黄土丘陵区坡面薄层水流动力学特性及其对土壤侵蚀的影响

为奠定基于运动力学参数构建土壤侵蚀模型的理论基础,通过不同降雨强度(25、50和75 mm/h)、不同坡长(1、5、10、15和20 m)下径流小区内人工模拟降雨试验,对不同处理下坡面薄层水动力学特性进行分析,并对水动力学参数与土壤侵蚀之间的关系进行初步探讨。结果表明:当坡度一定时,坡面平均流速主要受坡长及单宽流量影响,降雨强度通过影响单宽流量的大小间接影响坡面平均流速;在试验设计范围内,当坡长1 m时,整体上呈"层流-急流态",当坡长为1 m时,整体上呈"层流-缓流态";当降雨强度一定时,雷诺数随着坡长的增加线性增加,佛汝德数随着坡长的增加以幂函数形式增加;降雨强度对坡面流有明显的"增阻"效应;坡面阻力系数随着坡长的增加呈幂函数减小趋势;坡面平均土壤侵蚀率与单宽流量间呈一元线性趋势增加,与水流平均流速间呈指数函数增加,与雷诺数间呈二次函数增加。     

黄土丘陵区草本群落生物量空间分布格局及其影响因素

草地是干旱半干旱地区黄土高原植被组成的主体,而草本植物作为草地生态系统的优势群落,在黄土高原恢复植被和水土保持建设方面存在着不可替代的优势。因此本试验选取黄土丘陵区不同纬度下的草本群落为研究对象,分析草本群落地上、地下生物量的空间分布特征及其影响因素,同时并验证等速生长关系,以期为黄土丘陵区恢复植被、改善生态建设方面提供理论指导。结果表明:(1)在纬度梯度35.95°~38.36° N变化范围内,黄土丘陵区不同植被带草本群落地上生物量变化范围为54.60~204.32 g·m^-2,平均值156.968 g·m^-2,变异系数为27.83%;地下生物量变化范围为78.88~829.64 g·m^-2,平均值469.21 g·m^-2,变异系数为48.87%;草本群落地下/地上生物量变化范围为 0.93~4.49,平均值2.89,变异系数为39.18%。草本群落生物量(地下、地上)大小顺序均为:森林-草原带>草原带>森林带>草原-荒漠带,且地上、地下生物量随纬度梯度变化规律均呈现出“先增加后减少”的单峰型变化趋势。(2)草本群落地下与地上生物量呈极显著正相关(P<0.01),决定系数达到0.59,且符合等速生长关系。(3)草本群落地下生物量与年均降水、年均温、土壤有机碳、全氮、全磷含量之间均呈显著相关。气候因子和土壤理化性质对地下生物量都具有重要影响作用,其影响机理还需进一步结合植物生物学和生理生态方面的综合研究才能做出准确结论。     

长期施肥对黄土旱塬农田土壤微生物量碳、氮、磷的影响

为研究长期不同施肥方式对土壤微生物量碳、氮、磷含量的影响,以国家黄土高原农业生态试验站长期定位施肥试验为研究对象,选取不施肥(CK)、单施氮肥(N)、单施磷肥(P)、施氮磷肥(NP)、单施有机肥(M)、氮肥配施有机肥(NM)、磷肥配施有机肥(PM)、氮磷肥配施有机肥(NPM)8个处理,应用氯仿熏蒸-浸提法和生态化学计量比,研究了30 a不同施肥方式下土壤微生物量碳、氮、磷含量变化及其与土壤基本理化性状的关系。结果表明:长期施肥较CK处理均能提高土壤微生物量氮、磷含量;与CK相比,施用化肥处理的微生物量碳含量均有所降低,而微生物量氮、磷含量显著提高;除NM处理外,施用有机肥处理的土壤微生物量碳、氮、磷含量较CK处理均显著提高。长期单施化肥、有机肥和化肥有机肥配施处理的微生物量C∶N显著低于CK处理,等量施磷处理(P、NP、PM、NPM)的微生物量C∶P、N∶P均低于CK和其余施肥处理,而NM处理的微生物量C∶P、N∶P显著高于其余处理。冗余分析显示,土壤全氮(F=13.9,P=0.002)对土壤微生物生物量影响最大,解释了微生物量变化的5.3%,各理化性质的影响顺序为全氮全磷pH有机质;相关性分析表明,土壤微生物量碳、磷分别与土壤有机质、全氮、全磷呈显著正相关,土壤微生物量氮与有机质、全氮呈显著正相关。长期单施化肥使土壤酸碱度发生改变,对微生物的生命活动产生抑制作用。而长期化肥配施有机肥能不同程度提高土壤养分含量,促进土壤微生物的生长繁殖,进而增强微生物对碳、氮、磷等元素的吸收利用,对于提高土壤肥力和肥料利用率具有重要意义。     

