宁南旱地草粮轮作田土壤水可持续利用模拟研究

采用野外调查和计算机模拟相结合的方法对宁夏南部旱地草粮轮作田土壤水分恢复问题进行了模拟研究。结果表明,模拟土壤湿度和观测土壤湿度剖面分布自上而下的变化趋势一致,土壤湿度模拟值基本能够反映苜蓿地土壤湿度等级在不同土层的分布。苜蓿地土壤干燥化进程和土壤湿度恢复进程均表现为前期快后期慢。在宁夏南部丘陵半干旱区,8~10 m土层土壤湿度恢复较困难,种植苜蓿期间应尽量避免该土层土壤湿度等级降低到D以下,即土壤湿度不应低于8.5%。在宁夏南部丘陵半干旱区苜蓿适宜种植年限为6~8年,翻耕后适宜采用PPW轮作模式 (马铃薯→马铃薯→春小麦)进行土壤水分恢复,种植16~20年粮食作物后可以再次种植苜蓿。     

基于EPIC模型的四川丘陵区黑麦草生长过程及其土壤水分动态变化模拟

明确黑麦草田土壤水分变化规律,对提高四川丘陵区人工草地管理水平具有重要的现实意义;校验EPIC模型,有利于改进并提高模型对黑麦草的模拟精度,对推进作物生产系统模拟与决策技术在草粮轮作系统的应用具有重要的实践意义。本研究通过田间试验与计算机模型相结合的方法,研究了四川丘陵区黑麦草生长过程及其土壤水分动态变化规律,明确了EPIC模型对黑麦草生长过程及土壤水分变化规律的模拟精度。结果表明,1)四川丘陵区黑麦草田土壤有效含水量在3-5月较低,深层(0.4~0.6 m)土壤水分在5-10月间可以得到较好恢复,适当增加氮肥投入,可以显著提高黑麦草最大叶面积系数和饲草产量,在刈割4茬的条件下,氮肥施入量不宜低于75 kg/hm²,且不高于225 kg/hm²;2)黑麦草田0~1 m土层土壤有效含水量模拟值和观测值间的r值为0.86~0.95,RRMSE值为6.0%~17.2%,土壤水分剖面分布动态变化的模拟值和观测值间的r值介于0.57与0.92之间,且大部分大于0.85;3)EPIC模型模拟的黑麦草叶面积系数和株高与观测值间的r值均大于0.90,在统计范围内模拟值和观测值间差异不显著;黑麦草产量模拟值和观测值间的r值大于0.90,ME值和R²间差异小于0.02。总体而言,EPIC模型能够较好地模拟黑麦草生长过程,对黑麦草田土壤水分动态变化规律模拟较为准确,可以用来评价四川丘陵区以黑麦草为主的草粮轮作系统对当地气候条件的适应性。     

基于APSIM模型的黄土旱塬区苜蓿——小麦轮作系统深层土壤水分及水分利用效率研究

黄土高原地区降水较少且季节性分配不均,苜蓿连续种植所导致的深层土壤干燥化问题已经引起普遍关注,苜蓿与粮食作物轮作是恢复苜蓿草地土壤水分、提高粮草种植系统可持续性的有效方式。但是长期轮作对土壤水分环境和水分利用效率的影响仍然缺乏研究,农业生产系统模拟模型（APSIM）具有广泛的适应性,可准确模拟耕作管理对作物系统资源利用的影响。首先根据黄土旱塬区庆阳、长武、镇原3个试验区试验数据验证APSIM模型模拟苜蓿长期连作和苜蓿-小麦轮作系统深层土壤水分和苜蓿产量的可行性,然后设置历时38年的81组轮作情景,评估不同轮作模式对农田深层土壤水分、系统干物质产量、氮素吸收和水分利用效率的影响。结果表明：APSIM模型模拟苜蓿产量的精度较高,模拟结果的决定系数（R²）为0.65,均方误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）分别为0.23 t·hm^-2和0.17 t·hm^-2,归一化均方误差（NRMSE）为29.2%;模型能够精确模拟长期苜蓿连作和苜蓿轮作小麦农田0~1000 cm的土壤含水量,长期连作模拟结果的R²为0.73,RMSE、MAE及NRMSE分别为0.021 t·hm^-2、0.017 t·hm^-2和11.7%,轮作系统模拟结果的决定系数为0.83,RMSE、MAE及NRMSE分别为0.024 t·hm^-2、0.018 t·hm^-2和11.8%。情景模拟结果表明,随着苜蓿在系统中轮作年限的增加,0~1000 cm土壤剖面水分极度缺乏（含水量在0.10~0.15）的区域以400~600 cm土层为起点不断扩大,当苜蓿轮作年限大于12年时,所有轮作周期的处理土壤都出现了大范围水分缺乏。81个情景中12年苜蓿轮作14年小麦（L12W14）、L12W16和L8W16这3个处理的总产量最大;系统吸氮量随着苜蓿加入年限的增加而增加,小麦轮作年限大于10年以后系统吸氮量急剧下降;苜蓿轮作大于8年以后系统水分利用效率随着苜蓿年限的增加而降低。综合考虑土壤水分环境和水分利用效率,建议研究区苜蓿-小麦轮作系统中苜蓿轮作年限为4~6年,小麦轮作年限大于4年。研究结果可为黄土旱塬区苜蓿草地管理及草田轮作实践提供一定的参考。     

