基于计算流体力学分析的蔗田土壤优先流运动过程研究

田间土壤优先流会导致水肥的快速运动,影响作物的吸水需肥效率。为定量探究农田土壤优先流的运动过程,以广西典型农地蔗田为研究对象,将野外染色示踪试验与室内土柱入渗模拟实验相结合,利用形态学解析与计算流体力学的分析方法,对不同耕作方式下蔗田的土壤优先流运动过程进行仿真模拟与分析。结果表明:1)免耕蔗田土壤垂直剖面染色形态较垄耕蔗田分化程度高,其湿润锋迹线波动幅度较大,水流入渗能力更强,优先流现象显著,且分布相对更广泛。2)在相同外部供水条件下,免耕蔗田土柱的初始出流时间(6 min 1 s)早于垄耕蔗田(8 min 20 s),其质量流率和优先流流速分别是垄耕蔗田的1.09和1.36倍(P<0.05)。3)相同时间内免耕蔗田表层(0～10 cm)的压力值较大,水流运动达到稳态时其均值为垄耕蔗田的1.20倍,免耕蔗田优先流以垂向运动为主并伴随侧向运动,而垄耕蔗田则呈现水流整体均匀向下入渗。     

轮耕对宁南旱区土壤理化性状和旱地小麦产量的影响

为了探索免耕/深松隔年轮耕对土壤理化性状及冬小麦产量的影响,2007年至2010年在宁南旱区采用免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松与连年翻耕3种耕作模式,对土壤容重、团聚体、养分及小麦产量等进行了研究。结果表明:与传统耕作相比,免耕/深松/免耕和深松/免耕/深松模式显著(p<0.05)降低土壤容重,改善了土壤的孔隙状况;两种轮耕模式可显著(p<0.05)增加0～40 cm各土层2～0.25 mm水稳性团聚体的含量。3种耕作方式比较,深松/免耕/深松模式最能有效增加0～40 cm土壤有机质和0～20 cm土层全氮含量;免耕/深松/免耕和深松/免耕/深松处理较传统耕作显著增加0～40 cm土层碱解氮和有效磷含量、20～40 cm土壤速效钾含量,改善了土壤的养分状况。试验期间,免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松模式3年平均小麦籽粒产量较传统耕作显著增加,分别增产9.59%和10.69%(p<0.05),以深松/免耕/深松处理增产效果最佳。     

轮作条件下免耕对黄土高原旱作土壤水分入渗特性的影响

为明确免耕轮作对旱作农田土壤水分入渗时空特征的影响,2005-2010年,在内蒙古清水河县进行了3种轮作模式(燕麦-大豆-玉米,大豆-玉米-燕麦,玉米-燕麦-大豆)下免耕留低茬(NL)、免耕留高茬(NH)、免耕留低茬覆盖(NLS)、免耕留高茬覆盖(NHS)和常规耕作(T)5种耕作方式对土壤水分入渗特性影响的研究。结果表明:免耕、轮作,特别是两者的叠加效应能明显提高土壤入渗能力,其中免耕结合燕麦-大豆-玉米模式对土壤入渗性能的改善作用最好。当0～20cm土壤质量含水率较高(低)时,土壤水分初始入渗率较低(高),而土壤水分稳定入渗率与质量含水率呈相同变化趋势,且随土层加深,土壤水分稳定入渗率整体呈降低趋势。轮作2个周期后NL、NH、NLS和NHS分别较T,土壤初始入渗率降低了18.60%、24.93%、27.31%和29.95%,土壤稳定入渗率提高了22.22%、34.61%、82.05%和104.70%。可见免耕轮作能明显改善土壤水分入渗特性。     