Micro-scale heterogeneity in urban forest soils affects fine root foraging by ornamental seedlings of Buddhist pine and Northeast yew

Urban soils are frequently characterized by a strong heterogeneity caused by intense anthropogenic activity and land use changes. Soil heterogeneity is commonly known to affect tree root development, but little has been detected concerning root foraging by ornamental trees in heterogeneous urban soils at micro-scale. In this study, Buddhist pine [Podocarpus macrophyllus (Thunb.) D. Don] and Northeast yew (Taxus cuspidata S. et Z.) were selected as ornamental tree species for a two-year study. In the first-year, seedlings were cultured under contrasting photoperiods to generate different morphologies. In the second year, seedlings were transplanted to pots filled with soils collected from an urban forest. Controlled-release fertilizers (N-P₂O₅-K₂O, 14-13-13) were evenly broadcasted to a half patch of the pot (heterogeneity) or to both halves (homogeneity) on the surface 5 cm beneath the pot-top at the rate of 0.135 g N seedling⁻¹. In the fertilized heterogeneous patch, larger Buddhist pine seedlings had greater dry weight, length, surface area, volume, number of tips, and morphological foraging-precision in fine roots. Compared to Northeast yew seedlings under natural photoperiod in the first year, those under the extended photoperiod had larger size, greater fine root biomass, and length but lower foraging-precision in the second year. N and P concentrations in second-year fine roots mainly increased with the availability of patches generated by fertilization for both species. In conclusion, the ability to forage for nutrients by ornamental tree seedlings in heterogeneous urban forest soils was species-specific. Buddhist pine seedlings had higher foraging precision in heterogeneous urban soils than Northeast yew seedlings due to their response to the extended photoperiod during culture.     

土壤微生物膜对风沙土固沙保水特性的影响

土壤微生物膜胞外聚合物具有较强的黏结性,为增强风沙土抗蚀性,提高风沙土保水性提供了新途径。鉴于此,该研究采用室内控制试验设置6个微生物菌剂施用水平(0、1、3、5、7和10 g/kg),以期阐明土壤微生物膜对风沙土特性的影响。研究结果表明:1)施用微生物菌剂可产生土壤微生物膜,并胶结风沙土颗粒。2)试验结束时(第49 d),与对照组相比,不同菌剂施用处理的土壤容重降低0.54%～8.88%,孔隙度提高0.39%～3.91%,含水率显著提高0.11%～0.25%(P0.05),大团聚体质量分数增加5.59%～25.01%,土壤pH值由7.16显著增加至8.32～9.23(P0.05)。3)土壤多糖含量对土壤特性的解释率为47%,是影响土壤特性的关键因素。土壤微生物膜能够有效改善风沙土特性,增强风沙土抗蚀性,提高风沙土保水性,但较高的微生物菌剂施用量会增加土壤pH值,造成土壤盐碱化,建议微生物菌剂施用水平为1～5 g/kg。研究成果有利于深入理解微生物膜固沙保水机制,并可为沙化土地防治新技术研发提供重要理论依据和科技支撑。     

Shifts in microbial diversity through land use intensity as drivers of carbon mineralization in soil

Land use practices alter the biomass and structure of soil microbial communities. However, the impact of land management intensity on soil microbial diversity (i.e. richness and evenness) and consequences for functioning is still poorly understood. Here, we addressed this question by coupling molecular characterization of microbial diversity with measurements of carbon (C) mineralization in soils obtained from three locations across Europe, each representing a gradient of land management intensity under different soil and environmental conditions. Bacterial and fungal diversity were characterized by high throughput sequencing of ribosomal genes. Carbon cycling activities (i.e., mineralization of autochthonous soil organic matter, mineralization of allochthonous plant residues) were measured by quantifying ¹²C- and ¹³C-CO₂ release after soils had been amended, or not, with ¹³C-labelled wheat residues. Variation partitioning analysis was used to rank biological and physicochemical soil parameters according to their relative contribution to these activities. Across all three locations, microbial diversity was greatest at intermediate levels of land use intensity, indicating that optimal management of soil microbial diversity might not be achieved under the least intensive agriculture. Microbial richness was the best predictor of the C-cycling activities, with bacterial and fungal richness explaining 32.2 and 17% of the intensity of autochthonous soil organic matter mineralization; and fungal richness explaining 77% of the intensity of wheat residues mineralization. Altogether, our results provide evidence that there is scope for improvement in soil management to enhance microbial biodiversity and optimize C transformations mediated by microbial communities in soil.     

