坡地黑土碳氮分布及其与团聚体稳定性的关系

目的探究黑土区土壤团聚体碳氮分布规律及其与团聚体稳定性的关系,进一步对比耕地与林地团聚体破坏机制差异,为退耕还林以及其他植被恢复途径提高黑土区土地生产力等方面提供理论依据。方法以典型黑土区长期耕作的坡耕地和樟子松坡林地为研究对象,通过不同坡位(坡上、坡中上、坡中、坡中下、坡下)和不同粒级(2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、 < 0.25 mm)水稳性团聚体总碳、总氮、铵态氮、硝态氮、碳氮比(C/N)及铵态氮与硝态氮比值(ANR)的测定与分析,探究团聚体碳氮分布特征及其与团聚体破坏率之间的相关关系。结果坡林地土壤团聚体有机碳和总氮在坡下沉积且富集在小粒径团聚体中;耕地土壤团聚体有机碳含量及C/N显著低于林地,氮对坡位和粒径变化的响应规律不明显。铵态氮含量在 < 1 mm土壤团聚体中含量较高,硝态氮含量则在>1 mm土壤团聚体中含量较高,且林地铵态氮含量显著高于耕地。耕地团聚体破坏率显著高于林地,以>1 mm粒级团聚体破坏率的表现最为显著,坡上、坡中和坡中下2~5 mm团聚体破坏率显著高于同坡位其他粒径团聚体。团聚体碳含量和团聚体氮含量分别与团聚体破坏率呈负相关和正相关趋势,但均未达显著水平,而综合指标C/N和ANR,以及单因素铵态氮均与黑土团聚体破坏率呈显著负相关关系;当耕地团聚体破坏率超过40%时,ANR、C/N均处于较低的水平。结论坡耕地与坡林地之间,由于养分归还方式与土壤侵蚀环境的不同,导致土壤团聚体碳氮分布规律与团聚体稳定性的差异。坡地黑土团聚体稳定性受团聚体内部有机碳氮的共同作用,与微生物代谢密切相关的综合性指标C/N和ANR,以及被微生物优先利用的铵态氮对黑土团聚体稳定性的影响较其他指标更为显著,可在微生物活性与团聚体稳定性的关系方面做进一步研究。      

模拟降雨条件下黑土溅蚀与团聚体分选特征

以典型黑土耕地表层土壤为对象,通过对溅蚀量、水稳性团聚体组成、团聚体平均重量直径(MWD)以及团聚体富集率(ER)等指标的测定、计算与分析,研究了人工模拟降雨条件下典型黑土溅蚀过程中团聚体粒级分布及其分选特征。结果表明:溅蚀盘内不同收集区域(上坡、下坡)溅蚀量及净迁移量均与溅蚀距离呈显著指数递减关系,R2值达0.834 4~0.991 1;土壤团聚体富集率的变化幅度范围为0.00~1.79,溅蚀对团聚体产生富集作用与损耗作用的临界粒级为1.0 mm;溅蚀颗粒土壤水稳性团聚体组成上表现出在水平空间上随距离的增加,小粒级团聚体比例逐渐增加的趋势,2~5 mm粒级的团聚体只出现在上坡的0~5 cm和下坡的0~10 cm范围之内,1~2 mm粒级的团聚体在上坡的最大分布距离仅为28 cm;MWD变化幅度为0.32~0.80 mm,并随溅蚀距离的增加而减少,其中下坡10~17cm范围内的MWD分别与0~10 cm和17~40 cm范围内MWD的差异达到显著水平(P<0.05)。研究结果为进一步系统研究黑土侵蚀发生规律与水土流失治理提供了参考。     

黑土区常见树种水分生理适应性及抗旱特性

以黑土区常见的红皮云杉(Picea koraiensis)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、樟子松(Pinus sylvesstris)、春榆(Ulmus japonica)、长白落叶松(Larix olgesis)、钻天柳(Chosenia arbutifolia)、银中杨(Populus alba×Populus berolinensis)、小黑杨(Populus×xiaohei)8个树种的2年生实生苗木为研究对象,通过净光合速率、蒸腾速率、叶水势、水分饱和亏缺、叶保水能力等水分生理指标的测定与分析,研究了8个树种在苗期水分利用效率状况及变化规律.结果表明:樟子松、长白落叶松、小黑杨具有较高的水分利用效率,水分调节能力较强;樟子松的叶水势最低,为-0.47MPa,叶片的保水能力也最强;水分饱和亏缺最小的是钻天柳,为14.4%,最大的是银中杨,为39.7%.利用模糊数学隶属函数对所选树种进行了综合判定、排序,8个树种苗木水分适应性由强到弱依次为:银中杨、小黑杨、春榆、水曲柳、钻天柳、长白落叶松、樟子松、云杉.     

