基于主成分分析的不同预处理麦秸改良土壤效果评价

以7种不同预处理(T1~T7)麦秸改良土壤为试验数据,选用150 min累积入渗量(I150)、有效含水率(θ)、土壤累积蒸发量(Ec)、土壤团聚体分形维数(FD)、土壤孔隙分形维数(Dp)、秸秆分解率(Rd)、全氮含量(wTN)7个相互独立的指标,基于主成分分析方法研究不同预处理秸秆还田后,对土壤入渗特性、土壤水分有效性、持水性、结构稳定性、土壤孔隙、秸秆分解率、土壤全氮含量7个方面的改良土壤效果进行评价。将各评价指标的加权和作为改良土壤效果的综合主成分指标。结果表明,改良效果综合主成分可以代表86.93%的不同预处理麦秸改良效果变异信息,且服从正态分布,具有较好的代表性和客观性,可以用于预处理麦秸改良土壤效果的评价。在7个指标中,第一公因子以全氮含量(wTN)、孔隙分形维数(Dp)、土壤团聚体分形维数(FD)、土壤有效含水率(θ)的贡献率较大(达49.92%);第二公因子以秸秆分解率(Rd)、累积入渗量(I150)和土壤累积蒸发量(Ec)的贡献率较大(达37.01%)。不同预处理秸秆改良土壤综合效果优劣依次为T6、T7、T3、T5、T4、T2、T1。氨化秸秆对土壤的综合改良效果优于未氨化秸秆,粉碎秸秆对土壤的综合改良效果优于未粉碎秸秆,氨化秸秆与硫酸钙改良剂混合还田的土壤改良效果优于与硫酸铝改良剂混合配施措施。     

稻菜轮作下不同施肥处理对土壤团聚体的影响

通过田间定位试验,研究稻菜轮作制下不同施肥处理对土壤团聚体的影响。结果表明,单施化肥土壤有机质降低;而有机肥与化肥配施可增加土壤有机质,高碳有机肥、油菜秸秆有机肥与无机肥配施可以显著增加土壤有机质,土壤分形维数最小。稻菜轮作下各施肥处理土壤微团聚体(<0.25mm)增加,大团聚体(2～0.25mm)减少,土壤分形维数减小,土壤结构有较好改善。可见,施用有机含碳量高的有机肥可显著增加土壤有机质,较好的改善土壤结构。     

深圳不同植被类型城市土壤团聚体组成与分形特征

采用干筛法和湿筛法测定了深圳市乔木、灌木、草地植被绿地土壤团聚体粒径质量分布,并基于分形理论研究了土壤团聚体分形特征。结果表明,①乔木、灌木、草地之间土壤>0.25mm粒级团聚体、平均质量直径及土壤分形维数均差异显著;土壤团聚体稳定性总体表现为草坪绿地>乔木绿地>灌木绿地。②土壤非稳性团聚体分形维数、>0.25mm粒级团聚体以及平均质量直径之间均极显著相关;水稳性团聚体分形维数、>0.25mm粒级团聚体、破坏率以及平均质量直径之间均极显著相关。植被类型显著影响城市绿地土壤团聚体分布及其分形特征。     

预处理秸秆对土壤蒸发及秸秆分解率的影响

通过室内土柱模拟培养试验,对比研究了秸秆粉碎、氨化及与无机土壤改良剂混合配施后对土壤蒸发特性及秸秆分解速率的影响.结果表明:秸秆施入土壤后明显提高了土壤的累积蒸发量,粉碎氨化秸秆具有降低累积蒸发量的作用,其与无机土壤改良剂混合配施后,降低土壤蒸发强度作用显著,提高了土壤的耐旱性.长秸秆和粉碎秸秆单独施入土壤后明显提高了土壤的蒸发失水比,粉碎氨化秸秆能持续降低土壤的蒸发失水比,当其与土壤改良剂混合后抑制土壤无效蒸发作用周期延长.秸秆施入土壤后的分解高峰主要发生在30 d内.短期内秸秆粉碎程度对其分解速率作用不明显,粉碎氨化秸秆提高秸秆分解率效果显著.土壤耗水特征各指标累积蒸发量E_c、蒸发速率a·b、蒸发失水比p_wl各指标之间相关关系具有统计学意义,能较好地表征土壤蒸发特性.     

