1901—2019年上海合作组织国家气候时空变化特征

为了应对和缓解区域潜在气候变化情况,基于1901—2019年Climatic Research Unit(CRU)长时序的月平均气温和逐月降雨量格点数据集,分别采用一元线性回归法、5年滑动平均和Pettitt检验等方法分析了上合组织国家气温、降雨量的时空变化特征。结果表明:(1)1901—2019年年平均气温和降雨量整体均呈显著增加趋势,其变化趋势分别为0.142℃/10 a(p<0.05)和2.395 mm/10 a(p<0.05),2000年之后上升最为显著。(2)气温变化具有显著的区域差异,由南向北随纬度升高变化速率逐渐加快,大部分区域小于0.2℃/10 a(p<0.05)。(3)气候变化具有显著的季节性特征。各季节气温呈显著增加趋势,春季升温速率较快(0.2℃/10 a,p<0.05),夏季气温变化速率较慢(0.08℃/10 a,p<0.05); 春季降雨量变化趋势大(0.75 mm/10 a,p<0.05),夏季降雨量呈不显著的增加趋势(0.29 mm/10 a)。(4)上合组织气候突变遵循纬度分异规律,随纬度和海拔的升高突变时间推迟。综上,上合组织国家气候存在暖湿化趋势,春季气候变化趋势显著高于夏季,且随纬度升高,气温变化趋势逐渐加快。     

利用土壤颗粒的沉降粒级研究泥沙的迁移与分布规律

了解不同粒径泥沙迁移运动规律,有助于深入理解侵蚀条件下碳、氮、磷等元素的生物地球化学过程。土壤营养元素的迁移转化与泥沙颗粒的运动规律密切相关,而泥沙的运动规律由颗粒大小、性状、孔隙度和密度等因素共同决定。依据泥沙颗粒沉降速度分选的原理,针对中国两种典型侵蚀土壤(红壤和黄绵土),分别进行了土壤机械组成(矿质土粒分选)和沉降速度分选测定。结果表明,土壤颗粒的沉降粒级可有效区分红壤和黄绵土中不同粒径团聚体的沉降速度,能够更加准确地反映出同一粒径颗粒因性状、密度和孔隙度的差异而形成的不同沉降速度。相对于质地疏松的黄绵土,红壤的机械组成显示,有86.9%的有机碳与≤32μm的矿物颗粒相结合,很有可能随悬移过程汇入下游水体。但土壤颗粒沉降速度分布表明,约有90.5%的红壤有机碳与等效石英粒径≥63μm的团聚体相结合,易在经历较短的迁移过程后,快速沉积于下坡面。这表明,现有的土壤侵蚀模型大多利用土壤机械组成(即矿质粒径大小)在反映泥沙运动或元素迁移规律方面存在片面性。土壤的团聚过程可有效缩减有机碳和无机碳的迁移距离,从而使其更易沉积于陆生环境。土壤颗粒的沉降速度分级对认识泥沙颗粒和养分元素在侵蚀—迁移—沉积过程中的生物地球化学过程提供了新的途径和视角。     

侵蚀黑土逐层沉积结构异质性及其对温室气体排放的影响

为探究沉积区不同沉积层次结构及理化性质差异对温室气体排放的影响,该研究取典型侵蚀黑土进行粒级沉降分选,将颗粒由粗到细分成6个粒级（L1～L6),并按不同泥沙迁移情景,将粗细颗粒依次逐层沉积,形成6种不同深度和层次结构的沉积土柱（S1～S6）：S1仅由最粗粒级L1组成,S6则由L1～L6从粗到细、自下而上依次逐层沉积而成。将不同土层结构土柱进行恒温恒湿培养,并监测CO₂、N₂O和CH₄的排放速率。结果表明：1）不同沉积土层孔隙度由L2层的23.79%减少至L6的1.00%,而含水率则由L2层的11.16%增加到L6层的41.02%。2）碳氮含量集中分布在L2～L4层。3）7 d培养期间,温室气体平均释放速率总体随沉积层数增加而显著降低（P<0.05）,也表现为气体通量并未随着沉积土层增厚而增加。逐层沉积过程使得粗细颗粒分离,粗疏颗粒在下层优先沉积,而细密颗粒在上层堆叠,致使孔隙度和气体相对扩散系数随颗粒自下而上随逐层沉积而逐渐降低,仅1.5 cm厚的细密沉积层便可有效抑制温室气体向土表排放。该研究通过颗粒沉降分选和逐层沉积,从细观过程刻画沉积分层和掩埋效应对温室气体排放的影响,对深化沉积环境温室气体排放机理具有重要意义。     