湘西不同植被类型土壤重金属分布及相关性研究

【目的】探讨湘西地区不同植被下土壤环境的状况,揭示土壤富集重金属元素的规律。【方法】以湖南湘西地区针叶林、针阔混交林、阔叶林和灌木林4种森林土壤不同层次(0~15 cm和15~30 cm)的Cd、Cu、Ni、Pb、Zn为研究对象,采用单因素分析法和主成分分析法分析重金属分布及相关性。【结果】不同植被下土壤中5种重金属含量的变异系数为0.18%~0.69%,由大到小的排列顺序为Cu>Zn>Ni>Pb>Cd。主成分分析表明Cu和Cd在PC1中有较大的荷载值,在PC2中有中等的荷载值。各因素相关性分析结果显示,灌木林土壤容重与Zn之间存在显著的负相关性,针叶林土壤容重与Cu之间存在显著的正相关性;灌木林土壤有机质与Cd之间有显著的正相关性,针叶林土壤pH值与Ni和Zn之间有显著的正相关性;针阔混交林土壤pH值与Pb、Cu和Ni之间存在显著的正相关性,灌木林土壤重金属含量之间的相关性较显著。【结论】湘西地区不同植被类型土壤重金属含量的垂直分布规律存在差异,表现为针阔混交林的上层土壤中重金属含量均低于下层土壤,常绿阔叶林的上层土壤中重金属含量均高于下层土壤,而针叶林和灌木林土壤中重金属含量无差异性变化;湘西地区土壤容重、有机质、坡度、pH值、土层厚度对Cd含量的影响较大,海拔对Pb、Ni和Cu的影响较大,坡度对Ni的影响较大;湘西地区灌木林中重金属来源相同的可能性相较于其他3种植被类型更大。     

基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。     

滩地造林抑螺作用机理研究进展

长江流域滩地是我国钉螺分布的主要区域，也是血吸虫病的主要流行区。近些年我国大力实施的林业血防工程通过滩地营造人工杨树林，使得钉螺原有孳生地的多种生物要素和非生物要素发生了明显变化，显著减少了钉螺种群的分布空间，从而有效控制了血吸虫病的传播。目前，国内外在滩地造林后单一要素改变对钉螺的影响方面已有较多研究，但有关生物要素与非生物要素对钉螺分布的交互作用还未有深入探索，对钉螺孳生产生抑制作用的关键要素尚不明确。文中综述了滩地造林后林下的草本植物群落、土壤理化性质、光照、地温等诸多要素发生变化对钉螺生存的不利影响，总结了滩地造林抑螺作用机理的研究进展，提出该领域今后的重点研究方向，以期为滩地造林抑螺作用机理的深入研究提供参考和借鉴。     

滴灌灌水均匀系数与灌水量对土壤水分分布及温室番茄产量的影响

为探索灌水均匀系数与灌水量对温室番茄产量和土壤水分变化的影响,确定合理的滴灌灌水均匀系数,本研究设置65%、75%和85%3个灌水均匀度水平, 190 mm、220 mm和250 mm 3个灌水量水平,测量番茄生育期内土壤含水率及番茄产量,计算土壤含水率均匀系数和番茄灌溉水利用效率。结果表明,当灌水均匀系数为65%～85%时,土壤水分均匀系数均值(82.57%～93.76%)接近或高于设置的滴灌灌水均匀系数的最大值(85%)。滴灌灌水均匀系数对土壤含水率均匀系数影响权重最大,灌水量、灌水均匀系数、土壤初始含水率均值3个影响因素与土壤含水率均匀系数均值之间呈线性关系(P0.05),决定系数为0.918。当土壤初始含水率占田间持水量比重60%,灌水量低于15mm时,灌水均匀系数与灌水量二者的交互作用与土壤含水率均匀系数为显著线性关系(P0.05),其他情况下均无显著性关系。灌水量对产量为显著影响(P0.05),灌水均匀系数及二者的交互作用对番茄产量无显著影响,考虑产量及灌溉水分利用效率,灌水量220 mm、灌水均匀系数75%组合为最优组合。因此在西北地区,综合考虑经济性和系统的可靠性,建议下调现行滴灌灌水均匀系数标准。