多尺度多分辨率破碎方法评价土壤结构的原理及其应用

在数学描述上,应力小波破碎分析具有小波分析相同的形式,因此,能够将小波分析的理论进行重新阐释,以使其适用于破碎研究。结果发现,应力小波方法在描述破碎体结合面的结合强度方面具有特殊性。同时表明土壤破碎体分形维数是土壤结构的宏观统计学指标,而土壤破碎体的单粒能量消耗值是土壤结构的微观应力小波指标,只有综合使用这两个指标才能够全面地评价土壤的结构状态。在不同季节进行相同的机械耕作处理下,南京水田农地的耕作层土壤结构表现差异明显。秋季耕作土壤的应力小波指标明显优于春季耕作的土壤,同时,秋季耕作土壤的分形维数也远大于春季耕作的土壤。     

玉米不同育苗方式下土壤团聚体及颗粒分形特征

稳定的土壤团聚结构对种子发芽、根系发育、作物生长以及有机碳保护有着重要的影响。农业管理措施对团聚体胶结剂质量和保存时间影响较大,必然影响土壤团聚体的形成和稳定,不同耕作和育苗方式作为重要的农业管理措施也必将对土壤团聚作用产生影响。选择玉米平作和垄作条件下6种育苗方式的土壤为供试材料,采用标准化平均质量直径和分形理论,探讨了土壤团聚体的稳定性、分形特征及二者之间的关系。结果表明,平作和垄作条件下6种育苗方式对土壤团聚体的稳定性影响不同,平作方式下,秸秆钵直播、包衣直播和垄作方式下,肥团育苗、秸秆钵育苗更有利于大于0.25 mm粒径较大团聚体的形成,对土壤形成稳定的结构具有积极意义;土壤团粒的分形维数与小于0.25 mm粒径含量呈极显著正相关,与0.5～1 mm、1～2 mm粒径含量呈极显著负相关,说明土壤团粒的分形维数越小,土壤团聚体稳定性越强。研究结果说明土壤团聚体的分形维数可以客观地表征土壤结构的稳定性,可以作为表征土壤结构和性质的重要参数,对于深入探讨分形学在土壤综合评价中具有重要意义。     

土壤结构的数字图像分析方法与指标

自然地理过程的水、热应力及人为过程的机械应力可以促成土壤结构体的形成,然而土壤结构的分析方法与描述指标仍然较为局限,筛分法仅能提供土壤结构的尺度分布信息,感官评价法受主观影响也较大。本文探讨数字图像处理技术定量土壤结构并提供3个外观几何指标,分别从土壤结构尺度分布、矩形度、棱角性、形状指数4个方面评价黄棕壤块状结构体。结果表明自然地理过程作用下黄棕壤呈块状分布且随结构体尺度的增大,结构体的形状指数及棱角性呈增大的趋势,而矩形度则不断降低。所提供的数字图像分析方法快捷方便,较之筛分法能够提供更多的土壤结构信息,所得土壤结构尺度分布模型更加准确,本方法也可作为实时实地分析耕作过程土壤结构的变化。     

喀斯特植被恢复过程中的土壤分形特征

基于粒径的重量分布表征分形维数的计算方法,对喀斯特山区植被恢复过程中的土壤颗粒、团聚体、微团聚体粒径分布的分形维数进行研究,并分析其与土壤理化性质的关系。结果表明,随着植被的不断恢复,>0.25mm水稳性团聚体不断增多,土壤结构不断改善;土壤颗粒分形维数除与土壤水解氮呈显著正相关外(P<0.05),与其他因子的相关性较小,均未达显著性水平;土壤微团聚体和水稳性团聚体分形维数与有机质和全氮、水解氮呈显著负相关,与结构体破坏率呈显著正相关。土壤微团聚体及水稳性团聚体分形维数能较好地反映植被恢复过程中土壤理化性质的演变,可以作为定量评价喀斯特植被恢复过程中土壤结构演变的指标;坡耕地的土壤结构最差,退耕还林有利于喀斯特山区水土保持。     

土壤团聚体稳定性评价方法比较

土壤团聚体稳定性是评价土壤结构和土壤物理形状的重要指标.对土壤团聚体分形维数、土壤团聚体平均重量直径和>0.25 mm团聚体含量3种土壤团聚体结构评价的方法进行了探讨.结果表明,分形维数与>0.25 mm团聚体的含量呈负相关性,但是平均重量直径与>0.25 mm团聚体的含量有正的相关性.这三种方法都能应用来评价土壤结构,但是分形维数不仅表示土壤结构,还能说明土壤水分和土壤其它的物理性质.因此,分形维数是评价土壤结构的较好的方法.     

