黄土高原2种典型灌木地土壤水分有效性及其影响因素

为确定土壤质地对旱生植物长柄扁桃(Amygdalus pedunculata Pall)和沙柳(Salix psammophila)幼苗不同生理指标水分有效性的影响,采用盆栽控水试验,研究了黄土高原2种典型质地土壤(砂土和壤土)下长柄扁桃和沙柳幼苗不同生理指标随相对土壤含水率(土壤含水率占田间持水率的比值)的动态变化。结果表明:2种质地土壤下长柄扁桃和沙柳幼苗各生理指标相对值在相对含水率降低至土壤水分阈值之前保持相对稳定,低于此阈值时随相对含水率的降低而迅速下降,且均可用非线性连续函数来拟合(R~2=0.8905～0.9864)。2种植物土壤水分有效性因选取指标的不同而略有差异,当以瞬时气体交换指标(相对净光合速率R_(Pn)和相对气孔导度R_(Gs))为评价指标时,砂土水分有效性高于壤土;当以相对水分利用效率R_(WUE)为评价指标时,壤土水分有效性高于砂土。瞬时气体交换指标(R_(Pn)和R_(Gs))的水分阈值高于日变化指标(相对日蒸腾速率R_(Td)),表明土壤质地和时间尺度均会影响植物生理指标对土壤水分有效性的响应。因此,在黄土高原进行植被恢复与生态建设时应考虑土壤质地对植物水分有效性的影响。     

基于31P NMR的自然成土过程中有机磷组分演变特征及影响因素研究进展

土壤有机磷(P_o)是土壤中重要的磷库,其形态、含量与生物有效性随成土过程而发生变化,进而影响土壤磷素供应、养分平衡及生态系统生产力。然而,与土壤无机磷(P_i)相比,以往的研究对P_o的重视不够,这主要是由于土壤中P_o的提取、分析和鉴定方法难于P_i。近年来,随着液相³¹P核磁共振(³¹P NMR)波谱技术在土壤学领域的应用,为定量分析土壤P_o组分及含量提供了新的技术手段,同时为更好地理解生态系统演化过程中不同形态P_o的转化特征奠定了基础。本文主要总结了土壤P_o的种类和性质,介绍了液相³¹P NMR分析土壤P_o的原理和方法,在此基础上综述了自然成土过程中不同形态P_o的转化特征及其影响因素,并指出了需进一步研究的方向和关键科学问题：包括量化成土过程中不同形态P_o转化速率、途径与环境阈值,阐明...     

黄土区坡面尺度不同植被类型土壤饱和导水率 剖面分布及影响因素

土壤饱和导水率(K_s)是影响水、溶质运移过程和水文模型模拟精度的重要参数,了解坡面尺度下不同植被类型K_s的剖面分布与影响因素有助于更好地理解土壤水文过程及其调控机制。本研究通过测定典型黄土区坡面尺度不同植被类型下12个土壤剖面(0～200 cm)的K_s及土壤基本性质,分析了不同坡向间及同一坡向内随植被类型变化土壤K_s的剖面分布特征及其影响因素。结果表明:不同植被类型下土壤K_s首先随着土壤深度的增加而减小,而后呈增大趋势。东北坡林地、西坡草地和林地剖面上层(0～20 cm)的平均土壤K_s(K_(s-average))均显著高于剖面下层(20～200 cm)(P0.05)。同一坡向内不同植被类型及不同坡向间相同植被类型0～20 cm土层的K_(s-average)没有显著差异(P0.05);而由于土壤质地和有机质含量的差异,20～200 cm土层的K_(s-average)表现为同一坡向内东北坡草地显著高于林地(P0.05),不同坡向间东北坡草地和林地分别显著高于西坡草地和林地(P0.05)。六道沟小流域不同植被类型下土壤K_s与容重、黏粒含量、粉粒含量呈极显著负相关(P0.001),与毛管孔隙度、饱和含水量、砂粒以及有机质含量(西坡草地除外)呈显著正相关(P0.05)。影响六道沟小流域K_s剖面分布的因素可由土壤持水特性(49.36%)、质地(24.98%)和养分含量(13.92%) 3个主成分贡献。本研究利用多元逐步回归分析获得了以容重、土壤质地和有机质为输入因子的土壤K_s传递函数(R~2=0.60～0.86,P0.001),可为典型黄土区坡面尺度土壤K_s的模拟和预测提供参考。     