不同轮耕模式对旱地土壤结构及入渗蓄水特性的影响

为了探索免耕与深松隔年轮耕对土壤结构及入渗蓄水性能的影响,2007-2010年在宁南旱区采用免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松与连年翻耕3种耕作模式,对土壤体积质量、团聚体、入渗率及水分利用效率等方面的影响进行了研究。结果表明:与连年翻耕相比,免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松处理使0～60cm各土层土壤体积质量平均降低3.5%、6.2%(P<0.05);使0～20cm土层>0.25mm机械稳定性团聚体数量平均分别增加10.3%(P<0.05)和20.3%(P<0.01),>20～40cm土层分别平均增加17.2%(P<0.05)和23.6%(P<0.01)。免耕/深松/免耕处理0～10cm和>30～40cm土层的水稳性团聚体稳定率分别比连年翻耕提高35.1%和45.8%(P<0.05),深松/免耕/深松处理>10～20cm和>20～30cm土层水稳性团聚体稳定率分别提高101.7%和61.7%(P<0.01)。不同轮耕模式显著增强了土壤的入渗性能,提高对土壤水分的有效利用及降水利用率,免耕/深松/免耕、深松/免耕/深松处理降雨入渗率较连年翻耕分别提高35.2%和15.3%(P<0.05),水分利用效率平均提高7.2%和7.7%(P<0.05),降水生产效率平均提高9.6%和10.7%(P<0.05)。     

不同耕作措施对东北玉米农田土壤物理性质的影响

为了揭示耕作措施对东北玉米田土壤物理性质的影响,本研究进行了连续4年的田间定位试验,探明了深松(ST)、免耕(NT)以及传统耕作(CT)对东北玉米田土壤物理指标(土壤容重、土壤三相比、土壤结构指数以及颗粒组成)的影响.结果表明:与传统耕作相比,深松处理能够显著降低0～20 cm土层的土壤容重(P<0.05),下层土壤(...     

干旱区绿洲农田土壤大孔隙与水分入渗特征

土壤大孔隙虽然占土壤总孔隙的极少部分,但影响着土壤水分入渗途径和过程。本研究以干旱区山前绿洲、老绿洲、边缘绿洲三种典型绿洲农田为研究对象,通过原位染色示踪和CT扫描技术,定量研究了绿洲农田的大孔隙特征和土壤水分入渗性能。结果表明：绿洲农田的土壤大孔隙大多集中在0～20 cm土层,老绿洲农田的大孔隙三维结构较山前绿洲农田和边缘绿洲农田复杂,其土壤大孔隙度、分形维数、分支密度、连接点密度、连通性指数显著大于山前绿洲和边缘绿洲农田(P<0.05)。绿洲农田的稳定入渗率存在显著性差异(P <0.05),表现为：边缘绿洲(0.48 mm·min^-1)>老绿洲(0.28 mm·min^-1)>山前绿洲(0.16mm·min^-1)。绿洲农田水分的入渗特征呈现异质性,入渗的染色面积比随土层深度增加而减小,老绿洲的优先流长度指数、最大入渗深度显著高于山前绿洲和边缘绿洲(P <0.05),其优先流现象明显。在干旱区绿洲农田,土壤大孔隙是影响优先流的关键因素,土壤的大孔隙度高,且连通性好,更容易产生优先流。     

秸秆还田和耕作方式对花生土壤微生物量、酶活性和产量的影响

通过两年的田间小区定位试验,研究免耕无秸秆还田(RN)、常规翻耕无秸秆还田(RS)、垄耕无秸秆还田(RD)、免耕秸秆还田(TN)、常规翻耕秸秆还田(TS)、垄耕秸秆还田(TD)6种耕作方式对科尔沁风沙地花生耕层土壤微生物量、土壤酶活性和产量的影响,探究适合辽西风沙半干旱条件下花生高产的耕作方式。结果表明:相同耕作条件下秸秆还田处理组土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性均高于无秸秆还田处理组,秸秆还田能显著提高土壤微生物量碳、氮、磷含量和酶活性;在相同秸秆还田处理条件下,与常规耕作和垄耕处理相比,免耕处理能显著提高土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性;免耕秸秆还田处理下,花生产量高出未还田处理4.32%。综上,免耕秸秆还田处理能显著提高土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性,提高耕层土壤生物学肥力,促进作物增产。     

