力,致黑土区春季产生严重的冻融侵蚀。     

农田黑土氮素转化特征对冻融作用的响应

为了深入了解非生长季农田黑土氮素转化过程,采用室内冻融模拟培养试验研究了不同冻融因子[冻融温度(冻结温度:-3、-6、-9、-12、-15℃;融化温度:2、5℃)、冻融循环次数(1、3、6、10、15;其中在-3℃冻结6 d、2℃融化1 d为1个冻融循环次数)、水分含量(10%、20%、30%)]对农田黑土无机氮组分含量及氮素转化速率的影响。结果表明,较大的冻融温差(-15℃/2～5℃)、适宜的冻融循环次数(1～3)和水分含量(20%～30%)是影响农田黑土氮素转化的主要驱动因子。冻融土壤铵态氮含量、硝态氮含量、净氮矿化速率和硝化速率均随着冻结温度降低显著增加,均随着融化温度升高无显著性变化。随着冻融循环次数增加,冻融土壤铵态氮含量、硝态氮含量、净氮矿化速率和硝化速率均显著降低。随着水分含量增加,冻融土壤铵态氮含量显著增加,这与硝态氮的变化趋势相反,而净氮矿化速率和硝化速率均无显著性变化。可见,冻融作用显著促进非生长季农田黑土氮素转化,有利于土壤有效氮的累积。     

不同尺度下冻融作用对东北黑土区产流产沙的影响

通过对东北黑土区坡面8年和小流域7年的降雨产流产沙过程观测,对比每年受冻融作用影响的降雨和其余不受冻融作用影响的降雨产流产沙的特征,研究冻融作用在坡面和小流域尺度上对东北黑土区产流产沙的影响,为东北黑土区在冻融作用下多尺度土壤侵蚀定量评价及其转换模型的建立提供科学依据。结果表明:冻融作用减小了坡面和小流域的产流,径流系数分别减小0.07和0.03,坡面产流延迟71.7%,而小流域无明显延迟。坡面和小流域土壤流失量、土壤可蚀性K值及含沙量均显著增加,更易在较小降雨侵蚀力下产生较大流失量;与不受冻融的降雨事件相比,受冻融影响的降雨事件因径流减弱,在相同降雨量下的侵蚀量低,而在相同径流深下的侵蚀量高。冻融作用在径流较小时对坡面细沟的发育及产沙影响明显,在径流较大时对小流域切沟中松散堆积物的搬运及产沙影响明显。     

农田黑土季节性冻融过程及其水分分布特征

秋冬、冬春季节转换过程中0~10 cm农田黑土温度日较差较大,土壤经历着反复的冻融交替过程,大于20 cm的土壤温度日较差逐渐减小,冻融作用对深层土壤的影响逐渐减弱。融冻期土壤融化过程是由地表向下和由季节冻结层底面向上两个方向同时进行;而冻融期土壤冻结过程由土壤表面向下单方向进行。冻融过程中土壤水分发生迁移而重新分布,冻结期上层土壤首先冻结并聚集水分;融化期冻层融化水分向冻结锋面迁移,越靠近冻结层水分含量越大。     

季节性冻融期不同秸秆还田方式下黑土温度特征

[目的] 为探究不同秸秆还田方式对季节性冻融期黑土温度的影响。[方法] 通过田间温度监测,以大豆田为研究对象,设置秸秆覆盖还田(FG)和秸秆翻混还田(FH)2种还田方式,还田量分别为秸秆总量的30%(59 670 kg/hm²),60%(119 340 kg/hm²),90%(179 010 kg/hm²),并设置裸地为对照(CK)共7种处理。各处理自地表向下沿土壤垂直剖面分别设置5,10,20,30 cm 4个土层深度,分析冻融期不同秸秆还田方式及还田量下土壤温度变化特征。[结果] (1)秸秆还田使土壤进入不同冻融阶段的时间滞后于裸地,且有效提高土壤最低温度和降低最高温度的变化范围,其中最大提温、降温率均发生在FG90处理,分别为3.0~6.1,1.5~5.2 ℃。(2)秸秆还田减弱土壤的温度变异性和与气温的相关性,最大变异系数和相关系数发生在裸地5 cm土层,分别为6.54,0.82;最小发生在FG90处理30 cm土层,分别为0.82,0.26。土壤温度变异性大小关系为CK>FG30>FH30>FH60>FG60>FH90>FG90,土壤温度与气温相关性大小关系为CK>FH30>FG30>FH60>FH90>FG60>FG90。(3)裸地冻结和解冻速率最大且冻融周期最短,冻结速率为0.19 ℃/h,解冻速率为0.60 ℃/h,最小冻结速率发生在FH90处理,为0.04 ℃/h,最小解冻速率发生在FG90处理,为0.05 ℃/h。(4)随土层深度的增加,土壤始冻阶段、始融阶段逐渐增加,但冻结时长逐渐减小,FG90处理延缓冻融效果最明显,始冻阶段、始融阶段分别为8,10天。[结论] 研究结果定量描述冻融期不同秸秆还田措施下黑土温度特征,明确不同秸秆还田措施之间对土壤温度影响的差异,对于黑土区秸秆资源合理利用及保护性耕作具有重要指导意义。     