水耕人为土时间序列铁氧化物与磁化率演变特征

以我国亚热带地区不同母质起源的水耕人为土时间序列为研究对象,分析不同形态铁氧化物和磁化率随成土时间的动态演变特征及其影响因素。结果表明,石灰性母质起源的水耕人为土0~120 cm土体中全铁(Fet)、游离铁(Fed)和游离度(Fed/Fet)随时间序列演变均逐渐增加,0~50 a内Fet、Fed和Fed/Fet增加速率分别为3.2 t hm~(-2) a~(-1)、1.2 t hm~(-2) a~(-1)和0.04%a~(-1),50~1 000 a内Fet、Fed和Fed/Fet增加速率分别为0.1 t hm~(-2) a~(-1)、0.15 t hm~(-2) a~(-1)和0.01%a~(-1);而酸性母质起源的水耕人为土0~120 cm土体中Fet、Fed和Fed/Fet随时间序列演变均逐渐下降,0~60 a内Fet、Fed和Fed/Fet下降速率分别为0.2 t hm~(-2) a~(-1)、0.5 t hm~(-2) a~(-1)和0.03%a~(-1),60~300 a内Fet、Fed和Fed/Fet下降速率分别为0.9 t hm~(-2) a~(-1)、1.2 t hm~(-2) a~(-1)和0.06%a~(-1)。土壤pH、Eh、以及外源铁输入与土体内铁淋失的相对强度是控制不同母质水耕人为土中铁氧化物转化速率与途径的主要因素。石灰性母质起源的水耕人为土中不同磁学指标随时间演变分为三个阶段:0~50 a内表现为质量磁化率(MS)、饱和等温剩磁(SIRM)和软剩磁(IRMs)的急剧降低;50~300 a内表现为MS、SIRM和IRMs的持续、缓慢降低以及硬剩磁(IRMh)的相对稳定发展;300~1 000 a内表现为MS、SIRM和IRMs的持续、缓慢降低以及IRMh的快速下降。酸性母质起源的水耕人为土0~20 cm和20~120 cm土壤中磁学指标演变呈现截然不同的两个阶段:0~60 a 0~20 cm内MS,SIRM和IRMs的急剧降低,IRMh具有明显增加;而20~120 cm内MS、SIRM和IRMs缓慢下降,IRMh明显降低。60~300 a 0~20 cm内不同磁学指标变化幅度均很小,而20~120 cm内IRMh相对比较稳定,MS、SIRM和IRMs在种稻150 a后快速下降。淹水还原条件下亚铁磁性矿物的破坏是不同母质水耕人为土演变过程中磁性衰减的主要机制。     