耕作方式对土壤水分入渗、有机碳含量及土壤结构的影响

为探明不同耕作方式对土壤剖面结构、水分入渗过程等的作用机理,采集田间长期定位耕作措施(常规耕作、免耕、深松)试验中的原状土柱(0~100 cm)及0~10 cm、10~20 cm、…、90~100 cm环刀样、原状土及混合土样,通过室内模拟试验进行了0~100 cm土层土壤入渗过程和饱和导水率的测定,分析了不同土层的土壤有机碳含量、土壤结构特征及相互关系。结果表明:从土柱顶部开始供水(恒定水头)到水分全部入渗到土柱底部的时间为:常规耕作免耕深松;土柱土壤入渗速率和累积入渗量为:深松免耕常规耕作;土柱累积蒸发量为:常规耕作免耕深松。土壤的饱和导水率表现为:0~10 cm和50~60 cm土层,免耕深松常规耕作;20~50 cm和60~100 cm土层,深松免耕常规耕作。随土层的加深,0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机碳含量均表现为先增加(10~20 cm)再降低的趋势。在0~40 cm土层和80~100 cm土层,均以深松处理0.25 mm水稳性团聚体含量最高。在60 cm以上土层,土壤有机碳含量表现为:免耕深松常规耕作,而60 cm土层以下土壤有机碳显著降低,均低于4 g·kg?1,且在70 cm以下土层,常规耕作免耕深松。综上,耕作措施能够改变土壤有机碳含量,改善土壤结构,促进土壤蓄水保墒;深松更利于水分就地入渗,而免耕则更利于有机碳的提升和水分的储存,其作用深度在0~60 cm土层。     

免耕对土壤剖面孔隙分布特征的影响

探明长期免耕措施对土壤孔隙特征、土壤结构及土壤水分参数等影响,可为阐明在小麦、玉米轮作过程中,长期进行免耕对土壤剖面物理特征的改善及其作用机理提供科学依据。采用CT扫描法定量分析了免耕和常规耕作0~100 cm土层土壤孔隙(80~1 000μm、1 000μm、80μm)的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征,同时采用常规方法测定了土壤大团聚体、土壤容重、有效水含量及饱和导水率等。结果表明:长期免耕不仅提高了土壤1 000μm、80~1 000μm、80μm孔隙数,且其孔隙度也相应提高,较常规耕作孔隙数分别提高55.3%、58.2%、57.9%,孔隙度分别提高97.4%、39.4%、72.6%。同时土壤孔隙形态也得到了改善,孔隙成圆率提高。对不同土层而言,免耕更利于提高0~25 cm土层80~1 000μm和80μm孔隙数以及0~45 cm土层1 000μm孔隙数,且显著提高了0~20 cm和25~40 cm土层1 000μm、80μm及0~20 cm土层80~1 000μm的土壤孔隙度。说明长期免耕对土壤剖面孔隙的分布产生一定影响。此外,免耕提高了0~25 cm土层土壤的有效水含量、0~55 cm土层饱和导水率和0.25 mm水稳性团聚体含量,降低了土壤容重,其作用深度在55 cm以上土层。通过CT扫描测得的土壤孔隙参数与常规方法测定的土壤物理参数之间存在极好的相关性,说明可从微观土壤孔隙特征来表征宏观的土壤物理性质。总之,长期免耕有利于改善土壤结构和土壤孔隙状况,提高土壤的渗透能力及土壤水分的有效性,促进作物的生长。     

不同耕作处理下冻融对农田黑土硬度的影响

为探讨冻融作用对农田黑土硬度的影响,在吉林省德惠市中层黑土小区上进行了9a的田间定位试验,对不同耕作方式下冻融前后的土壤硬度以及土壤硬度与土壤含水量之间的关系进行了对比分析。结果表明,土壤硬度与土壤水分呈对数显著性负相关关系(R2=0.838 8)。冻融前免耕较秋翻显著增加了土壤硬度(p<0.05),主要表现在2.5-17.5cm深度之间。冻融后免耕较秋翻降低了2.5-17.5cm的土壤硬度,并且在2.5-10cm达到差异显著性水平(p<0.05)。冻融后土壤硬度明显低于冻融前,冻融前后两种处理下玉米连作的土壤硬度均高于玉米-大豆轮作,但最大土壤硬度均对作物的生长没有限制作用。     