冻融作用对农田黑土有机氮组分的调控效应

为深入了解非生长季农田土壤有机氮库组成及转化特征,采用Bremner氮素分级法研究了室内模拟冻融条件下(冻融温度、冻融频数、水分含量)农田黑土有机氮组分含量的变化行为。结果表明:冻融作用对农田黑土有机氮组分及其转化过程影响显著,氨态氮和氨基酸氮是土壤酸解有机氮的主要组分。随着冻结温度降低,土壤氨基酸氮含量显著增加,氨态氮和未知氮含量均显著降低,而氨基糖氮含量变化行为因融化温度而异。随着融化温度升高,土壤酸解有机氮组分无规律性变化。随着冻融频数增加,冻融土壤氨基酸氮含量显著降低,未知氮含量显著增加,氨态氮含量先增加后降低,而氨基糖氮含量则无显著性变化。随着水分含量增加,冻融土壤氨态氮和未知氮含量均显著增加,这与氨基酸氮的变化趋势正好相反,而氨基糖氮含量则无显著性变化。可见,较大的冻融温差、适宜的冻融频数和水分含量是影响土壤有机氮库转化的主要驱动因子。冻融作用能够提高土壤酸解有机氮中氨态氮和氨基酸氮的含量及其分配比例,增加土壤可矿化氮量,促进土壤氮素转化,有利于土壤有效氮的累积,为春季作物生长提供足够的氮素。     

冻融交替对黑土氮素转化及酶活性的影响

以黑土为试验材料,通过室内培养实验,研究了不同冻融循环(-25—5℃、-10—5℃)对黑土氮素转化速率和土壤酶活性的影响。结果表明:随着冻融频次的增加,铵态氮含量和硝态氮含量均逐渐增加。除了中强度冻融(-10—5℃)的土壤铵态氮在培养第1周期内的含量最低外,剩余培养周期内,铵态氮含量均表现为中强度冻融(-10—5℃)高强度冻融(-25—5℃)对照组(5℃);硝态氮含量对不同冻融温度的响应差异显著。与对照组相比较,冻融循环整体上降低了土壤的矿化速率和硝化速率,但实验末期有促进硝化的趋势,不同强度冻融对矿化速率和硝化速率影响显著。受土壤温度和冻融交替的影响,土壤的脲酶活性和转化酶活性均低于对照组,且脲酶活性和转化酶活性均表现为中强度冻融高强度冻融(第1周期除外)。综上,冻融作用对黑土的供氮能力和土壤酶活性具有重要影响。     

耕作方式对辽西褐土区土壤穿透阻力的影响及机理

为了探明耕作方式转变对土壤物理性质的影响,研究设置田间定位试验,监测长期旋耕转变为免耕和深松耕后土壤容重、水分和穿透阻力的变化特征。试验设免耕（no tillage,NT）、深松（subsoiling,SS）、旋耕（rotary tillage,RT）3个处理,在玉米生长季监测土壤含水量、容重和穿透阻力动态,定量并分析土壤穿透阻力对含水量和容重变化的响应。结果表明,玉米生育期NT处理的土壤容重保持相对稳定,RT和SS处理容重逐渐增大;与RT和SS处理相比,NT处理增加0—30 cm的容重、0—45 cm的含水量和0—15 cm的穿透阻力,但在干旱时期降低15—45 cm的穿透阻力,避免了土壤紧实对玉米的胁迫。基于含水量和容重参数,建立了预测土壤穿透阻力的指数模型,其P<0.001,R²为0.77。模型结果表明,当容重>1.4 g/cm³且含水量<0.13 cm³/cm³时,土壤穿透阻力将大于限制作物生长的阈值（2 MPa）;在含水量<0.2 cm³/cm³时,土壤穿透阻力对含水量的敏感性显著高于容重,说明该区域干旱（水分）引起的土壤紧实度增加比压实更为重要。免耕有助于该区域保持土壤水分,同时降低容重增加导致的土壤紧实效应,有利于避免土壤紧实胁迫对作物生长的影响。     

