利用最小水分限制范围评价东北黑土区免耕和垄作的土壤水分稳定性

为明确耕作方式对黑土土壤水分稳定性的作用,提高黑土区雨养农业对气候变化的适应性,该研究基于黑土区长期免耕定位试验,利用最小水分限制范围(Least Limiting Water Range, LLWR)评价免耕(NT)和垄作(CT)管理下土壤含水率有效性及其变异特征。结果表明:1)在0～5、5～10、10～20和20～40 cm 4个土层中,NT处理显著降低了5～10 cm的LLWR,其他3个土层LLWR差异均不显著;2)在平水年(2014)、枯水年(2015)和丰水年(2016),NT管理下作物生育期内0～40 cm平均土壤含水率正常率分别为48%、72%和85%,年间变异系数为0.23;CT的土壤含水率正常率分别为56%、20%和51%,年间变异系数为0.38;3)在丰水年,NT与CT的平均有效储水量差值最小,NT比CT高8.95mm;在枯水年相差最大,NT的平均有效储水量比CT高13.99mm。因此,NT管理下土壤水分更稳定地分布在LLWR内,在极端降雨年份(枯水年和丰水年)优势尤其明显。     

东北三省土壤风蚀天数时空变化及分区评述

基于东北三省1981−2017年气候资料,明确不同区域不同耕作阶段（全年、休耕期和播前1个月）不同等级日最大风速发生的变化规律;结合考虑降水影响下的起动风速指标,解析不同区域各阶段风蚀发生天数的时空规律,为各区域提出相适应的土壤保护耕作措施提供科学依据。结果表明：东北三省全年0−3级、4−6级和7级及以上日最大风速年均出现频率分别为48.5%、50.4%和1.1%,研究期内,全年、休耕期和播前1个月0−3级日最大风速出现频率均呈增加趋势,而4级及以上风速出现频率呈减少趋势。研究区域全年风蚀发生天数比例为35.0%,而播前一个月发生风蚀天数占该时期总天数的比例高于全年均值,达57.0%。大部分地区各个时期风蚀发生天数呈减少趋势。辽河平原区和三江平原区休耕期和播前1个月风蚀发生天数均较多,应重视风蚀对土壤的影响。松嫩平原区虽然休耕期土壤风蚀发生频率较低,但播前1个月风蚀发生较多,该区域应倡导免耕技术以降低土壤风蚀。     

吉林南部不同耕作管理下土壤水分对降雨事件的响应

土壤水分对降雨的响应特征与降水在地表和土壤中的分配密切相关。该研究为明确耕作方式对黑土土壤水分对降雨响应的作用,利用时域反射仪原位动态监测吉林南部耕作长期定位试验翻耕（CT）和免耕（NT）下玉米生育期含水率,通过7个指标量化两种耕作管理下土壤水分对降雨量大且持续时间长、降雨量小且持续时间短和降雨量较大且持续时间较短、降雨强度大的3类降雨事件的响应。结果表明：1）CT初始含水率较低,0～2.5、2.5～5和5～10 cm累积增加含水量（ASWI）显著高于NT;随土壤深度增加,CT的ASWI明显下降,而NT基本稳定。2）多数情况下,NT下相邻土层累积增加含水率之比（RSWI）大于100%,而CT低于100%。3）高降雨强度下NT相邻土层对降雨事件的响应时间（DRTlayer）平均值和异常值为负值的频率较多,说明NT下更易发生优先流。因此,极端降雨下NT土壤水分响应更剧烈,有利于降水向下层土壤渗透,减少地表径流形成。     

新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望

在近20年的发展中,我国土壤物理学得到迅速发展,在国际土壤物理学期刊发文量占比从5%上升到30%,主要研究聚焦在土壤水文过程与尺度转换、土壤物理质量与可持续农业、水热盐迁移与生态调控、以及污染物迁移与模型模拟等领域。本文综合分析这些领域的研究现状与进展,指出这些进展既有国家需求的驱动,也有新技术新方法的应用,以及与相邻学科交叉融合,最后展望了这些领域的研究重点。论文还指出我国土壤物理学面临科研原创性不足、仪器设备研制滞后等挑战,同时也面临粮食安全和生态环境安全等国家需求迫切解决的机遇。     

