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。     

春季解冻期降雨对黑土坡面侵蚀影响研究

为开展我国东北地区关于冻融作用对春季降雨与未完全解冻土壤侵蚀关系的定量研究,对东北黑土室外冻结,室内表层融化下部冻结,在此冻融条件下对其进行室内模拟降雨试验,研究了春季解冻期黑土在不同含水率、不同解冻深度及降雨量条件下的侵蚀特征.结果表明:在春季解冻期,由于冻融作用,黑土坡面土壤解冻不完全、渗透能力差.此时降雨的侵蚀能力较强,导致这一时期坡面土壤侵蚀严重,土壤坡面侵蚀量受到含水率、降雨强度和解冻深度等因子的综合影响,并随三者变化呈现不同的侵蚀规律.     

冻融条件下土壤中水盐运移机理探讨

土壤冻融过程中的水盐运动是冻土学研究的基本问题之一。在土壤冻融过程中,存在着水分和盐分的2次迁移过程,形成了特殊的水盐运动规律。土壤冻结过程中盐分的运动非常复杂,受土壤类型、土壤初始含水量、土壤溶液浓度、盐分组成以及冻结生成的温度、热梯度、冻结速度、冻结方向等因素影响,其迁移结果最终是上述各因素共同作用的结果。温度是导致土壤中水分迁移的驱动力,土壤冻结引起冻结带土水势降低,导致水分不断向冻层迁移,随着水分向冻层聚集,冻层以下土层中的盐分同步向上运移,整个冻层的土壤含盐量明显增加。在融化过程中,随着地表蒸发逐渐强烈,使冻结过程中累积于冻结层中的盐分,转而向地表强烈聚集,使表层的盐分含量急剧上升。     

冻融作用对黑土区侵蚀沟发育的影响

[目的]冻融作用是黑土区的主要自然现象之一。研究黑土区冻融作用对侵蚀沟发育的影响,以便防止冻融侵蚀,保护黑土资源。[方法]采取室内试验与野外定点定位观测相结合方法,开展冻融作用对黑土物理性状、冻胀量以及侵蚀沟岸冻裂融塌的试验观测。[结果]冻融作用使土壤水分增加,容重减小,孔隙度增大,土壤团聚体总量降低,冻胀量加大。[结论]冻融作用导致土壤抗蚀能力降低,是加剧侵蚀沟发育的主要影响因素之一。     

冻融条件下沙丘土壤水分物理性提升的试验研究

基于乌兰敖都试验站内土壤冻融试验,探讨不同外界条件下土壤冻融作用对土壤中水分迁移的影响。结果表明:土壤冻结作用可以增加水分的迁移量,从而提高冻融层土壤水分含量,0-30cm和100-140cm深度土壤中水分迁移受冻结作用的影响比较显著,分别迁移了87.6,210.9mm,30-60cm和60-100cm深度受到的影响较小;冻融期内,稻草覆盖减小了水分向土壤上层迁移或者向下层的入渗;初始地下水埋藏较深能导致土壤水分迁移量变大。通过探究土壤冻融对水分物理性提升的影响作用,测定其提升数量,合理利用其提升的水分,改善固沙植被区浅层土壤水分条件,有利于固沙植物的生长和其他植物物种的侵入,提高固沙植被区的物种多样性,建立持久稳定的固沙植被。     

影响冻融土壤水分入渗特性主要因素的试验研究

以冻融期间大田自然冻融土壤入渗试验为依据,分析讨论了影响冻融土壤水分入渗特性的主要因素。试验结果表明,冻融条件下,土壤水分入渗特性不仅受非冻结土壤基本理化特性（土壤结构、土壤质地、、土壤含水量等）的影响,还受冻融土壤的冻层厚度、冻层层位、冻层层数等特有因素的影响;在给定土壤质地条件下,土壤结构、土壤含水量、冻层厚度和冻层层位是其主导影响因素,冻层层数对土壤入渗能力也有一定影响。研究结果可为冻融土壤入渗特性的进一步研究奠定基础;可供季节性冻土区冬春灌溉参考。     