冻融作用对东北黑土磷素吸附-解吸过程的影响

冻融作用对土壤理化性质具有重要影响,从而影响土壤中磷素的吸附—解吸特性。以东北黑土为研究对象,采用室内模拟冻融环境的方法,研究了冻融条件下黑土磷素吸附—解吸行为。结果表明,冻融条件下黑土对磷的吸附规律均随着外源磷浓度增加而逐渐增大,当外源磷浓度为120mg/L时吸附曲线出现明显拐点;与未冻融土壤相比,冻融过程中土壤吸附更多的磷,具有更高的磷素吸附率;外源磷浓度低时,冻融作用对土壤磷吸附影响较大,外源磷浓度高时冻融作用对土壤磷吸附影响降低;冻融条件下磷等温吸附曲线采用Langmuir方程拟合的相关性最优,在连续的冻融循环条件下,土壤磷最大吸附量Pmax值逐渐增大,土壤与磷之间结合能力和磷吸附最大缓冲容量也有同样的趋势。     

长期不同施肥措施下黑土有机碳的固存效应

利用开始于1979年的黑土长期定位试验,研究长期不同施肥措施下土壤有机碳含量演变特征、固碳效应及外源碳输入对土壤固碳的贡献。结果表明:长期单施化肥土壤有机碳含量较试验前下降了11.6%~16.1%,有机肥与化肥配施土壤有机碳含量呈上升趋势,常量有机肥化肥配施(MNP、MNPK)土壤有机碳含量分别上升了6.5%和8.4%,二倍量有机肥化肥配施(M2N2、M2N2P2)土壤有机碳含量分别上升了7.7%和11.6%。不施肥和施化肥土壤有机碳储量呈现亏缺,亏缺量在3.5~6.1t/hm2。有机肥与化肥配施土壤有机碳储量表现为盈余,M2N2P2处理盈余量最高,达到1.9t/hm2。年均有机碳投入量与土壤固碳速率呈显著的线性正相关,表明黑土仍具有一定的固碳潜力。黑土碳投入的转化效率为34.1%,若要维持黑土有机碳库平衡,则每年至少投入1.416t/hm2有机碳。可见,在黑土区增加土壤碳投入(有机肥)仍然是最有效的土壤固碳措施。     

不同黑土生态系统的土壤水分物理性质研究

研究了黑土农田生态系统（无肥、化肥、化肥＋有机肥3种方式）、草地生态系统、裸地生态系统的土壤水分物理性质。结果表明：草地生态系统向无肥农田系统转变过程中，容重、有机质、孔隙度，特征持水量、水稳性团聚体都有恶化的趋势，化肥的投入使其恶化趋势减缓，化肥＋有机肥效果更佳，表明施肥对水分物理性质的作用主要是通过促进植物生长尤其是根系的生物量，继而增加有机质，改善土壤结构，调节孔隙和持水状况。裸地系统下的各性状比农田变得更劣，说明生物措施在改善土壤物理性质方面的重要作用。     