紫花苜蓿和短花针茅根系分布与土壤水分研究

以陕北农牧交错带人工草种紫花苜蓿(Medicago sativa L.)和天然草种短花针茅(Stipa breviflora Griseb.)为对象,采用根钻法调查两个草种的根系垂直分布以及刈割后苜蓿根系变化特征,并通过定位观测研究土壤水分动态变化。结果表明:紫花苜蓿和短花针茅根系密度随土壤深度增加而减少,而且均以直径小于等于1 mm的须根为主;0~50 cm土层紫花苜蓿和短花针茅根系量分别占0~100 cm剖面总量的67%和84%。紫花苜蓿和短花针茅根系分布与土壤水分消耗特征吻合。生长旺盛期苜蓿大量消耗0~140 cm土层土壤水分,5-9月平均有效土壤储水不足10 mm;生长季末深层(140~280 cm)土壤储水也逐渐降低,约为裸地储水量的50%。短花针茅0~280cm剖面土壤水分状况明显好于苜蓿地,比苜蓿地多储水100 mm左右;主要消耗浅层(0~50 cm)土壤水分,深层水分利用较少。     

APSIM模型对宁夏海原地区草田轮作系统的适应性

为验证APSIM模型对宁夏海原地区草田轮作系统的适用性,基于10年生苜蓿(Medicago sativa)与小麦(Triticum aestivum)、谷子(Oryza sativa)草田轮作试验数据和同期气象资料,运用APSIM模型对系统进行了模拟。通过试错法和文献记载完成了苜蓿、小麦和谷子几个品种的参数本地化。用统计和图形校验方法评价了APSIM模型模拟结果的可靠性和准确性。结果表明,谷子-小麦-小麦(MWW)、小麦-谷子-小麦(WMW)、谷子-谷子-小麦(MMW)、谷子-小麦-谷子(MWM)、小麦-谷子-谷子(WMM)、小麦-小麦-谷子(WWM)6种轮作方式下产量实测值和模拟值的决定系数R2值范围在0.83至0.98之间,D值范围在0.94至0.99之间,表现出了良好的相关性和一致性。土壤含水量实测值和模拟值的决定系数R2值范围在0.52至1之间,D值范围在0.92至0.97之间,相关性和一致性表现良好。表明APSIM模型对宁夏海原地区苜蓿与小麦、谷子轮作具有较好的模拟能力,可以用来模拟分析该地区草田轮作系统生产潜力和土壤水分动态,对该地区气候变化影响下草田轮作的优化管理具有一定指导意义。     

基于CoLM模式的干旱区土壤湿度模拟试验与误差分析

以典型干旱区新疆于田绿洲为研究区,基于CoLM模式的点模拟方式模拟了研究区土壤湿度状况,利用地面监测数据对模拟结果进行了对比验证,对模型模拟误差进行了分析。研究结果表明,CoLM模式模拟的表层土壤湿度状况与地面监测土壤湿度数据有显著且有较好的相关性,CoLM模型用于干旱区土壤湿度模拟具有一定适宜性,但模拟精度需要进一步提高。模拟结果误差分析表明地下水位和土壤蒸散发量对研究区土壤水分时空变化影响显著,这是影响该区域CoLM模式土壤湿度模拟精度的主要因素。     