轮作条件下秸秆施用方式对农田水分及作物产量的影响

通过小区试验,研究了粉碎、氨化秸秆以及与无机土壤改良剂（硫酸钙）混合配施措施对土壤水分及作物产量的影响。结果表明,氨化秸秆利于提高土壤对降水的保蓄能力,显著增加0~100 cm土层土壤蓄水量。在夏玉米-冬小麦轮作中,氨化秸秆提高土壤蓄水能力主要反映在夏玉米苗期和冬小麦抽穗期。粉碎秸秆氨化与硫酸钙处理的夏玉米、冬小麦水分利用效率分别较粉碎秸秆覆盖提高了4.97%、30.32%,效果显著。氨化秸秆施入土壤的措施较未氨化秸秆覆盖还田的措施夏玉米、冬小麦产量分别提高4.56%~10.00%和6.65%~11.12%。     

滨海土壤团聚体分布和分形维数及其影响因子研究

【目的】研究滨海土壤团聚结构及其分形特征,为合理利用滩涂土地资源提供理论依据。【方法】以江苏省东台市条子泥垦区为研究对象,利用湿筛法测定土壤水稳性团聚体组成,探究了垦区内荒地和水稻田土壤团聚体分形维数特征;利用因子分析法研究了各理化因子对滨海土壤团聚体分形维数的影响。【结果】与垦区荒地相比,种植水稻后土壤大团聚体量增加了4.21%,分形维数减小了0.03。土壤团聚体分形维数与较大粒径团聚体量显著负相关,而与较小粒径团聚体量显著正相关。土壤平均重量直径和几何平均直径均与分形维数显著负相关。土壤中Na~+、Mg~(2+)、Ca~(2+)、K~+、SAR(钠吸附比)、Cl~-对研究区土壤团聚体分形维数贡献率较大,且与分形维数显著正相关。【结论】水稻种植能使滨海土壤中大团聚体量增加,分形维数降低,团聚结构有所改善;部分土壤理化性质(Na~+、Mg~(2+)、Ca~(2+)、K~+、SAR、Cl~-)对土壤团聚体分形维数贡献率较大且与其显著正相关。     

沼液灌施对潮土土壤团聚体组成及稳定性的影响

【目的】探究沼液灌施对黄淮海平原土壤团聚体结构的影响。【方法】以黄淮海平原潮土为研究对象,根据等氮量原则,采用干湿筛法对连续4 a进行沼液灌施(BS)、化肥施用(CF)、沼液与化肥灌施(BS+CF)以及空白对照(CK)共4种处理的农田表层土壤(0~20 cm)进行团聚体筛分并计算稳定性指标。【结果】沼液灌施影响黄淮海平原表层土壤各粒径团聚体组成。相较于CK,不同化肥与沼液灌施处理>0.25 mm力稳性土壤团聚体(MR_0.25)质量组成比例提高了2.14%~3.71%;>0.25 mm水稳性土壤团聚体(WR_0.25)组成比例显著增加了56.44%~164.20%。同时,各处理对偏倚系数(C_s)和峰凸系数(C_E)产生显著影响。化肥与沼液灌施处理能够减缓崩解作用,增强团聚体稳定性,并使不同粒径团聚体分布更加均匀。此外,沼液灌施显著降低了土壤团聚体破坏率(PAD),显著增加了水稳性土壤团聚体稳定性。沼液和化肥配施团聚体破坏率最低,水稳性团聚体平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)值最大,分形维数(D)值最小。【结论】在黄淮海平原可以通过化肥与沼液配施改善潮土土壤结构,提高团聚体稳定性。     

不同预处理秸秆对土壤水分及冬小麦产量的影响

通过田间试验,研究了不同预处理秸秆对土壤水分分布及冬小麦耗水特征的影响。结果表明,氨化粉碎秸秆减缓40~100cm土壤水分变化幅度。氨化长秸秆、氨化粉碎秸秆处理能显著降低冬小麦在耗水高峰期(灌浆期)的作物耗水量,较覆盖还田分别降低15.26%、13.72%。氨化秸秆施入土壤较未氨化秸秆覆盖还田措施提高冬小麦株高1.75cm,氨化粉碎秸秆提高冬小麦经济系数3.29%,效果显著。此外,冬小麦产量与作物全生育期耗水量呈显著负相关关系,与冬小麦株高、穗粒数、有效穗数则呈显著地正相关关系,氨化粉碎秸秆处理能稳定增加作物产量特征值,提高当季作物经济产量。     

施加生物质炭对盐渍土土壤结构和水力特性的影响

以江苏省沿海围垦区盐渍土为研究对象,基于Micro-CT图像扫描技术,分析施加生物质炭后改良盐渍土土壤孔隙度、土壤水分特征曲线以及非饱和导水率等土壤特性的变化,并建立分形模型预测土壤水力性质,以此揭示施用生物质炭对于海涂围垦区盐渍土土壤结构和水力特性的影响。试验设置0、2%、5%(与表层0～20 cm土壤质量比) 3个生物质炭添加水平,重复3次。结果表明:施加5%生物质炭显著降低盐渍土土壤容重,增加土壤总孔隙度和大孔隙度;大于0. 25 mm水稳性团聚体质量分数显著增加,增加土壤孔隙分形维数;提高土壤饱和含水率和饱和导水率;结合Micro-CT图像扫描技术和孔隙分形理论预测改良盐渍土土壤水分特征曲线和非饱和导水率,预测效果精度高,能够用于实际问题的研究。     