泥沙磨蚀作用对微塑料老化破碎的影响

泥沙磨蚀作为侵蚀迁移过程中典型作用力之一，可加速微塑料老化破碎，进而影响其在土壤环境中的富集和迁移特征，但泥沙磨蚀影响微塑料老化破碎的作用机理尚不明确。以侵蚀事件频繁且微塑料污染严重的黄土高原王东沟小流域为研究区域，采集多年覆膜的玉米地土壤，对比分析风干原土、泥沙浸润静置，和含沙量为560 kg·m-3，800 kg·m-3和930 kg·m-3三种含沙量震荡磨蚀等多种处理下对微塑料的老化破碎影响，并采用激光红外成像系统分析不同处理下微塑料的丰度、类型和形态特征。研究结果表明：(1) 研究区土壤微塑料以聚氨酯 (Polyurethane，PU)、聚四氟乙烯 (Polytetrafluoroethylene，PTFE)、橡胶 (Rubber，RB) 为主，多为直径10~50 μm 的碎片状。(2) 风干原土处理中微塑料的平均面积最大 (5 234 μm2)，泥沙浸润静置处理下微塑料的平均丰度最小 (2 067 n·kg-1)，而泥沙磨蚀处理下微塑料的平均丰度最大 (14 400 n·kg-1)，且平均面积最小 (2 868 μm2)。(3) 三种含沙量磨蚀作用下微塑料的平均丰度和面积存在显著差异，其中，平均丰度表现为：中含沙量 (18 300 n·kg-1) > 低含沙量(13 730 n·kg-1) > 高含沙量 (8 667 n·kg-1)，而平均面积表现为：低含沙量 (3 932 μm2) > 中含沙量 (2 472 μm2) > 高含沙量 (2 099 μm2)。总之，本研究表明泥沙磨蚀作用可显著增加微塑料丰度，减小其面积，而微塑料的平均丰度在中含沙量磨蚀强度下达到最大值，且不同微塑料类型对泥沙磨蚀作用的敏感程度不同，为侵蚀环境下土壤微塑料的破碎迁移风险评估提供理论参考。     

泥沙沉积层次对有机碳矿化和CO2排放影响的模拟研究

[目的]探讨沉积区不同掩埋层位对CO₂在沉积剖面中产生和传输的影响，为定量评估黄土高原地区侵蚀-沉积环境下碳源/汇强度和功能提供理论依据。[方法]通过土柱回填控制性试验模拟沉积土层，在12 cm高土柱的顶部(2 cm)、中部(5 cm)和底部(9 cm)分别添加¹³C标记的葡萄糖溶液，并设置3种¹³C葡萄糖溶液浓度(26,52,104 mg C/kg),对比分析20℃恒温培养10 d期间，不同添加位置和葡萄糖溶液浓度对土柱表观CO₂释放速率的影响，并结合稳定性同位素示踪法，解析不同有机碳来源对表观CO₂的贡献，进而探讨不同掩埋层位对外源输入有机碳矿化的影响。[结果](1)低浓度葡萄糖添加处理下，外源添加葡萄糖的矿化程度在顶、中、底部分别为38.6%,65.1%,50.9%,存在显著性差异；而随着葡萄糖添加浓度的升高，各层位间的矿化程度趋于一致。(2)顶部添加葡萄糖后，表观CO₂中δ¹³C峰值最大(376‰,1527‰,3176‰),出...     

长期施用微肥条件下微量元素和有机官能团在团聚体中的积累特征

微量元素对作物生长至关重要,长期施用微肥可能影响微量元素在农田土壤中的分布,进而影响作物产量及土壤有机碳结构。以渭北旱塬35年锌（Zn）、锰（Mn）、铜（Cu）微肥处理农田为研究对象,分别测定耕层土壤≥250、250~125、125~63、63~20、≤20 μm粒级中Zn、Mn、Cu元素含量,并通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）测定各粒级有机官能团类型及含量,以期揭示长期微肥下微量元素积累与有机官能团之间的相互关系。结果表明,试验区土壤有机碳含量处于较低水平（6~12 g?kg-1）,长期施用Zn、Mn、Cu肥并未显著改善土壤有机碳含量,但导致Zn、Cu元素在表层土壤中明显富集（幅度分别为10%、100%以上）,而 Mn元素无明显富集（幅度在10%以内）。三种元素在微小团聚体（≤20 μm）中的富集程度最高,但该粒级有机碳抗分解能力最小（0.30~0.32）,这主要因为该粒级不稳定官能团C-O含量较高且矿物含量较高,与有机碳稳定性正相关的C=O、C=N、C=C含量少。试验区土壤中Cu元素积累与C-O、C=O、C=N呈正相关,而Zn、Mn元素与官能团之间无相关性,这与有机碳丰富的土壤存在较大差异。综上,长期施用微肥未显著改变试验区表层土壤有机碳含量及结构,但导致Zn、Mn、Cu元素在表层微小团聚体中产生不同程度的积累,这主要与有机碳总量、有机官能团含量及类型、元素吸附效率有关。     