西南岩溶区粉垄耕作和免耕方式下甘蔗地土壤优先流特征

以西南岩溶区的典型农地甘蔗地为研究对象,采用野外染色示踪技术,利用形态学解析手段,并结合土壤水分分层评价方法,对粉垄耕作和免耕方式下甘蔗地土壤优先流特征进行研究。结果表明:在相同外部供水条件下,粉垄耕作甘蔗地水分下渗湿润锋迹线较免耕甘蔗地平缓,呈均匀整体形式下渗,平均下渗深度是免耕甘蔗地的0.95倍,其优先流染色形态相对于免耕甘蔗地的枝状分化状态,多以零散团块状分化形式为主;在相同外部条件下,免耕甘蔗地最先发生优先流现象,优先流的发生速度是粉垄耕作甘蔗地的1.45倍,平均优先流比达88.61%,大于粉垄耕作甘蔗地(82.89%),二者之间差异显著(P0.05);沿土壤深度的增加,优先流在粉垄耕作甘蔗地土壤空间中的发展变化程度表现为"次活跃—活跃—次活跃—相对稳定—次活跃",而免耕甘蔗地表现为"次活跃—活跃—次活跃—相对稳定",免耕甘蔗地的优先流空间发展变化程度较高,主要发生在5—35cm土层范围内,相比粉垄耕作甘蔗地10—30cm土层深。粉垄耕作方式与免耕方式相比,降低了岩溶区甘蔗地土壤优先流的发生与发展,在一定程度上提高了土壤的保肥蓄水能力。     

连续14年黑土坡耕地秸秆覆盖免耕水土保持效应

为探究长期秸秆覆盖免耕对黑土坡耕地土壤结构的影响以及水土保持效应,通过秸秆覆盖免耕(NT)和传统顺坡耕作(CT)2组长期定位田间试验,对土壤结构、土壤保水能力、保土效应作对比分析。结果表明:NT与CT相应性状比较,土壤容重没有显著增加(P＞0.05),在0—20 cm土层,虽总孔隙度和非毛管孔隙度低,但增加了土壤毛管孔隙度和水稳性大团聚体(WR_0.25)含量,WR_0.25含量和平均重量直径(MWD)差异均达到显著水平(P＜0.05);分别提高了垄台土壤初始入渗和稳定入渗速率28.8%,24.7%;0—10 cm土层,饱和含水量和田间持水量差异均达到显著水平(P＜0.05);减少了产流次数、径流量和土壤流失量分别为11次,86.6%和98.9%,有效地遏制了水土流失。研究结果表明,长期连续秸秆覆盖免耕是一项有利于土壤结构稳定和遏制土壤侵蚀的黑土地保护措施。     

黑土坡耕地不同水土保持措施的土壤水蚀特征研究

针对北方干旱地区坡耕地严重的水土流失问题,采取垄向区田、深松、横坡种植、免耕播种等水土保持耕作措施,于2010年,以黑龙江省齐齐哈尔市东兴村5°坡耕地径流场为研究对象,研究了不同耕作措施对地表径流、土壤侵蚀和降雨入渗的影响。结果表明,这几种水土保持耕作措施均有不同程度的减流减沙作用,其中横坡种植效果最为明显,地表径流量和土壤流失量较常规耕作分别减少了92%和90%,稳定入渗率较常规耕作提高了41.2%。不同耕作措施的径流系数过程线的变化、径流含沙率变化以及产流量、产沙量的变化均符合横坡免耕>横坡种植>深松+区田>垄向区田>少耕深松>免耕>常规耕作>裸地这一变化规律。     