黄土旱塬区苹果园生草覆盖对深层土壤水分和根系分布特征的影响

研究苹果园长期生草覆盖后深层土壤水分及果树根系的分布规律,以期阐明旱作条件下果园根水互作关系,为黄土旱塬区果园生草覆盖实践的优化提供依据。试验于甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站苹果园中进行,设置果园生草覆盖(生草为鸭茅草,2014年建植)和清耕处理,以一年生作物田为对照;连续两年夏季测定果树行上和行间距离树干100和200 cm共4个位置0～500 cm土层的土壤水分和果树细根长密度,分析生草覆盖对果园深层水分亏缺及细根长密度的影响。清耕果园0～300 cm土壤水分较对照农田下降了6.7%～8.3%(P<0.01),而300～500 cm土层土壤水分与对照农田差异不显著(P>0.05);生草覆盖果园0～500 cm整个剖面的土壤水分均低于清耕果园,平均下降了11.5%～12.3%。果园生草覆盖6～7年后0～500 cm土层土壤较对照农田水分亏缺量为163.9～172.1 mm,是清耕果园水分亏缺量的3.2～4.2倍。果树根系在0～100 cm土层的细根长密度最高,平均密度为0.187 cm·cm^-3,生草覆盖促进了0～100 cm土层果树...     

黄土高原苜蓿及后茬作物土壤水分 恢复效应及蒸散特征

黄土高原种植紫花苜蓿(Medicago sativa)多年后会形成土壤干层,严重影响后茬作物的生长。本研究利用黄土高原建植9年的苜蓿地布设田间试验,研究比较了苜蓿连作(L–L),苜蓿移除后休闲(L–F)或分别种植小麦(Triticum aestivum, L–W)、玉米(Zea mays, L–C)、马铃薯(Solanum tuberosum, L–P)和谷子(Setaria italica, L–M)6种苜蓿-作物种植模式对田间水分蒸散特性的影响及水分动态变化特征。结果表明:苜蓿与作物的轮作中,3年的平均水分利用效率均是苜蓿-马铃薯最高,苜蓿-玉米次之,苜蓿-小麦最低,种植马铃薯和玉米能有效提高作物产量和水分利用效率。苜蓿-玉米处理在高耗水的同时,抑制了土壤棵间蒸发量,显著降低了蒸发与作物耗水量的比率(17.0%),促进了作物的蒸腾作用。经过轮作倒茬后,苜蓿-作物轮作处理下0–300 cm土层的平均含水量较苜蓿连作增加了18.4%～34.9%,苜蓿-休闲处理对于土壤干层水分的恢复效果最佳,其次为苜蓿-马铃薯。综合水分利用效率和农田水分变化特征,在黄土高原半干旱区种植苜蓿多年后选择休闲或轮作其他作物,以苜蓿-马铃薯和苜蓿-玉米轮作的效果较好。该研究结果也表明,合理的利用土地可以减轻土壤干层在黄土高原的形成和发展。     

轮作豆科牧草对连作马铃薯田土壤微生物菌群及酶活性的影响

本试验研究了轮作不同种类豆科牧草对连作马铃薯田土壤微生物菌群、数量分布及酶活性的影响。结果表明,通过轮作箭筈豌豆、天蓝苜蓿和陇东苜蓿3种豆科牧草,对连作马铃薯田土壤可培养细菌和真菌数量分布,微生物活性,土壤脲酶活性,碱性磷酸酶活性及过氧化氢酶活性均有明显的促进作用,与种植牧草前相比,轮作牧草后土壤中真菌/细菌最高可降低50.72%,说明真菌数量下降,通过轮作不同连作年限马铃薯田土壤微生物菌群从真菌型向细菌型转化;与种植牧草前相比好气型固氮菌数量最高增加283.69%;脲酶活性最高增加6.4倍;碱性磷酸酶活性和过氧化氢酶活性均显著提高。但是对连作土壤的改良作用高低还与豆科牧草种类及土壤连作年限有关,不同连作年限的土壤对不同种类的豆科牧草表现出不同的敏感性。     

祁连山北坡主要草地类型的土壤水分动态研究

祁连山北坡天然草地植被以高寒草原、山地草甸、山地草句草原、山地草原和山地荒漠草原等类型为主,对这5种典型草地类型土壤水分进行了观测,结果显示：不同草地类型生长季土壤水分动态变化规律基本一致,主要受降水量及其时间分配的影响,土壤水分的季节动态可划分为消耗期、积累期、消退期和稳定期4个时段;5类草地群落土壤水分垂直变化与土层深度的关系并不完全一致,其剖面变化可分为活跃层、调节层和相对稳定层;土壤水分储量以山地草句最高,其它依次为山地草句草原、高寒草原、山地草原、山地荒漠草原。     