黑土区不同林龄落叶松人工林土壤磷的吸附与解吸特性

以典型黑土区林龄分别为21、30、40 和52 年生的落叶松人工林以及未经开垦干扰黑土表层(0 ~10 cm)土壤 为研究对象,通过土壤磷的最大吸附量(Qm)、最大缓冲容量(MBC)及解吸率等指标的测定与分析,研究了不同林 龄落叶松人工林土壤磷的吸附-解吸特性。结果表明:落叶松人工林土壤吸附磷量和磷的吸附率均高于未经开垦 黑土,土壤Qm的变化范围为692.24 ~759.41 mg/ kg;Qm、吸附强度因子(K)和MBC 随林龄的增加均表现为先增后 降的变化趋势,30 年生林地达到最大值,与其他3 种林地的差异达显著。土壤解吸磷量和磷的解吸率则随林龄的 增加呈先降后增的趋势,并以30 年生林分最小、52 年生林分最大。30 年生落叶松人工林土壤表现出较强的固磷 的能力,52 年生的林地供磷能力最强,已恢复到未经开垦黑土水平。      

未干扰黑土土壤微生物群落特征的季节变化

采用稀释平板法和Biolog-ECO微平板检测法,以山杨天然次生林土壤为对象,研究了典型黑土区未经开垦干扰黑土表层土壤(0~10 cm)微生物群落的季节变化特征。结果表明:①土壤微生物数量表现为夏季最多,春季次之,秋季最少,且总菌数、细菌、真菌和放线菌数量的变化范围分别为(4.76~16.44)×106、(4.68~16.19)×106、(4.29~10.07)×104和(3.97~14.96)×104 cfu/g干土。②在培养168 h时,土壤微生物碳源平均颜色变化率(AWCD)的变化范围为0.81~1.21,并表现为夏季最高,春季次之,秋季最低。③土壤微生物群落功能多样性指数则表现为夏季显著高于秋季和春季(P0.05),而春、秋两季间无显著性差异,且夏季丰富度指数、Shannon-Wiener指数、Simpson指数和McIntosh指数分别为27、3.18、0.95和8.19。④初步确定氨基酸类、多聚物类和羧酸类碳源是未经开垦干扰黑土土壤微生物利用率较高的碳源类型。研究结果为科学评价典型黑土区土壤生境质量退化与恢复过程中微生物特征的变化提供了本底值参考。     

模拟冻融循环对黑土剖面大孔隙特征的影响

以东北典型黑土区耕地土壤为研究对象,采用室内模拟冻融以及CT(Computerized tomography)扫描相结合的方法,通过大孔隙数目、平均面积、Feret直径以及成圆率4个指标的量化与分析,研究了冻融循环对不同深度范围土层(0~40 cm、40~80 cm、120~160 cm)土壤大孔隙特征的影响规律。结果表明:冻融循环没有对表层土壤大孔隙结构产生影响,却能够显著降低40~80 cm土层范围内平均大孔隙面积以及Feret直径,降幅分别为46.72%和17.32%(p0.05),且以1~2 mm和≥5 mm的孔隙对冻融循环响应最为强烈,冻融循环后分别降低9.58%和42.19%(p0.05)。研究结果不仅证明了黏化层滞水效应的可能,同时探明了黏化层孔隙结构对冻融循环的敏感性,由此印证了季节性冻融循环对黏化层抗蚀性的削弱以及黏化层的滞水效应是导致黑土区地表侵蚀与沟蚀的主要原因。     