我国冻融侵蚀现状及防治对策

冻融侵蚀普查是水利普查中水土流失普查的重要内容之一。在冻融侵蚀普查工作中,采用我国自主建立的冻融侵蚀评价模型和评价指标体系,获得了全国冻融侵蚀强度、面积和空间分布情况数据,揭示了我国冻融侵蚀的空间分布特征。成果显示:我国冻融侵蚀区总面积为172.48万km2,其中轻度以上冻融侵蚀面积为66.096万km2,分别占我国陆地国土面积的17.97%和6.89%。在冻融侵蚀分布的8个省(区)中,西藏的冻融侵蚀面积最大,约占全国冻融侵蚀面积的48.90%,其余省(区)冻融侵蚀面积由大到小依次为青海、新疆、四川、甘肃、内蒙古、黑龙江、云南。     

冻融作用对典型黑土土壤风蚀的影响

东北黑土区农田晚春冻融作用通过改变土壤物理性质而对风蚀作用有重要影响。基于室内冻融模拟试验与风洞试验,分析了东北典型黑土区前期冻融作用对土壤风蚀的影响。试验处理包括3个土壤含水量(16.5%,24.8%,33.0%)、3个风速(9,12,15 m/s)、1次冻融循环。试验过程是先将装有不同含水量土壤的试验土槽进行冻融循环模拟,然后将冻融后的土壤在室温下自然风干(至其土壤含水量为6.0%～7.0%)后进行风洞试验。结果表明:前期土壤冻融作用显著增加了风蚀量和输沙量,试验条件下前期土壤冻融作用使风蚀强度增加23.5%～404.2%,使平均输沙率增加59.1%～305.3%,其增加幅度受土壤含水量和风速影响。同时有、无前期冻融作用处理下,风蚀强度和风蚀输沙率皆随风速的增加而显著增加,且风蚀强度随风速的变化遵循幂函数关系。在冻融作用下,不同土壤冻结含水量下土壤风蚀强度和输沙率的增幅排序皆为16.5%33.0%24.8%。风蚀输沙率随地表高度的增加呈指数递减,风蚀输沙主要集中在距地表40 cm的范围内,且冻融作用使风蚀输沙高度增加。     

青藏高原冻融荒漠化退化区分布及影响因素

[目的]青藏高原由于其高海拔、气温低、冻融侵蚀强烈的特点,是冻融荒漠化的主要发生区。探究青藏高原冻融退化区分布及其原因,对该区水土保持工作和生态环境保护具有重要参考意义。[方法]选择植被覆盖度、冻融循环次数、土壤温度日较差、土壤含水量、年降水量和坡度作为冻融侵蚀因子,对2000—2019年青藏高原冻融侵蚀敏感性进行了评价,结合研究期内青藏高原荒漠化趋势,构建了一种判定冻融荒漠化退化区域的方法。[结果]2000—2019年青藏高原冻融侵蚀区总面积为1.531×10⁶ km²,中度及以上敏感性区域面积为9.131×10⁵ km²,占青藏高原总面积的35.92%。青藏高原冻融荒漠化退化区域面积约为1.113×10⁵ km²,主要分布于高原西南部,退化程度以中度退化为主,面积占比为44.35%。[结论]气温上升、湿润指数下降和净太阳辐射增强是青藏高原冻融荒漠化发生的主要自然驱动因素,高原南部部分地区由于气候条件的差异,三者发挥了相反的作用。     

干旱区季节性冻土冻融状况及对融雪径流的影响

利用天山北坡季节性冻土区的军塘湖流域观测场2013年和2014年冻融期冻土深度及各层土壤的温湿度数据,研究季节性冻土的冻融规律及冻融过程中土壤含水量的变化特征,探讨各层土壤水分分布及迁移特征对融雪径流的影响。结果表明:冻融过程中冻土深度会发生变化,且温度不同冻融速率不一;土壤水分的迁移受制于土壤温度的变化,特别是表层10cm土壤温湿度相关性极大;对比2013年,2014年数据,土壤表层10cm内的含水量变化会对融雪水的下渗有调控作用,从而影响下垫面的径流量。研究季节性冻土冻融过程及对融雪径流的影响,会对准确预报融雪性洪水有重要意义。     