冲洪积平原土壤低吸力阶段水分特征曲线影响因素研究

为了获得冲洪积平原水成土低吸力阶段土壤水分特征曲线的影响因素,基于汾河灌区三个典型水成土剖面土壤水分特征曲线的测量,探讨了质地、结构(包括容重和大于0.025 mm水稳性团聚体含量)、有机质含量对低吸力阶段土壤水分特征曲线的影响机理。结果表明:①土壤质地、结构、有机质含量对土壤水分特征曲线均有显著的影响;②土壤内孔隙的大小、分布和连通性是决定土壤水分特征曲线差异较大的根本原因;③土壤级配对土壤内部孔隙的影响不可忽视,合理的级配能够很大程度的提高土壤的保水性能。研究结果对于土壤水分特征曲线的精细研究具有一定的意义,为科学合理灌溉提供理论支撑。     

秸秆覆盖与耕作方式对土壤水分特性的影响

通过分析不同秸秆覆盖量以及耕作方式对0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力以及土壤水分有效性的影响,揭示黑土区秸秆覆盖、耕作方式对土壤水分特性的影响机制。结果表明:土壤持水性、土壤供水能力及土壤水分有效性与土壤孔隙度密切相关。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层的土壤总孔隙度、毛管孔隙度、相同土壤水吸力下土壤含水率、比水容量以及有效水含量,在传统耕作条件下,秸秆覆盖均高于无覆盖;在秸秆覆盖条件下,免耕均高于传统耕作。免耕秸秆覆盖处理影响土壤孔隙度、土壤持水性、土壤供水能力及土壤水分有效性,随秸秆覆盖量增加,土壤总孔隙度、毛管孔隙度、相同土壤水吸力下土壤含水率、比水容量以及有效水含量逐渐增大,随土层加深,各处理土壤孔隙度、土壤持水性及土壤供水能力逐渐减小。本研究区最适宜的秸秆覆盖与耕作方式为免耕150%秸秆覆盖处理。     

山丘区中小河流滩地土壤物理性质及空间分布特征

为探求山丘区中小河流滩地土壤物理性质及空间分布特征,以浙江省龙游县灵山港滩地为试验对象,通过野外取样与室内测定分析,分析研究了山丘区中小河流滩地表层土壤的密度、体积质量、孔隙度、饱和含水率、颗粒组成等滩地土壤物理性质变化与空间分布特征。结果表明,河道沿线滩地土壤物理性质空间差异性显著,主要表现为:(1)从上游至下游,滩地土壤密度沿程降低,中游区段土壤体积质量最小,总孔隙度以及饱和含水率最大。(2)土壤颗粒组成以粗颗粒(粗砂,细砂)为主,在河道纵向上,随着河道坡降变缓,水流能态减小,粗颗粒质量分数降低,细颗粒(粉粒,黏粒)质量分数及土壤粒径分维值(D)增加,滩地土壤颗粒沿程细化。(3)由于水流条件及植被类型的影响,在不同滩位上,高滩处林地土壤细颗粒组质量分数及土壤粒径分维值最高,分别为36.38%和2.66,土壤粒径分维值能够反映出不同沉积环境对土壤颗粒分布的影响。     

网格式生物埂对坡面土壤贮水及渗透性的影响

为研究网格式生物埂护坡的时间效应,以无生物埂护坡的裸坡为对照,对建设时间为1～4年的黄花生物埂坡面土壤的入渗与贮水特征进行了研究。结果表明,①建设年限1～4年的黄花生物埂与裸坡的饱和贮水量、最大滞留贮水量、最大吸持贮水量、初始入渗率、稳渗率、平均渗透率和渗透总量均表现为:4年>3年>2年>1年>裸坡,且均与建设时间呈显著的线性关系;②坡位对土壤贮水及渗透性的影响明显,1～4年的黄花生物埂均表现为坡上>坡中>坡下的规律,而裸坡表现出与之相反的规律;③土壤渗透性与土壤理化性质(总孔隙度、非毛管孔隙、毛管孔隙、土壤密度及有机质)和植被因子(根长密度、地下生物量和地上生物量)显著或极显著相关。     

围垦年限和土壤容重对海涂土壤水分运动参数的影响

为探讨围垦年限和土壤容重双因素对海涂土壤水分运动参数的影响,在室内试验的基础上结合理论计算,对海涂4个年限围垦区土壤2个不同容重下土壤导水率、水分特征曲线和扩散率的变化进行了研究。结果表明:围垦年限对土壤颗粒组成、结构及钠盐含量等影响显著,土壤饱和导水率随围垦年限的增长而减小;持水能力、土壤水分扩散率随围垦年限的增长而增大。土壤饱和导水率、吸渗率、土壤水分扩散率及相同土壤吸力下的含水率均随容重的增大而减小,随着围垦年限的增长,土壤容重对水分运动参数的影响更明显。     