不同耕作方式对砂姜黑土孔隙结构特征的影响

砂姜黑土黏闭僵硬问题突出，耕作是改良其结构的重要措施之一。本文基于安徽龙亢农场砂姜黑土耕作试验基地，采集免耕（No-tillage, NT）、旋耕（Rotary tillage, RT）和深翻（Deep ploughing, DP）处理的原状土柱（高20 cm，直径10 cm），利用X射线CT扫描技术和ImageJ 软件等对土壤孔隙结构进行三维重建和可视化处理，定量分析了不同耕作方式对土壤的孔隙度、孔径大小分布、孔隙形态特征、网络特征以及土壤饱和导水率的影响。结果表明：（1）与免耕相比，旋耕和深翻下土壤的大孔隙度分别增加了192.7%和261.1%（P < 0.05）；与旋耕相比，深翻下土壤大孔隙度增加了23.4%；（2）相较于免耕，旋耕和深翻显著增加了土壤孔隙的水力半径、紧密度、分形维数和全局连通性（P < 0.05），显著降低了各向异性程度和欧拉数（P < 0.05），土壤饱和导水率得到显著提升，且深翻的改良效果总体优于旋耕；（3）相关分析表明土壤饱和导水率与除水力半径外的孔隙结构特征参数均存在显著相关（P < 0.05），其中与连通性最大孔隙度的相关性最高（r=0.833**，P < 0.01）。综上所述，深翻扩大了土壤孔隙的水力半径，改善了连通性，提升了复杂程度，从而构建了相对良好的土壤孔隙形态和网络结构，提高了导水能力，消减砂姜黑土结构性障碍效果显著。     

东北黑土区丘陵漫岗夏季坡面土壤水分差异分析

在7月雨季过后,用TDR在典型黑土区小流域做土壤水分调查。结果显示:小流域坡面从下部到上部,表层10 cm土壤水分含量变化幅度最大。在深度上,表层10 cm水分含量最低,0~30 cm内由上到下水分迅速增加,从30 cm以下到100 cm趋于稳定。坡面3个部分中,在表层10 cm水分含量下部最高,中部次之,上部最低;20 cm土层水分含量上中下3部分相差无几,而在30 cm以下到100 cm,土壤水分含量由高到低基本上是上部、下部和中部。坡面上的林带在相同条件下土壤含水量显著低于豆地,但因为宽度只有10 m左右,从变化趋势来看其影响深度仅在1 m以内。沟底林带地势低,表层水分较高,因宽度大而影响深度要超过1 m。麦地和豆地相比,土壤水分含量较低。     

不同含水量及冻结温度对黑土冻融循环过程有机碳矿化的影响

[目的] 冻融过程土壤呼吸在年土壤呼吸总量中占有重要比例,研究探讨土壤冻融过程中含水量、冻结温度和冻融循环次数对土壤碳矿化动态的影响。[方法] 以黑龙江省嫩江县鹤山农场九三水土实验站黑土为研究对象,开展室内冻融程度模拟试验,进行7次冻融循环,设置100%田间持水量(100%WHC)、60%田间持水量(60%WHC)和30%田间持水量(30%WHC)3种土壤含水量;10 ℃恒温处理(对照)、-5 ℃冻结处理(轻度冻结)和-15 ℃冻结处理(重度冻结)3种环境温度。[结果] 冻融循环次数、含水量和冻结温度对CO₂排放量有显著影响,影响度分别为-0.63,0.21,0.14。解冻过程显著增加土壤碳矿化量;轻度冻结时,前3次冻融循环60%WHC土壤碳矿化量比100%WHC和30%WHC分别提高33.0%,35.2%,后4次冻融循环差异不明显;重度冻结时,前2次冻融循环100%WHC土壤碳矿化量,比60%WHC和30%WHC土壤分别提高25.2%,68.0%,后5次冻融循环差异不明显。[结论] 冻融循环次数对土壤CO₂排放量影响最大,含水量次之,冻结温度最小。冻融作用增加低含水量土壤的CO₂累积排放量;降低高含水量土壤的CO₂累积排放量;而对中等含水量土壤,轻度冻结增加CO₂累积排放量,重度冻结降低CO₂累积排放量。一级动力学方程对冻融土壤CO₂排放量的拟合效果较好(R²>0.997),含水量和冻结温度对有机碳矿化潜力C₀值有显著影响。     