冻融循环对黑土容重和孔隙度影响的试验研究

反复的冻融循环会通过改变土壤容重、孔隙度等物理性质而使其侵蚀加剧,该文探讨了土壤容重及孔隙度在冻融循环作用下的变化.试从机理上分析冻融作用对土壤抗蚀性的影响规律.以东北黑土为研究对象,考虑冻融温差和土壤含水率两个影响因素.通过室内冻融试验研究了黑土容重及孔隙度的变化规律.结果表明:随着冻融循环次数的增大,土壤的容重和孔隙度分别呈现缓慢减小及增大趋势,且变化幅度越来越小,最后达到基本稳定的状态;冻融温差越大,冻结温度越低,同一含水率土壤的容重变得更低,而孔隙度相对较高,并且两者的变化量最大;在同一冻融温差下,高含水率土壤经过冻融循环后较低含水率土壤容重更低,而孔隙度更高,且数值的变化量最大.     

冻融循环与沸石掺配对黑土物理性质的影响

冻融循环作用是东北黑土区发生土壤侵蚀的原因之一,施加土壤改良剂是减弱土壤侵蚀的有效方法。该研究以未经冻融循环作用和未经沸石掺配的黑土作为对照,将天然沸石与黑土按不同比例掺配,探究冻融循环作用和沸石掺配对黑土物理性质的影响,研究表明:1)冻融循环作用增大黑土容重、粘聚力、微孔占比、次大孔占比,减小土壤总孔隙度和内摩擦角,沸石掺配可以降低冻融循环作用对除内摩擦角以外土壤物理性质的影响;2)沸石掺配黑土增大黑土容重、粘聚力、内摩擦角、微孔占比,减小土壤总孔隙度,冻融循环作用对沸石掺配黑土的作用会产生负面影响,但是随着沸石掺配比例增大,冻融循环作用的影响减弱。     

极端干旱区土壤呼吸对储水灌溉和冻融循环的响应

[目的] 揭示中国极端干旱区甘肃省石羊河流域储水灌溉与季节性冻融叠加作用下对土壤呼吸的影响,为进一步提高极端干旱区灌溉水资源利用效率和节约灌溉水源提供理论基础和技术支撑。[方法] 按照1 199.4 m³/hm²低灌溉定额分为灌水和非灌水处理,将冻融循环分为冻结期、冻融期和解冻期3个时间段,采用LI-8100土壤碳通量全自动测量系统对各处理地块的土壤呼吸速率进行观测与分析。[结果] 极端干旱区储水灌溉在季节性冻融作用下农田生态系统土壤呼吸速率增强,土壤碳排放量增加,农田生态系统碳循环被改变,有利于作物的生长和提高粮食产量。不同土地利用方式下土壤呼吸速率对水分和温度的响应程度不同。整个冻融过程中土壤呼吸速率呈现出：解冻期>冻结期>冻融期的规律。冻结期、冻融期和解冻期3个时期的土壤CO₂都表现为源,但在夜间极低温度时土壤CO₂由源转化为汇。[结论] 储水灌溉调控了整个冻融期土壤呼吸的过程,改变了极端干旱区农田生态系统的碳循环。在水分与季节性冻融叠加作用下,储水灌溉地块土壤呼吸速率相对未储水地块随温度的波动更为剧烈,但与温度的变化趋势一致,水分加剧了其随温度的波动。     

Effects of successive soil freeze-thaw cycles on nitrification potential of soils