不同耕作方式下黑土区农田中小型土壤动物群落特征

[目的]研究中小型土壤动物群落组成、多样性、动态特征及垂直分布情况,反映土壤环境状况,为探索黑土区农田适宜的耕作方式提供参考依据。[方法]采用改良干漏斗(modified tullgren)法分离中小型土壤动物,分析比较了不同耕作方式下中小型土壤动物的群落结构及分布特征。[结果]从研究样地共捕获中小型土壤动物3 749只,隶属47个类群。其中四奥甲螨科(Quadroppiidae)和等节■科(Isotomidae)为试验区的优势类群。3种耕作方式下,0—10 cm土层中小型土壤动物个体数占总个体数的71%,在垂直分布上具有明显的表聚性。深松处理下中小型土壤动物个体数最多(1 671),CK处理下类群数最多(41)。CK处理下中小型土壤动物多样性指数和丰富度指数最高,分别为(2.81)和(3.81);深松处理下中小型土壤动物优势度指数最高(0.15)。不同耕作方式下土壤渗透总量表现为深松CK免耕;土壤含水量和土壤温度表现为深松免耕CK;土壤容重表现为免耕CK深松。中小型土壤动物个体数与土壤容重呈显著正相关(p0.05);中小型土壤动物丰富度指数与土壤有机质呈显著正相关(p0.05);中小型土壤动物均匀度指数与土壤渗透总量呈极显著正相关(p0.01)。[结论]耕作方式对中小型土壤动物的群落结构有明显的影响,深松耕作后显著提高中小型土壤动物个体数,能够有效改善土壤环境,比免耕和传统耕作更有利于中小型土壤动物的生存与繁殖。     

利用计算机断层扫描技术研究土壤改良措施下土壤孔隙

为探明不同土壤结构改良措施（秸秆覆盖、免耕、有机肥、保水剂）对土壤孔隙特征及分布的影响,采用计算机断层（computed tomography,CT）扫描法定量分析了土壤孔隙的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。结果表明：不同措施均提高了土壤总孔隙数、大孔隙数及0.13～1.0 mm孔隙数,且其孔隙度也相应提高。同时孔隙成圆率也得到了改善。各处理中以有机肥和免耕处理效果较佳,其次为保水剂和秸秆覆盖,对照最低。此外,不同措施显著提高了土壤的田间持水量和＞0.25 mm 水稳性团聚体含量,降低了土壤容重,且各处理中,仍以有机肥和免耕处理效果最佳,其田间持水量分别较对照提高了15.9%和16.4%,而土壤容重较对照降低了6.8%和8.8%。相关分析表明：田间持水量、容重和＞0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤总孔隙度和大孔隙度呈显著或极显著正相关;而土壤容重对于总孔隙度和大孔隙度及孔隙成圆率呈显著负相关。     

保护性耕作对坡耕地土壤水分特性和水土流失的影响

在黄土高原西部丘陵沟壑区水土流失严重的坡耕地进行了2 a的定位试验,研究了不同耕作方式对坡耕地土壤水分特性和水土流失的影响.研究结果表明:(1)免耕+覆盖的保护性耕作方式保水效果明显,全年平均土壤含水量比传统耕作高出1%以上,单纯的免耕与传统耕作没有显著差异.(2)免耕可使耕作层土壤水分保持相对稳定,初春播种后土壤较长时间保持较高含水量有利于作物出苗;雨后免耕处理耕作层具有更强保水能力,从而使土壤水分保持相对稳定则有利于作物生长.(3)不同耕作方式对坡耕地土壤水分特性的影响与其对士壤结构的影响有关,免耕虽然增加了耕作层土壤容重,但也增加了团聚体的稳定性,降低了团聚体破坏率,增强了土壤抗蚀力,覆盖能降低免耕地表层土壤容重,增强其持水与保墒能力.(4)免耕措施未必能减少坡地径流量,但可显著降低土壤侵蚀量,免耕辅以秸杆覆盖的保护性耕作可有效防止水土流失,径流量和产沙量较传统耕作处理分别减少了8.35%和88.11%.     