高寒草甸表层土壤物理性状对短期放牧的响应

为探讨不同放牧强度对高寒草甸土壤物理性状的影响,设重度放牧(HG)、中度放牧(MG)和轻度放牧(LG)3个放牧强度样地,调查放牧样地表层土壤(0~10cm)的土壤容重、孔隙度、土壤饱和含水量、田间持水量、有效含水量并土壤持水和入渗性能。结果表明,LG和MG的初始含水量、毛管持水量与非毛管持水量均显著高于HG,LG的土壤饱和含水量和田间持水量均显著高于HG,但3个放牧强度间土壤容重、孔隙性状、土壤有效含水量和非毛管持水量均无显著变化;入渗曲线高低为LGMGHG,用模型模拟曲线,拟合精度为Horton模型通用经验模型Philip模型Kastiakov模型;初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和90min入渗总量均表现为LG显著高于HG;土壤入渗性能均与土壤初始含水量、总孔隙度、非毛孔隙度、通气孔隙度、饱和含水量、田间持水量、有效含水量、非毛管持水量、毛管持水量、最大持水量显著正相关,与土壤容重显著负相关,与毛管孔隙度相关性不显著,但初始入渗率与初始含水量、田间持水量、有效含水量及毛管持水量无显著相关性。回归分析表明,土壤通气孔隙度和有效含水量是影响入渗率的限制因子。短期轻度放牧有利于土壤持水和导水,降低土壤物理结构退化风险;Horton模型适用于该区放牧草地入渗过程的模拟。     

不同修剪高度下草坪草叶片生理及形态指标与土壤含水量回归分析

为了研究"午夜"草地早熟禾(Poa pratensis L.‘Midnight’)叶片生理指标(叶片水势、气孔导度和叶绿素含量)和形态指标(叶面积)与土壤含水量间的回归模型,设置4个修剪高度(12、8、5和3cm,分别记为H12、H8、H5和H3)处理。结果表明,与气孔导度和叶绿素含量相比,叶片水势对土壤水分最敏感。叶片水势与土壤相对含水量为二次曲线函数关系。气孔导度与土壤相对含水量的回归模型为一次线性函数关系,随修剪高度增加,回归方程的斜率减小。叶绿素含量与土壤相对含水量为二次曲线函数回归模型,修剪高度与拟合模型的决定系数无相关性。叶面积对土壤水分最不敏感,土壤相对含水量60%~70%时叶面积显著下降,不建议作为草坪适时灌溉的指示性指标。     

江河源区披碱草和星星草混播草地土壤物理性状对牦牛放牧强度的响应

在江河源区披碱草Elymus natans 星星草Puccinellia tenuflora混播人工草地上研究了牦牛放牧强度对土壤物理性状的影响,2年的试验结果表明:随着放牧强度的增加,不同土壤层含水量均呈降低趋势,土壤容重、土壤坚实度呈增大趋势.相关分析表明, 放牧强度与不同土壤层含水量呈极显著的负相关(P＜0.01), 与土壤容重和坚实度呈极显著的正相关(P＜0.01),而且土壤容重和坚实度均具有累积效应.     

Environmental mycobacteria in soil and water on beef ranches: association between presence of cultivable mycobacteria and soil and water physicochemical characteristics

Exposure to environmental mycobacteria has been reported to be a factor contributing to false-positive results on bovine serological tests detecting antibodies to Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (Mptb). This study was conducted to investigate the association between recovery of mycobacteria from the environment of cattle and both (i) historically high or low seroprevalence to Mptb, and (ii) soil and water physicochemical characteristics. Eighty-two samples (soil and water) from nine beef cattle ranches in South-central and South Texas were assessed for the presence of mycobacteria. Twelve mycobacterial species were cultured from soil and water from four herds; no Mptb were detected in environmental samples. A positive culture of environmental mycobacteria from soil was significantly associated with lower pH and calcium as well as higher iron, zinc and manganese contents. Beef cattle are likely to be exposed to environmental mycobacteria that may contribute to false-positive results on ELISAs for Mptb infection. Exposure rates to these mycobacteria likely vary across small geographical areas and may be related to soil and/or water physicochemistry.     