Abstract

In our previous report (Yanai et al. 2004: Soil Sci. Plant Nutr., 50, 821–829), we demonstrated that soil freeze-thaw cycles caused a partial sterilization of the soil microbial communities and exerted limited effects on the potential of organic matter decomposition of soils. In the present study, the effects of soil freeze-thaw cycles on the nitrification potential of soils were examined and the impacts of the freeze-thaw cycles on the nitrifying communities were analyzed. Samples of surface soils (0 to 10 cm depth) were collected, from tropical arable land sites, temperate forest, and arable land sites~ Nitrification potential was assayed by the incubation of soils with or without the addition of 200 fig N of ammonium sulfate per g soil to reach a moisture content adjusted to 60% of maximum water-holding capacity at 27~wC following four successive soil freeze-thaw cycles (-13 and 4°C at 12 h-intervals). Nitrification potential of the soils, in which the decrease in the microbial biomass following the freeze-thaw cycles was less appreciable, was not inhibited by the soil freeze-thaw cycles. On the other hand, the nitrification potential of the soils, in which the decrease in the microbial biomass following the soil freeze-thaw cycles was relatively more appreciable, was clearly inhibited by the freeze-thaw cycles or was undetectable even in the unfrozen control. Surprisingly, nitrate production in the samples of an arable soil collected from Vietnam was inhibited by the addition of ammonium sulfate, and thus the effects of counter-anions of ammonium salts on the nitrification potential of the soils were examined. Since a much larger amount of nitrate was produced in the Vietnam soil with the addition of ammonium acetate and ammonium hydrogen carbonate than that in the soil with the addition of ammonium sulfate, it was considered that ammonium sulfate inhibited nitrification in the soil. These results indicated that ammonium sulfate may not always be a suitable substrate for estimating the nitrification potential of soils. Relationship between soil physicochemical properties and the effect of the soil freeze-thaw cycles on the nitrification potential was evaluated and it was considered that the soil pH(KCI) was likely to be responsible for the difference in the responses among soils, assuming that the pH values changed in unfrozen water under the frozen conditions of soils.     

黄土丘陵区冻融对土壤抗冲性及相关物理性质的影响

在股状水流侵蚀比较发育的黄土丘陵区,土壤可蚀性主要依赖于土壤抗冲能力。为了揭示季节性冻融对土壤抗冲性的影响,该文借助模拟冲刷试验,设置了裸地对照(CK)、黑麦草传统密度(LD)和加倍密度(HD)3种处理,测定并分析了冻融前后土壤物理性质及其抗冲性。结果表明,与冻融前相比,表层土壤容重、团聚体含量和根系密度在3个处理中均未发生显著变化(P<0.05),土壤黏聚力略有下降,而崩解速率在处理CK、LD和HD中分别增加了20.6%、18.8%和7.3%。冻融作用延后了3个处理的主要产沙时间,降低了土壤抗冲能力,增加了冲刷中途泥沙流失速率。与未冻融相比,冻融作用增加了处理CK和LD泥沙流失量为19.41%和6.70%,但对处理HD影响较小(P<0.05)。冻融和根系共同作用在LD和HD处理上分别减少土壤流失量为3.72%和49.39%。该研究期望对完善土壤侵蚀机理提供一定的参考价值。     

冻融循环对风沙土物理性质及抗冲性的影响试验

为揭示冻融循环对土壤物理性质及抗冲性的影响,以内蒙古坡耕地风沙土为研究对象,控制冻融循环次数(0~10次)和土壤质量含水量(6%,9%,12%)2个因素,在室内模拟野外冻融循环和径流冲刷过程,定量分析冻融循环对土壤含水量、容重、孔隙度及土壤抗冲性的影响规律。结果表明:(1)土壤含水量随冻融循环次数增加呈缓慢增加的趋势,增加幅度为0.51%~0.87%,且高含水量土壤增幅比低含水量土壤大;(2)随冻融循环次数的增加,土壤容重和孔隙度分别呈缓慢减小和增大趋势,且变化幅度逐渐降低,最后达到基本稳定的状态,达稳定状态后的土壤容重比未冻融土壤小(0.05±0.01)g/cm~3;(3)当冻融循环次数相同时,高含水量(12%)的土壤容重比低含水量(6%)小,而孔隙度和土壤抗冲性的降低幅度与之相反;(4)冻融循环次数对风沙土抗冲系数具有显著影响,试验土样抗冲性随冻融循环次数的增加呈显著降低趋势,但是第6次冻融循环后,试验土样的含水量、容重、孔隙度及抗冲性的变化均逐渐趋于稳定。研究结果可为季节性冻融区土壤侵蚀机理研究提供参考。     