不同利用方式下亚热带花岗岩流域元素收支平衡 及其对土壤酸化的影响

选取亚热带花岗岩区不同利用方式下的3个相邻小流域(F:100%森林;FA1:82%森林+18%农田;FA2:76%森林+24%农田),通过定期监测与分析雨水和径流水的元素组成,获得了流域尺度元素的降水输入与径流输出特征,在此基础上分析了元素收支平衡及其对土壤酸化的影响。结果表明:雨水中离子输入总量为181.74 kg/(hm~2·a),夏季输入量约占全年输入量的45%,Ca~(2+)、Na~+和NH_4~+约占阳离子输入总量的80%,SO_4~(2–)和NO_3~–约占阴离子输入总量的74%。F、FA1和FA2流域径流水中离子输出总量分别为236.81,153.17和243.36 kg/(hm~2·a),夏季输出量约占全年输出量的39%~47%,Ca~(2+)和Na~+约占阳离子输出总量的81%~86%,SO_4~(2–)和NO_3~–约占阴离子输出总量的65%~70%。降水和径流水的元素收支平衡表明,F、FA1和FA2流域中SO_4~(2–)、NO_3~–、Cl~–、NH_4~+和H~+均表现为净输入,其中SO_4~(2–)的净滞留量最高,分别为13.7、30.43和20.49 kg/(hm~2·a);而Ca~(2+)、Mg~(2+)和Na~+均表现为净输出,其中Na~+的净输出量最高,分别为28.99、14.96和31.76 kg/(hm~2·a)。F、FA1和FA2流域内酸雨直接输入的H~+为818 mol/(hm~2·a),而流域内氮素转化产生的H~+分别为396、389和401 mol/(hm~2·a),占H~+输入总量的32%~33%。F、FA1和FA2流域的土壤酸化速率分别为996、1 069和1 035 mol/(hm~2·a),表明即使不考虑农业施肥的情况下农林复合流域(FA1和FA2)的土壤酸化速率仍高于森林流域(F)。     

土壤中铁锰结核微结构与组分研究进展

铁锰结核是土壤演化过程中形成的一种特殊新生体,其内部同心圆环带构造可用于反演古气候条件和成土环境,其组分可为微生物代谢提供营养元素和能量,进而影响土壤中养分和重金属的转化、固定与释放。本文综述了近几十年来国内外学者对土壤中铁锰结核研究所取得的进展,包括铁锰结核形成机制、演变过程与影响因素,不同地区铁锰结核微结构与组分差异,以及铁锰结核对养分转化与重金属吸附的影响。未来需进一步研究不同成土阶段铁锰结核形成速率与环境阈值,构建不同成土环境中铁锰结核演化模型,阐明铁锰结核对土壤中养分和重金属的固释机理,以期更好地理解地表关键带土壤发生过程与元素生物地球化学循环,为定量评价变化环境下土壤质量和功能提供依据。     

干旱胁迫对黄土高原不同质地土壤长柄扁桃和沙柳幼苗生理生态特征的影响

通过盆栽控水试验,研究了干旱胁迫对黄土高原不同质地土壤(砂土、壤土)长柄扁桃和沙柳幼苗光合特性(净光合速率P_n、气孔导度G_s、胞间CO_2浓度C_i、内禀水分利用效率WUE)、蒸腾速率T_r及叶片水势Ψ_w的影响。结果表明:干旱胁迫下不同质地土壤长柄扁桃和沙柳P_n、G_s、WUE及T_r均呈现先上升后下降的趋势,而C_i和Ψ_w分别表现为上升和下降趋势。土壤质地显著影响长柄扁桃和沙柳对水分亏缺的敏感性,在相同干旱程度下,壤土中长柄扁桃P_n和G_s均显著高于砂土,而沙柳P_n和G_s表现为砂土显著高于壤土(p0.05)(重度干旱除外)。当土壤含水量降至中度和重度干旱时,长柄扁桃和沙柳WUE在不同质地土壤间具有显著差异(p0.05)。壤土中长柄扁桃生长优于砂土,而沙柳则相反。因此,黄土高原植被恢复与生态建设过程中不仅应根据土壤水分状况选择造林树种,还应考虑植物在不同质地土壤上对干旱胁迫的不同响应。     