条带覆盖免耕下吉林南部玉米行间土壤水分和温度的时空动态

  【目的】  覆盖免耕能够减缓土壤侵蚀,提升土壤有机质含量,但在我国东北黑土区,可能会引起春季土温较低,影响玉米生长。因此,研究条带覆盖免耕(NT-SRC)技术模式下玉米行间土壤水分和温度的时空分布规律,为科学应用NT-SRC技术提供理论支撑。  【方法】  玉米田间试验于2018年在吉林省南部进行,采用田间条带覆盖免耕技术模式。玉米采用宽窄行栽培,宽行行距为100 cm,秸秆全覆盖;窄行行距为40 cm,无覆盖,为玉米播种带。选择玉米行间进行原位连续监测,监测点包括玉米株下(0位点),宽行距植株10、20、30和50 cm (简称为10、20、30、50位点),窄行距植株10和20 cm (简称为–10和–20位点),每个位点土壤水分和温度监测探头埋藏5、10和20 cm 3个深度,自动连续监测土壤温度和含水量。  【结果】  1) NT-SRC管理下,玉米行间含水量在空间分布上呈现宽行>株下>窄行,其中含水量50位点处最高,–10位点处最低;不同监测点土壤含水量在时间尺度上的稳定性为 –10<–20<10<0<20和30<50 位点;土壤水分在玉米生育期内的稳定性表现为苗期>成熟期>拔节期和吐丝灌浆期。2)与窄行相比,宽行在水分较低的拔节期和吐丝灌浆期能够分别提高土壤储水量13.1% 和11.1%。3)宽窄行的行间温度差异主要表现在苗期和拔节期,土壤温度由窄行20 cm处至宽行50 cm处依次降低。相较于宽行,苗期窄行的日均温提高1℃～2℃。  【结论】  在吉林南部地区免耕配合带状秸秆覆盖模式下,秸秆覆盖使宽行的土壤含水量和储水量在全生育期高于窄行,且土壤含水量更加稳定。无覆盖窄行提升了苗期和拔节期苗带土壤温度,对吐丝灌浆期和成熟期行间温度分布几乎无影响,缓解了吉林南部黑土区全覆盖免耕管理下玉米生长过程中的水热矛盾。     

探索“透明”土壤体：土壤孔隙学的时代已经启航

土壤是地球表面由固、液、气三相组成的疏松多孔介质体,土壤物理、化学和生物学等过程主要发生在液相和气相填充的土壤孔隙中及其与固相的交界面。随着无损探测土壤孔隙结构、土壤生物化学原位分析和计算机模拟等技术的快速发展和计算能力的提升,从土壤孔隙的形态、结构和功能的角度,原位、直观、精确地研究土壤中动态发生的各种过程成为可能,推动了对真实土壤中各种微观过程与机制的研究。基于前期的研究进展,本文提出,研究透明土壤体的物理学—土壤孔隙学（Soilporelogy）的时代已经启航。土壤孔隙学主要针对土壤孔隙空间,研究其动态变化与土壤物理、土壤化学和土壤生物（生态）互作过程及其效应。以土壤孔隙学为主线,本文首先介绍了获取土壤孔隙方法的进步,进而论述了基于土壤孔隙的流体运动、生物化学过程、根系和生物活动以及土壤微观生态学等的试验和模拟研究。最后,本文对土壤孔隙学的研究方法和理论发展方向进行了展望,相信基于土壤孔隙的研究会推动土壤学研究新的发展。     