渐次解冻土壤粒级沉降分选及碳氮盐分布特征

[目的] 将解冻逐层剥离过程与粒级沉降模拟相结合,探究融雪径流情景下坡面土壤逐层解冻过程中泥沙粒级分选规律及伴随的碳氮盐分布特性,为深入揭示东北坡面土层冻融侵蚀机理及伴生的微环境效应提供依据。[方法] 以东北坡面黑土为例,开展了土柱冻融试验,主要包括非冻融、全冻全融与冻结后渐次解冻(土柱置于浸水环境,由外至内分融化出T₁—T₃ 3层)处理,借助沉降管对各处理的土壤进行粒级沉降分选试验,对各分选粒级电导率(EC)、pH值、有机碳(SOC)、氮(TN)等进行了测定分析。[结果] ①土壤经全冻全融后,沉降分选所得＞500 μm和≤125 μm的颗粒含量减少,125～500 μm的颗粒增加;土壤EC在大粒级中较高;SOC和TN在大粒级中(＞500 μm)含量降低,在较小粒级(≤125 μm)含量增加。②渐次分层解冻土壤经沉降后,外层(T₁)≤63 μm颗粒偏少,内层(T₃)125～500 μm颗粒偏多;盐分和有机碳氮在外层大粒级中含量较高。③全冻全融土壤沉降后,盐分流失率达64.8%,SOC和TN流失率相对较低,为4.08%和2.72%;渐次解冻沉降处理内层(T₃)土壤盐分和有机质流失程度大于外层(T₁)。[结论] 冻融沉降后,外层土壤破碎程度大,坡面土壤颗粒趋向均质化;有机质含量在粒级间差异明显,其在小粒级土壤中分布更加稳定;盐分和有机质在冻融沉降过程中会从土壤内层向外层迁移而造成流失。     

黑土单向冻融过程对不同土层有机碳矿化的影响

为揭示黑土单向冻融过程对不同土层有机碳矿化的影响，该研究以东北典型季节性冻融黑土为研究对象，通过添加13C标记葡萄糖(初始添加浓度为200μg/g)模拟春季解冻期土壤最常见有机碳组分，采用室内由外而内的单向冻融(-10～10℃)模拟田间自上而下单向冻融过程，对比分析渐次解冻剥离的外、中、内3个土层在恒温培养15 d过程中的CO₂释放速率变化规律，以及激发效应差异。结果表明：1)单向冻融后，各土柱外层土壤水分均显著增高(为初始含水率的1.20～1.27倍)，而内层则明显失水(仅为初始含水率的78.4%～84.5%)，且未添加葡萄糖处理的内外层水分差异比添加葡萄糖处理的更加显著；2)未添加葡萄糖土柱单向冻融后，内层累积CO₂释放量均值为138.8μg/g，显著高于外层(95.1μg/g)；而添加葡萄糖土柱单向冻融后，内层CO₂释放速率表现出明显的时间变异性，前期峰值突出(第4天)，可达外层和中层峰值的1.7和2.0倍，但后期快速衰退，最终累积CO₂释放速率为外层和中层的1.2和1.3倍；3)添加葡萄糖土...     

黑土层不同粒级结构下有机碳矿化的模拟研究

东北黑土坡耕地侵蚀沉积分异明显,且冻融交替频繁,但各坡位土层结构以及通气孔隙度随含水率和温度的季节性变化对有机碳矿化和CO₂扩散效率的影响机理尚不清楚。以典型黑土坡耕地为研究对象,采集未侵蚀区表土风干、筛分后,选取粗(0.5～1 mm)、细(<0.125 mm)两种粒级,分层回填,全粗、全细、上粗下细、上细下粗4种土柱模拟典型坡位土层结构,对比分析冻融与非冻融不同温度梯度下,各土层结构CO₂释放速率变化特征。结果表明：非冻融变温(5～30℃)条件下,各土层结构CO₂释放速率存在显著差异,其中上粗下细土层CO₂释放速率均值为14.45μg/(kg·h),显著高于其他土层,增幅达20%～59%,说明不同土层间土壤颗粒大小和上下堆叠关系对CO₂传输效率有重要调控作用。经两次冻融作用后,0～15℃变温培养中,各土层间无显著差异,上粗下细土层CO₂释放速率均值为4.17μg/(kg·h),略高于其他土层,说明冻涨融缩效应削弱了不同土层结构之间孔隙结构和联通性差...     

垄作喷药浅松除草机设

针对甘肃河西走廊地区固定垄保护性耕作模式下,杂草种类繁多,多年生杂草根系粗大,春季较易复苏,不易喷杀,一年生杂草多为田旋藤蔓缠绕型,机械铲除不彻底等问题,设计了一台垄作喷药浅松除草机.该机采用化学喷药和机械浅松组合除草原理,由三段式可折叠机架、圆弧形防飘罩盖、化学喷药系统和机械浅松系统等组成.玉米苗期田间除草试验表明,机械浅松机构主要铲除玉米行间杂草,单独作业时杂草清除率为89.2%;化学喷药系统主要覆盖性喷杀作业区一年生杂草,单独作业时杂草清除率为94.6%;两种方式联合作业模式下杂草清除率为97.3%,说明机械浅松与化学喷药相结合的方式杂草综合防治效果最好.