土壤粒径分布单重分形与孔隙单重分形

土壤颗粒大小的分布是重要的土壤物理性质,对土壤水、气、热传导特性有着显著的影响。鉴于土壤颗粒分形在分析和描述岩土介质多孔结构的优势,本文通过对5种不同质地的土样进行颗粒分析与水分特征曲线的测试。结果表明:土壤结构定量化表征的方法就是确定土壤结构的分形维数,针对不同地区的土壤,可以通过土壤粒径分布分形维数体现土壤粒径分布的情况,分形维数越大,颗粒粒径越小,细粒含量越高,质地越发呈现不均匀性;且可利用土壤粒径分形维数估算土壤孔隙分形维数。为建立土壤粒径分布模型提供数据支持,同时也为推进土壤结构的研究进展提供了新的方向。     

巨桉人工林下土壤团聚体分形特征及碱解氮分布研究

了解川中丘陵区巨桉林土壤团聚体分形特征及碱解氮含量状况对于掌握该地区巨桉种植对土壤稳定性及土壤养分的影响十分必要。该研究以典型川中丘陵区3.5a生巨桉纯林、巨桉+果树、巨桉+粮食作物土壤为研究对象,以弃耕地土壤为对照,应用分形模型,分析了土壤团聚体分形特征及不同粒径团聚体对土壤碱解氮分布的影响。结果表明:土壤团聚体数量随着粒径的增大呈现出先减少再增加后减少的趋势,其中2~5mm粒径团聚体在土壤结构中占有重要地位;土壤分形维数排序为:弃耕地纯林林果林粮;土壤碱解氮含量排序为:弃耕地林粮林果纯林,巨桉林地较弃耕地土壤分形维数和碱解氮含量低,说明巨桉的栽培在有利于保持土壤水土流失的同时却造成了土壤养分流失和地力衰退;巨桉林地土壤碱解氮集中分布在0.25mm和0.25~0.5mm粒径的细砂和中砂砾中;相关分析表明,土壤碱解氮含量与0.25~0.5mm团聚体碱解氮含量呈负相关,与2~5mm团聚体碱解氮含量呈显著正相关。该研究结果科学评价了巨桉种植对土壤结构和养分的影响,为川中丘陵区土壤的水土保持和肥力维护工作提供了合理的经营模式。     

不同耕作方式土壤结构季节变化

试验于2011年通过对玉米全生育期土壤容重和团聚体的测定,分析4种黑土农田耕作方式土壤结构季节变化。结果表明:从播种到收获,传统耕作平翻(MT)和旋松(Rot)在0~20 cm土层土壤容重逐渐增大。保护性耕作少耕(RT)垄沟深松后(6月)土壤容重降低且显著低于其他耕作方式,免耕(NT)土壤容重季节差异不显著。各耕作方式1~2 mm与0.25~0.5 mm粒级团聚体季节差异不显著,2 mm团聚体平均含量表现为NTRTMTRot,且NT更容易形成5 mm团聚体。各耕作方式0.25 mm水稳定性团聚体数量(WR0.25)均随时间推移逐渐减少。MT土壤团聚体平均重量直径(MWD)季节差异不显著,10~20 cm土层几何平均直径(GMD)则表现为降低趋势,分形维数随时间推移表现出先增加后降低趋势。Rot的MWD和GMD季节变化均较小。在0~10 cm土层,RT的MWD与GMD先增加后降低,分形维数季节性变幅较大。NT处理8月份土壤团聚体的MWD和GMD最大,在0~20 cm土层,NT方式下WR0.25、MWD和GMD均大于其他耕作方式,而分形维数则小于其他耕作方式且季节变化差异不显著,NT土壤结构季节变化更稳定。     