天然沸石对土壤水分运动特性及水稳性团聚体的影响

【目的】为研究沸石对土壤水分运动及团聚体分布的影响。【方法】向土壤中加入0%、5%、10%、15%、20%的沸石,进行室内土柱试验和水稳性团聚体分析试验,研究了施加沸石对土壤水分运动和土壤水稳性团聚体的影响。【结果】①沸石可以减小土壤累计入渗量和入渗速率,并阻碍湿润锋的推进,与对照组相比,添加沸石试验组的累计入渗量和入渗率不断减小,添加20%沸石,累计入渗量、入渗率、湿润锋减小幅度最大;②利用Kostiakov和Philip入渗模型拟合试验数据,Kostiakov模型和Philip模型拟合后R2均大于0.99,拟合效果较好,拟合参数A、S均小于对照组,进一步验证沸石有减缓入渗的作用。③沸石对水稳性团聚体及分形维数的影响与其添加量有较大关系,沸石施加量由0增加到10%时,≥0.25 mm土壤水稳性团聚体的量、分形维数分别由10.8%增加到18.3%、2.69减小到2.58,沸石施加量继续增加到20%,≥0.25 mm团聚体量减小至6%,分形维数增大至2.72。【结论】沸石能够减缓土壤水分入渗过程,在一定量的施加范围内,沸石能增大土壤中水稳性团聚体量。     

利用CT扫描技术确定土壤大孔隙分形维数

土壤大孔隙的大小、形状和分布对水及溶质在土壤中的运移有着深刻影响,由于土壤大孔隙的分布呈现分形规律,根据采用CT扫描法得到的原状土柱各断面图像,采用计盒维数法计算出各断面土壤大孔隙的分形维数。     

基于CT扫描技术的土壤孔隙定量表达优化

现有土壤孔隙量化方法主要通过图像处理软件实现孔隙结构的辨识与分析,此类通用的图像处理软件或医学处理软件未考虑土壤内部物质的复杂多变性以及孔隙结构的细小和不规则性,从而导致孔隙分割精度低进而量化误差大,为解决这一问题,本文针对土壤CT图像的特点提出了一种孔隙量化方法。该方法主要包括图像处理和量化分析两部分:选用自适应中值滤波算法去除噪声对孔隙边缘的影响,并采用迭代最佳阈值法与Canny边缘检测算子相结合的方法,准确识别出土壤孔隙结构及轮廓线;运用数学统计方法定量研究土壤孔隙率、孔隙数目、分形维数、成圆率等几何指标,用以揭示孔隙结构的复杂性和不规则性,实现对土壤孔隙的量化分析。最后,以冻融循环作用下的土壤为应用对象验证该方法性能。结果表明,本文方法能精确地定位孔隙轮廓,有效地分割孔隙结构,而且通过多种孔隙几何指标的量化可揭示出冻融循环作用对土壤结构的影响,为孔隙几何特征和空间特征的量化表达奠定了基础。     

稻麦轮作区秸秆还田对水稻土结构的影响

为探明稻麦轮作区秸秆还田对水稻土结构的影响,依托常熟农业生态试验站25 a的长期定位试验,研究秸秆还田对水稻土容重、团聚体分布及稳定性、团聚体有机碳分布和孔隙大小分布的影响。试验设不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、化肥和半量秸秆还田(NPKS1)、化肥和全量秸秆还田(NPKS2)等处理。采集各小区耕层水稻土,通过湿筛的方法测定团聚体分布及稳定性,通过X射线CT扫描和图像处理得到孔隙结构信息。结果显示,与CK相比,单施化肥(NPK)能显著提高土壤有机碳含量、降低土壤容重,对团聚体分布及稳定性、大孔隙度(大于0.032 mm)、孔隙大小分布没有显著影响。与NPK处理相比,秸秆还田(NPKS1、NPKS2)分别使土壤容重降低14.0%和19.4%,有机碳含量提高10.0%和23.1%,但是对团聚体分布及稳定性影响不显著;化肥和半量秸秆还田(NPKS1)对大孔隙度和孔隙大小分布没有显著影响,化肥和全量秸秆还田(NPKS2)的大孔隙度(大于0.032 mm)提高了110.6%,各当量孔径范围的孔隙度也明显提高(大于1.5 mm除外)。结果表明,经过25 a的秸秆还田,稻麦轮作区全量秸秆还田能够降低土壤容重,增加土壤有机碳含量和各级团聚体中有机碳含量,增大土壤总孔隙度和大孔隙度,改善水稻土的物理结构;而半量秸秆还田没有显著改善水稻土的孔隙结构。