水耕人为土有机碳和全氮对水分状况和耕作时间的响应

以我国南方地区数十年至千年尺度的水耕人为土时间序列为研究对象,分析水耕人为土有机碳(SOC)和全氮(TN)对水分状况和耕种时间的响应,阐明不同水分类型水耕人为土的固碳趋势。结果表明,水耕人为土SOC的演变特征和固碳能力受水分状况和起源土壤SOC含量的影响很大。进贤序列(地表水型)在种稻初期SOC的增加主要集中在耕作层,到一定阶段后下层也明显增加。慈溪序列(良水型)SOC只在耕作层累积,种稻50a内基本达到饱和。中山序列(地下水-良水型)SOC在种稻30a内达到饱和,之后随地下水位的下降而略有下降。相比之下,宝应序列(地下水-良水型)SOC在种稻5 a内相对稳定,之后在15a内地下水位明显下降,SOC显著降低。不同水分类型水耕人为土耕作层碳氮比(C/N)随耕种年限的增加均表现出明显的趋同性,高度熟化的水耕人为土耕作层可能存在相近的碳氮耦合平衡。地表水型水耕人为土在300 a内可一直作为相对稳定的农田有机碳汇,但固碳速率偏低。进贤、中山和宝应序列水耕人为土TN的演变特征和其SOC的演变特征基本一致。慈溪序列土壤含有较多的无机氮,TN的演变特征和其SOC的演变特征差异很大。要注意评估无机氮含量高的水耕人为土在长期耕种过程中土壤氮富集或亏损对环境的影响。     

黄土区不同土层土壤容重空间变异与模拟

容重(ρ_b)是土壤最基本物理性质之一,是衡量土壤质量和生产力的重要指标,也是土壤碳氮贮量估算的重要参数。为探明黄土区不同土层ρ_b的分布特征并建立预测模型,在黄土区布设243个样点,获取0～10、10～20和20～40 cm土壤ρ_b及环境因子,采用经典统计学与地统计学方法,分析了不同土层ρ_b的空间变异特征,并利用逐步回归和传递函数方程对ρ_b的空间分布进行了模拟。结果表明:黄土区不同土层ρ_b均为中等程度变异,ρ_b随土层深度的增加而增大。不同土层农地ρ_b最大,其次为林地和草地。0～10、10～20和20～40 cm土壤ρ_b半方差函数最佳拟合模型分别为指数模型、指数模型和球状模型,变程为22～780km。粉粒含量、坡度、海拔、多年平均降水量、气温、干燥度和土地利用是影响区域尺度黄土区ρ_b空间分布的重要因素,基于相关因子建立的传递函数模型可以解释0～40cm深度ρ_b变异的38%～52%,且预测效果优于逐步回归方程,可用于田间条件下ρ_b空间分布特征的预测。     

黄土高原不同土质和植被类型下Cl~-运移特征及影响因素

为确定不同土质和植被类型下溶质运移特征及影响因素,采用垂直土柱易混置换法,研究了陕北六道沟和圪丑沟流域不同土质(砂土S、壤土L)和植被类型(乔AR、灌SH、草GR)下Cl~-运移特征。结果表明:Cl~-初始穿透时间(TS:12～80 min)、完全穿透时间(TE:75～480 min)、平均孔隙水流速(V:0.52～1.98 cm·h~(-1))和水动力弥散系数(D:0.75～2.55 cm2·h~(-1))均随土壤质地、植被类型和土层深度而发生变化。0～20 cm土层Cl~-的TS和TE最小,随深度增加而增大,V和D则相反。同一质地不同植被类型条件下0～1 m剖面中Cl~-的V和D均值表现为:S-AR S-GR S-SH和L-AR L-SH L-GR,TS和TE则相反,这是由于砂土和壤土中不同类型植物根系生物量剖面分布具有显著差异,进而影响大孔隙数量、孔隙连通性密度和优先流路径。同一植被类型不同质地土壤0～1 m剖面中Cl~-的V和D均值表现为:S-AR L-AR;S-SH L-SH;S-GR L-GR,TS和TE则相反,这是由于土壤机械组成影响孔隙分布状况,砂土中大孔隙数量多且孔隙连通性密度高,有助于形成优先流,而壤土中细小孔隙所构成的复杂孔径及带电团聚体对离子的吸附作用会阻碍Cl~-运移。容重、大孔隙数、孔隙连通性密度、有机碳含量和颗粒组成均与V,TS和TE显著相关,表明土壤性质显著影响不同土质和植被类型下Cl~-运移特征。上述结果可为黄土高原不同质地土壤人工植被合理布局与配置,降低养分流失风险,提升生态系统服务功能提供参考。