Effect of conservation tillage on crop yield and soil organic carbon in Northeast China: A meta-analysis

Northeast China, the important grain-producing region in China, is under threat from soil degradation because of long-term conventional tillage (CT). The adoption of conservation tillage is anticipated to restore soil fertility, maintain crop yields and enhance sustainability. However, the integrated effects of conservation tillage practice on crop yields and soil organic carbon (SOC) remain unclear. In this meta-analysis of peer-reviewed studies conducted in the Northeast China region, we assess crop yields and SOC values under no-till, ridge tillage and subsoiling tillage practices. The results indicate that in areas with mean annual temperatures (MAT) below 3°C, crop yields were significantly (p < .05) higher under ridge tillage (0.8%) and subsoiling tillage (13.1%) compared with CT, whereas yields reduced under no-till (−3.7%). Ridge tillage generally had a similar effect on crop yield as no-till, without the negative impact in colder regions. We also report that no-till practice increased SOC concentrations by 24.1%, 43.9% and 17.4% in areas of higher temperature (MAT > 6°C), low mean annual precipitation (MAP) (<500 mm) and continuous cropping conditions, respectively. Ridge tillage and subsoiling tillage also had positive effects on SOC concentrations (to a lesser degree than no-till), indicating that conservation tillage can enhance SOC in Northeast China. Overall, the implementation of different conservation tillage measures in Northeast China was found to enhance crop yields and sequester carbon. We recommend that ridge tillage is used in colder areas and that subsoiling tillage is used in rotation with other tillage measures to maintain crop yields.     

Hydraulic conductivity, residue cover and soil surface roughness under different tillage systems in semiarid conditions

The objective of this study was to investigate the effect of tillage and cropping system on near-saturated hydraulic conductivity, residue cover and surface roughness to improve soil management for moisture conservation under semiarid Mediterranean conditions. Three tillage systems were compared (subsoil tillage, minimum tillage and no-tillage) under three field situations (continuous crop, fallow and crop after fallow) on two soils (Fluventic Xerochrept and Lithic Xeric Torriorthent). Soil under no-tillage had lower hydraulic conductivity (5.0 cm day⁻¹) than under subsoil tillage (15.5 cm day⁻¹) or minimum tillage (14.3 cm day⁻¹) during 1 of 2 years in continuous crop due to a reduction of soil porosity. Residue cover at sowing was greater under no-tillage (60%) than under subsoil or minimum tillage (<10%) in continuous crop. Under fallow, residue cover was low (10%) at sowing of the following crop for all tillage systems in both soils. Surface roughness increased with tillage, with a high value of 16% and decreasing following rainfall. Under no-tillage, surface roughness was relatively low (3–4%). Greater surface residue cover under no-tillage helped conserve water, despite indications of lower hydraulic conductivity. To overcome the condition of low infiltration and high evaporation when no-till fallow is expected in a cropping sequence, either greater residue production should be planed prior to fallow (e.g. no residue harvest) or surface tillage may be needed during fallow.     

黑河流域保护性耕作对农田土壤微生物量碳、氮和有机质的调控

为了探讨黑河流域保护性耕作对土壤生产力的影响,设计20cm留茬(NS20),20cm留茬压倒(NPS20),40cm留茬(NS40),40cm留茬压倒(NPS40)和传统耕作(CT)5个处理,研究了黑河流域保护性耕作对农田土壤有机质、土壤微生物量C、土壤微生物量N以及作物产量和水分利用效率的影响。结果表明,保护性耕作农田0—20cm土层土壤有机质、土壤微生物量C和N的含量均高于传统耕作,且其在剖面中的变化趋势基本一致,即随土层深度增加下降;土壤微生物量N有明显的"表聚现象";相关分析表明土壤有机质和土壤微生物量C之间显著正相关(r=0.85,p0.05),与土壤微生物量N之间无明显的相关关系(r=0.47,p0.05);保护性耕作提高了春小麦的产量,NPS20和NPS40增产效果最好,较CT分别增产53.08%和46.59%,与CT之间差异达到极显著水平;保护性耕作提高了春小麦的水分利用效率(WUE),NPS20,NS40,NPS40,NS20分别较CT的WUE提高了58.02%,43.40%,47.27%,23.78%。