2种保护性耕作措施对农田土壤团聚体稳定性的影响

在2种保护性耕作措施(秸秆还田和免耕)的长期定位试验(湖北省武穴市和荆州市)基础上,通过湿筛法测定不同土层(0—20cm和20—40cm)的不同粒径(5mm,2~5mm,1~2mm,0.5~1mm,0.25~0.5mm和0.25 mm)水稳性团聚体的含量,并对土壤团聚体平均重量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)和分形维数(PSD)等进行分析,研究2种保护性耕作措施对农田土壤团聚体稳定性的影响。结果表明:秸秆还田和免耕处理均会影响土壤各级团聚体的分布状况,同时其也会增加农田表层(0—20cm)土壤粒径0.25mm团聚体的百分含量、MWD和GMD值,但是会降低PSD值。其中PSD与粒径0.25mm团聚体的含量呈极显著负相关性(武穴处理相关系数为-0.997,荆州处理相关系数为-0.993),但是MWD和GMD与粒径0.25mm团聚体的含量有显著正相关性。表明秸秆还田和免耕均会增强土壤团聚体的稳定性,有利于改善土壤结构。但秸秆还田处理的土壤粒径0.25mm团聚体百分含量、MWD和GMD值均高于免耕处理,说明秸秆还田改善土壤结构的效果要优于免耕的。秸秆还田和免耕措施相结合,土壤结构改良效果最佳。武穴和荆州两地的保护性耕作措施对于粒径0.25 mm团聚体百分含量、MWD、GMD和PSD的影响基本一致。     

金沙江干热河谷区退化土壤结构的分形特征研究

分形理论是近年来兴起的一种新的研究工具。分析结果表明 :土壤粒径分布的分形维数能客观地反映退化土壤的结构状况和退化程度 ,可作为退化土壤结构评价的一项综合性定量指标。退化土壤的分形维数与土壤颗粒组成和微团聚体组成之间存在着明显的相关性。土壤中 <0 .0 0 1mm粘粒含量越高 ,>0 .2 5 mm团粒含量越低 ,则分形维数越高 ,结构性越差。对于同一土壤退化系列 ,分形维数越高 ,土壤退化越严重。     

土壤裂隙及其优先流研究进展

土壤在干燥脱水的过程中易收缩产生裂隙。裂隙的产生是土壤性质与外界条件等多种因素综合作用的结果,其形态结构也非常复杂,难以准确描述。裂隙能够作为优先流的路径,增加农田水分和养分的流失以及地下水污染的风险。本文总结和归纳了裂隙产生的影响因素、裂隙的表征指标与测定方法、裂隙导致的优先流的研究方法、裂隙对优先流的影响和模拟等方面的研究进展。今后应进一步加强裂隙产生机理的全面深入的研究;构建和完善裂隙三维指标体系及其测定方法;推进裂隙导致的优先流的定量化和数学模拟研究;加大田间原位裂隙及其优先流的研究。     

基于数字图像技术的土壤孔隙结构定量研究进展

土壤孔隙结构是土壤孔隙的形态大小、数量搭配和空间分布状况的综合反映，其结构的复杂性和异质性决定着土壤水分迁移、气体扩散和生物活动等过程。近年来数字图像技术的发展虽然实现了土壤孔隙结构的直接可视化和定量化，但孔隙提取的精度仍然受采样方法、设备分辨率和分割技术的限制。本文基于现有土壤孔隙研究方法的发展历程，以图像获取、图像分割和量化分析为主线，综述了当前常用土壤孔隙研究方法(间接法和直接法)的基本原理、主要步骤和优缺点，剖析了从图像中提取孔隙结构的分割技术，概括了孔隙结构的常用量化指标，最后针对现有研究方法存在的问题和不足，对未来研究方法的发展方向进行了展望。     

Shifts in bacterial community structure associated with inputs of low molecular weight carbon compounds to soil

Low molecular weight carbon (C) substrates are major drivers of bacterial activity and diversity in the soil environment. However, it is not well understood how specific low molecular weight C compounds, which are frequently found in root exudates and litter leachates, influence bacterial community structure or if there are specific groups of soil bacteria that preferentially respond to these C inputs. To address these knowledge gaps, we added three simple C substrates representative of common root exudate compounds (glucose, glycine, and citric acid) to microcosms containing three distinct soils from a grassland, hardwood forest, and coniferous forest. CO₂ production was assessed over a 24 h incubation period and, at the end of the incubation, DNA was extracted from the samples for assessment of bacterial community structure via bar-coded pyrosequencing of the 16S rRNA gene. All three C substrates significantly increased CO₂ production in all soils; however, there was no relationship between the magnitude of the increase in CO₂ production and the shift in bacterial community composition. All three substrates had significant effects on overall community structure with the changes primarily driven by relative increases in β-Proteobacteria, γ-Proteobacteria, and Actinobacteria. Citric acid additions had a particularly strong influence on bacterial communities, producing a 2-5-fold increase in the relative abundance of the β-Proteobacteria subphylum. These results suggest that although community-level responses to substrate additions vary depending on the substrate and soil in question, there are specific bacterial taxa that preferentially respond to the substrate additions across soil types.     