木质素纤维改良膨胀土的冻融特性及微观机理

高寒区复杂环境场是渠基膨胀土劣化的主要原因，渠基膨胀土改良是保障渠系工程安全运行的重要手段。为探索冻融循环下膨胀土的纤维改良效果，以北疆某引调水工程为背景，开展木质素纤维改良膨胀土的系列室内试验，探明冻融循环下改良膨胀土的体变特性、抗压强度特性、抗拉强度特性及其作用机理。结果表明：相较于未改良试样，冻融循环下改良试样的体积变化率减小了24%～37%；在15次冻融循环后，未改良试样抗剪强度衰减率在42.2%以上，而改良试样抗剪强度衰减率则显著低于29.1%；反复冻融作用并未显著影响试样的压应力-应变关系曲线特征，而是造成试样拉应力-应变关系由“线弹性增长-强化-软化”特征发展为“线弹性增长-软化”特征；木质素纤维的掺入可以有效改善冻融循环下膨胀土的体变特性、抗剪强度特性、抗压强度特性、抗拉强度特性，且当掺量和长度分别为2%和1 mm时，木质素纤维改良膨胀土冻融特性的作用效果最为显著。同时，冻融循环下改良试样内部结构损伤程度显著低于未改良试样，原因在于木质素纤维的存在限制了冻融循环下土颗粒间的错动、重分布，在一定程度上保证了膨胀土内部结构完整性。     

Effects of successive soil freeze-thaw cycles on soil microbial biomass and organic matter decomposition potential of soils

Abstract

Effects of soil freeze-thaw cycles on soil microbial biomass were examined using 8 soil samples collected from various locations, including 4 arable land sites and 2 forest sites in temperate regions and 2 arable land sites in tropical regions. The amounts of soil microbial biomass C and N, determined by the chloroform fumigation and extraction method, significantly decreased by 6 to 40% following four successive soil freeze-thaw cycles (- 13 and 4°C at 12 h-intervals) compared with the unfrozen control (kept at 4°C during the same period of time as that of the freeze-thaw cycles). In other words, it was suggested that 60 to 94% of the soil microorganisms might survive following the successive freeze-thaw cycles. Canonical correlation analysis revealed a significantly positive correlation between the rate of microbial survival and organic matter content of soil (r = 0.948*). Correlation analysis showed that the microbial survival rate was also positively correlated with the pore-space whose size ranged from 9.5 to 6.0 μm (capillary-equivalent-diameter; r = 0.995**), pH(KCI) values (r = 0.925**), EC values (r = 0.855*), and pH (H₂O) values (r = 0.778*), respectively. These results suggested that the soil physicochemical properties regulating the amount of unfrozen water in soil may affect the rate of microbial survival following the soil freeze-thaw cycles. The potential of organic matter decomposition of the soils was examined to estimate the effects of the soil freeze-thaw cycles on the soil processes associated with the soil microbial communities. The soil freeze-thaw cycles led to significant 6% increase in chitin decomposition and 7% decrease in rice straw decomposition (p < 0.05), suggesting that the partial sterilization associated with the soil freeze-thaw cycles might disturb the soil microbial functions.     

冻融条件下土壤水分和速效磷垂直迁移规律

中国东北地区土壤普遍受到的季节性冻融作用会影响土壤中速效磷和水分的垂直分配。通过室内模拟冻融环境,分析了冻融循环条件下黑土速效磷和土壤水分的垂直变化。结果表明:多次冻融循环作用使土壤速效磷随着土壤水分由下层向表层迁移,经30次冻融循环作用后土壤最大含水率和土壤最大速效磷含量均出现在3 cm层;土壤初始含水率越高,冻融作用后向土壤表层迁移的速效磷含量越大,但随着冻融循环次数增加,土壤各层速效磷含量都有所下降,1次冻融作用后,土壤速效磷的最高含量为50.63 mg/kg,30次后最高含量为43.81 mg/kg,减少了13.5%;利用多元回归分析分别得出了冻融循环后土壤含水率和速效磷与初始含水率、冻融循环次数和土层深度的关系函数,相关系数分别为0.892,0.578。上述研究成果为季节性冻融区非点源污染及土壤盐碱化防治奠定理论基础。