不同耕作方式对砂姜黑土物理性质和玉米生长的影响

砂姜黑土结构不良是影响其生产力的主要限制因子。为改良其土壤结构,基于安徽龙亢农场砂姜黑土耕作定位试验基地,设置免耕、旋耕、深松和深翻四种处理,研究不同耕作方式对砂姜黑土0～40 cm土层土壤物理结构、玉米根系发育及其产量的影响。结果表明:1)在玉米生育期内,免耕处理下0～40cm土壤平均容重和紧实度分别为1.52～1.57g·cm~(–3)和926～1 748 kPa,高于其他耕作处理;0～10 cm土层有效水分库容和饱和导水率低于其他耕作处理,分别仅为0.12 cm~3·cm~(–3)和3.5×10~(–5)mm·min~(–1);根系发育受到明显抑制,根长密度和根干物质的量密度较其他耕作方式分别降低42.5%～117%、35%～73.9%;2016—2017周年作物产量较深松和深翻降低8%～12%。2)与旋耕和深松相比,深翻处理下10～20cm土壤容重和10～30 cm土壤穿透阻力分别降低至1.39～1.51 g·cm~(–3)和725～1 575kPa,0～10 cm土壤饱和导水率显著提高至4.15×10~(–2) mm·min~(–1),0～20 cm土壤有效水分库容提高至17.9%～18.4%,促进了0～10 cm土层根系发育,具有较好的增产效果。3)相关分析表明根长密度与土壤容重(r=–0.74**,P 0.01)和穿透阻力(r=–0.73**,P 0.01)呈极显著负相关关系。综上所述,深翻改良砂姜黑土结构效果明显,有利于作物生长,为该区较适宜的耕作模式。     

黑土区水蚀坡耕地土壤穿透阻力时空变异特征及传递函数

[目的] 为探明侵蚀坡耕地黑土硬度的时空特征及关键驱动因素。[方法] 基于典型水蚀坡耕地110个样点土壤穿透阻力动态监测及其相关因素的测定,在阐明土壤穿透阻力时空特征的基础上,利用多元线性回归(MLR)和随机森林(RFR)模型分析土壤穿透阻力的影响因素,并进一步构建其传递函数。[结果] 土壤穿透阻力时空变异性受土层深度、水分条件及农事活动等因素的综合影响,耕作层土壤穿透阻力空间上的异质性显著低于亚表层,变异系数分别为17.4%和26.3%。随土壤由湿变干和距离翻耕的时间增加,空间异质性呈增强趋势。土壤侵蚀影响土壤穿透阻力,强烈侵蚀区土壤穿透阻力高于沉积区,特别是在湿润条件下,差异更为显著(p<0.05)。与自然林地相比,所研究坡耕地73%样点的土壤穿透阻力增加,尤其在强侵蚀区。土壤含水量、容重和有机碳(SOC)是土壤穿透阻力的主要影响因素,Pearson系数分别为-0.69,0.58,-0.54,三者共同解释土壤穿透阻力88%的变异。RFR模型在土壤穿透阻力预测中表现优于MLR模型,在生长季均值的预测中,R²可达0.91,RMSE仅为91.2 kPa。[结论] 研究结果加深对侵蚀背景下黑土硬度空间分异特征的理解,为黑土压实管控提供理论依据。     

不同地表条件下黑土区坡耕地侵蚀过程中土壤团聚体迁移

土壤侵蚀过程中,土壤团聚体的迁移反映了团聚体的破碎程度及径流的搬运能力,直接影响着侵蚀强度.以东北典型薄层黑土区耕层土壤为研究对象,采用模拟降雨试验方法,研究裸露休闲、纱网覆盖与秸秆覆盖3种地表条件下不同粒级(>5 mm,2～5 mm,1～2 mm,0.5～1 mm,0.25～0.5 mm和<0.25mm)土壤团聚体的迁移特征.结果表明:(1)纱网覆盖与秸秆覆盖具有削减径流和抑制侵蚀的作用,其中抑制产沙作用更明显,减沙率分别为75%和99%以上;(2)3种地表条件下,<0.25 mm团聚体是主要的流失粒级,其占到团聚体流失总量的50%以上;各粒级流失量均表现为:裸露休闲>纱网覆盖>秸秆覆盖;(3)纱网覆盖和秸秆覆盖下的团聚体粒级分布与裸露休闲的相比,差异较为明显的均是<0.25 mm粒级,该粒级流失量较裸露休闲的分别减少74.62%和99%;秸秆覆盖与纱网覆盖之间差异明显的是<0.25 mm与1～5 mm粒级,流失量较纱网疆盖的分别减少97.81%和86.03%;(4)秸秆覆盖下团聚体平均重量直径表现为最大;分形维数和平均重量比表面积均表现为:裸露休闲>纱网覆盖>秸秆覆盖.