季节性冻融对机械压实黑土微团聚体特征的影响

采用田间模拟机械压实的方法,通过对连续两季季节性冻融后不同深度(表层0~20 cm、亚表层20~40 cm和下层40~80 cm)不同压实次数(0、3和12次)土壤水稳性微团聚体组成(≥0.25 mm、0.25~0.05 mm、0.05~0.02 mm、0.02~0.002 mm、＜0.002 mm粒级)、分形维数(D)和分散系数等特征指标的测定、计算与分析,研究了两季季节性冻融对黑土区0~80 cm土层范围内土壤微团聚体特征的影响,讨论了季节性冻融与机械压实的交互作用。结果表明:季节性冻融对不同深度黑土微团聚体组成及稳定性的影响不同,主要表现为增加表层土壤微团聚体的稳定性,降低亚表层和下层土壤微团聚体的稳定性,且连续两季冻融对黑土微团聚体组成及稳定性的影响也存在差异,1季冻融主要显著增加无压实土壤微团聚体的稳定性,而2季冻融却显著降低无压实土壤微团聚体的稳定性;两季冻融结束后,3次压实土壤微团聚体D值和分散系数均高于对照(P＜0.05),尽管12次压实土壤分散系数同样高于对照(P＜0.05),但土壤微团聚体D值与对照相比无显著差异,季节性冻融与机械压实的交互作用主要表现为季节性冻融加剧少次压实土壤微团聚体的破坏、降低其稳定性,而对多次压实土壤微团聚体的组成及稳定性有一定的恢复作用。      

黑土区落叶松人工林土壤团聚体有机碳及动态变化

以东北典型黑土区林龄分别为8a,21a,30a,37a,52a的落叶松人工林为研究对象,通过对土壤干团聚体组成、不同粒级团聚体有机碳含量及有机碳贮量的测定、计算与分析,研究了不同林龄落叶松人工林土壤团聚体有机碳分配特征及其动态变化规律。结果表明:在0-30cm土层范围内,各粒级团聚体组成比例随粒级从大到小呈"∧"型分布,2～5mm粒级团聚体所占比例均最大,且与其他粒级存在显著性差异(P0.05)。表层土壤各粒级团聚体有机碳含量均大于下层土壤,表层土壤中各粒级团聚体有机碳平均变化范围为32.17～48.75g/kg,下层土壤中的变化范围28.82～33.53g/kg,并均以2～5mm粒级团聚体有机碳含量最低。团聚体有机碳贮量随林龄的变化表现为大粒级团聚体(5～10mm)有机碳贮量的降低和小粒级有机碳贮量的增加。表层土壤有机碳贮量大于下层土壤有机碳贮量,但均以2～5mm粒级团聚体有机碳贮量最高,故可以认为土壤有机碳贮量的变化主要取决于各个粒级团聚体组成比例而不是各个粒级团聚体有碳含量。研究结果为进一步评价人工林植被恢复对土壤有机碳的影响提供了理论依据和参考。     

前期含水量对机械压实后黑土团聚体特征的影响

以东北典型黑土区耕地土壤为研究对象,通过对不同前期含水量下机械碾压处理后土壤干筛团聚体和水稳性团聚体粒级分布、破坏率(PAD0.25)、分形维数(D)、平均重量直径(MWD)、平均重量比表面积(MWSSA)等特征指标的测定和分析,对比研究了干湿处理条件下模拟机械作业过程中土壤团聚体特征的变化。结果表明:黑土耕作区0～30 cm范围内团聚体组成上干筛团聚体以>2 mm粒级的团聚体比例最高,而水稳性团聚体则随着粒级的减小,比例逐渐增加。不同前期土壤含水量能够对机械压实黑土的团聚体组成分布、分形等特征产生影响,低含水量时,机械碾压在一定程度上能够促进土壤团聚体的团聚,但同等负荷下多次积累压实会削弱土壤的水稳定性和机械稳定性;而在高含水量时,机械碾压相对更易对黑土团聚体产生负效应,加剧破坏、抑制团聚,降低其水稳定性和机械稳定性。同时发现,MWSSA与其他常用团聚体特征值PA0.25、MWD、D、PAD0.25的线性关系达到了极显著水平,说明MWSSA同样可以作为分析和研究土壤团聚体特征的有效指标。研究结果可为科学指导大机械作业提供理论依据。     

未经干扰黑土的土壤贮水能力及水分入渗特征

采用双环法和双环刀法,对典型黑土区内未经干扰的山杨天然次生林和草原化草甸（俗称五花草塘）土壤水分入渗特征及贮水能力进行测定研究。结果表明：与撂荒地、休闲地相比,未干扰黑土表现出更强的入渗及贮水能力。在1m深土层内,五花草塘饱和贮水量（5271.14 t/hm^2）高于次生林（4945.91 t/hm^2）,但滞留贮水量二者相差不大,分别为402.20 t/hm^2和425.40 t/hm^2;五花草塘的初渗和稳渗速率分别是8.5 mm/min和1.2 mm/min,次生林相应为7.5 mm/min和3.2 mm/min,在整个入渗过程中,次生林的土壤水分入渗能力要强于五花草塘。研究结果为科学评价典型黑土的贮水能力和水分入渗性能提供了重要的本底值参考。