保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响

保护性耕作被认为是华北平原农业可持续发展的重要措施, 但目前缺乏这些措施对土壤质量影响的系统报道。本研究以长期定位试验为基础, 探讨了太行山前平原两熟制高产农田不同耕作措施对麦田土壤质量的影响。试验始于2001 年, 设置翻耕玉米秸秆不还田(非保护性耕作对照, CK)、翻耕玉米秸秆粉碎还田(CT)、旋耕玉米秸秆粉碎还田(RT)和免耕玉米秸秆直立还田(NT)4 个处理。2007 年冬小麦收获后分层测定土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)含量、容重(ρ_b)、水稳性团聚体、水分特征曲线、饱和导水率(K_s)和微生物量碳氮。2008 年测定了剖面SOC 含量、ρ_b 和蚯蚓数量。结果表明, 连续多年保护性耕作后土壤剖面的SOC 储量无显著变化, 但保护性耕作(RT 和NT)下SOC 的层化比率(1.74~2.04)显著高于翻耕处理(CK 和CT, 1.37~1.45); 保护性耕作显著提高了表层微生物量碳、氮含量以及单位面积土壤中的蚯蚓数量。NT 处理导致耕层(0~20 cm)土壤ρ_b 增加, 但提高了土壤团聚体的稳定性。CK 和CT 处理显著增加了0~5 cm 土层裂隙(>500 μm)和传输孔隙(500~50 μm)的比例, 而NT 处理则增加储水孔隙(50~0.5 μm)的含量。另外, 保护性耕作提高了土壤的K_s、田间持水量和有效水含量。对土壤质量指标S 的分析结果表明, 实施保护性耕作后, 太行山前平原地区土壤质量总体上得到改善。     

不同初始条件对砂姜黑土收缩特征的影响

利用离心机法,分别测定了初始容重为1.10、1.22、1.31 g/cm3,初始含水率为49.34%、43.55%、36.03%、31.93%和25.51%以及砂姜质量分数为0、4%、6%、8%、10%和12%的砂姜黑土样品在不同吸力下的土壤体积含水率及收缩特征。结果表明:在考虑土壤收缩变形的情况下,相比VG模型,Gregory模型可以更好地拟合砂姜黑土的水分特征,砂姜黑土含水率随着土样初始容重及初始含水率增加而增加,随着砂姜含量增加而降低。收缩过程中,在不同初始容重处理下,初始容重增加,土壤的线缩率减小,土壤收缩后容重增加比例下降;且初始容重增加显著提高了土壤结构收缩段孔隙收缩比例,降低了线性收缩段孔隙收缩比例。在不同初始含水率处理下,初始含水率越高,土壤线缩率及收缩后的容重越大;当初始含水率为36.03%时,土壤结构收缩段孔隙收缩比例最高,线性收缩段孔隙收缩比例较低。在不同砂姜含量处理下,砂姜含量的提高减小了线缩率及土壤收缩后的容重,增加了土壤总孔隙比。因此,对于砂姜黑土而言,在一定范围内,提高土壤容重以及降低土壤含水率可以减少土壤收缩;而在砂姜含量较高的情况下,主要应防止由于大孔隙存在而引起的水分流失。     

近39年东北地区风蚀气候侵蚀力及其对气候变化的响应

为评估东北地区风蚀气候侵蚀力及其对区域气候变化的响应，基于东北地区66个气象站点1981—2019年气象数据，采用风蚀气候侵蚀力计算方法，解析东北地区风蚀气候侵蚀力空间分布特征、时间变化趋势及其对气候变化的响应。结果表明：近39年(1981—2019年),东北地区风速和相对湿度呈下降趋势，降水量呈波动增加趋势，气温呈上升趋势；风蚀气候侵蚀力整体呈西高东低趋势，全区平均为18.8,空间变化范围为0.9～63.8;春、夏、秋和冬季的风蚀气候侵蚀力分别为10.4,1.4,4.1和2.9;全区年风蚀气候侵蚀力平均每10年减小3.71,春、夏、秋和冬季平均每10年分别减小2.05,0.24,0.96和0.44;风蚀气候侵蚀力有明显的空间性(西高东低)和季节性(春季高，夏季低)。39年来，全年及四季的风蚀气候侵蚀力整体呈下降趋势。研究结果可为不同农业种植区土壤风蚀防治提供理论依据。