草毡表层演化对高寒草甸水源涵养功能的影响

高寒草甸占青藏高原面积的60%,是高原水源涵养功能发挥的主体基质。近几十年来高寒草甸呈现多模式、多途径、重危害的退化特征,已对我国水资源安全造成威胁。因此,在青海省果洛州和海北州,以典型高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸为研究对象,采取时空互代的方法,对其草毡表层厚度对土壤持水功能的影响进行研究,并分析影响水源涵养功能发挥的土壤因子,明晰人类活动干扰对高寒草甸水源涵养功能的作用。结果表明:随着高寒矮嵩草草甸由禾草-嵩草群落向矮嵩草群落、小嵩草(Kobresia pygmaea)群落和杂类草-"黑土型"次生裸地的演替,其土壤饱和持水量和田间持水量均呈单峰变化曲线,最高值出现于小嵩草群落时期(草毡表层开裂期),分别为117.08%和105.75%,最低值出现于杂类草-"黑土型"退化草地时期,分别为70.00%和60.92%;在自然条件下,草地自然含水量表现出随退化演替持续降低的趋势,土壤持水能力和草地自然含水量呈现出不同的行为分异特征。土壤容重、孔隙度、活根/土体积比、草毡表层厚度和地表生物结皮发育程度均是影响高寒矮嵩草草甸土壤持水能力发挥的主要因子,持水量与土壤孔隙度和活根/土体积比成正比,与土壤容重成反比,土壤中牧草活根对水分的吸附是高寒矮嵩草草甸水源涵养的主要机制。土壤降水入渗速率与土壤持水量无关,但却与草地自然含水量成显著相关关系。草毡表层的加厚,有利于土壤持水能力的提高,但伴随着生物结皮扩张与老化,会导致降水入渗速率的降低。保持适度厚度的草毡表层是保障高寒矮嵩草草甸水源涵养生态功能发挥的关键。     

石羊河下游人工梭梭水分利用策略季节变化

作为石羊河下游主要固沙造林树种,人工梭梭(Haloxylon ammodendron)抗逆性和生态适应性强,构成了风沙灾害防治的第一道防线.本研究基于原位观测与稳定同位素示踪的方法,研究了人工梭梭水分来源的季节性变化,以期为民勤绿洲边缘退化防护体系的修复提供理论依据.结果表明:在生长季,人工梭梭根际垂直0?200 cm土层平均土壤水分含量为0.87％,120 cm深度处土壤水分偏高;水分季节变化表现为5月(1.22％)>4月(1.05％)>6月(0.83％)>7月(0.80％)>10月(0.67％)>8月(0.65％).不同季节人工梭梭0-60 cm表层根际土壤水δ18O富集效应明显,变化剧烈,60?200 cm土层δ18O逐渐减小且相对稳定.IsoSource模型表明,人工梭梭春季对120?200 cm深层土壤水分利用比例为45.15％,60?120 cm中层土壤水分的利用比例为20.6％,20?60 cm浅层土壤水分的利用比例为20.1％;夏季对0?20 cm表层、60?120 cm中层、120?200 cm深层土壤水分的利用比例分别为32.5％、24.75％、22.1％;秋季主要对0?20 cm表层、120?200 cm深层土壤水分利用较多,利用比例分别为44.4％和48.75％.不同深度土壤水分是人工梭梭重要的季节水分来源,建议在日常抚育管理中可采取人工辅助降水入渗的方法来维持林地土壤水分平衡.     

两种土壤类型对羊草生物学特征的影响

研究两种土壤类型对羊草个体和群落生物学特征的影响。结果表明,在碱化草甸土,羊草的叶宽、净光合速率和气孔导度均低于风沙土型,而单株重则高于后者,而叶长、蒸腾速率和水分利用效率差异不显著。碱化草甸土型羊草的群落密度、地上生物量均高于后者,而根冠比则低于后者。株高、凋落物量及地下生物量在两者间差异不明显,碱化草甸土型羊草群落土壤呼吸及凋落物分解排放的CO₂量均高于风沙土型。     

平茬对荒漠草原区人工柠条林地土壤理化性质的影响

平茬措施是提高柠条林地生产力的主要方式,研究平茬措施对人工柠条林地土壤性质的影响,对科学种植人工柠条林具有重要的理论与实践意义。本文以林龄为6a的人工柠条林地为研究对象,通过实验室测定其平茬前后土壤机械组成、水分、pH值、有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量的变化,采用相关分析法分析了平茬前后土壤机械组成与土壤因子之间的相关性。结果表明：平茬措施对人工柠条林地土壤理化性质改变产生积极的影响,平茬后土壤pH值和容重下降,砂粒含量减少,粉、粘粒含量增加,0~5 cm土层有机碳和全氮的含量升高,0~40cm土层土壤水分含量增加,人工柠条林耗水量减少。