土壤pH对硝酸根还原过程中N2O产生的影响

采用氢氧化钠和盐酸将中性和碱性土壤分别分步调节成具有不同pH的系列土壤 ,加入等量硝态氮后 ,在添加易有效碳源葡萄糖和不添加葡萄糖的厌气条件下进行培养 ,测定不同处理条件下的N2 O和N2 产生速率。结果表明 ,不加碳源培养 2 4h后 ,原中性土壤系列中N2 O的最大产生速率位于pH 5 2 5左右 ,碱性土壤系列的该值位于 5 90左右 ;加入葡萄糖后 ,中性土壤系列中最大N2 O产生速率的pH值不变 ,但产生N2 最大速率的pH已提高至 6 50。而碱性土壤系列中N2 O产生最大速率时的pH值已移至 6 90处 ,即碳源的加入对产生N2 O所需的最佳pH有所提高。试验还显示 ,酸性条件可提高总还原气体中N2 O所占的比例 ,但就N2 O产生速率的绝对值来说 ,近中性条件仍然是最为有利的     

土壤时空变化研究的进展与未来

理解和表征土壤的时空变化是土壤学的基本任务,也是评估和合理发挥土壤功能的重要前提。土壤的时空变化与气候环境变迁、岩石圈风化、地表物质迁移、生物地球化学循环等圈层变化过程相耦合。围绕土壤时空变化研究的新近进展,本文综述并展望了土壤形成和演变过程、土壤形态学、土壤调查、土壤分类、数字土壤制图与土壤退化的发展态势。未来土壤时空变化研究的关键科学问题主要包括:地球表层系统中土壤与环境要素之间的多过程耦合机理与模拟、多尺度土壤-环境关系与模拟、多元土壤信息的融合机理与数据同化。未来重点研究领域将涉及到关键带科学引领的土壤形成和演变研究、多尺度数字土壤制图与时空变化预测、基于多传感器的土壤综合观测原理与技术、完整和详尽的国家和全球土壤资源清单及共享平台建设、区域土壤资源退化机理及其功能恢复。     

水土保持措施对红壤缓坡地土壤活性有机碳及酶活性的影响

基于植物篱和稻草覆盖控制红壤坡耕地水土流失的长期定位试验,以花生常规等高种植为对照(CK),研究红壤缓坡地香根草篱(H)、稻草覆盖(M)、稻草覆盖+香根草篱(HM)3种水保措施下旱、雨季土壤活性有机碳含量及土壤酶活性变化特征,探讨不同水保措施对土壤活性有机碳含量及土壤酶活性的影响。结果表明∶(1)稻草覆盖、香根草篱处理均能显著提高土壤微生物生物量碳含量(p0.05),其中稻草覆盖和香根草篱相结合效果最佳,且在旱季提升效果优于雨季;而稻草覆盖是提高土壤可溶性有机碳含量的主要影响因素;(2)稻草覆盖和稻草覆盖+香根草篱2种水土保持措施均能显著提高雨季土壤酶活性(p0.05),其中稻草覆盖起决定作用;各水土保持措施对旱季土壤酶活性的影响较小。(3)相关性分析表明,土壤β-葡(萄)糖苷酶和纤维素酶活性与土壤活性有机碳含量呈现良好的相关性(p0.05),对于评价红壤缓坡地水土保持措施土壤环境质量功能、指导实际生产等方面具有重要意义。     

Soil aggregate size mediates the impacts of cropping regimes on soil carbon and microbial communities

Understanding the influence of long-term crop management practices on the soil microbial community is critical for linking soil microbial flora with ecosystem processes such as those involved in soil carbon cycling. In this study, pyrosequencing and a functional gene array (GeoChip 4.0) were used to investigate the shifts in microbial composition and functional gene structure in a medium clay soil subjected to various cropping regimes. Pyrosequencing analysis showed that the community structure (β-diversity) for bacteria and fungi was significantly impacted among different cropping treatments. Functional gene array-based analysis revealed that crop rotation practices changed the structure and abundance of genes involved in C degradation. Significant correlations were observed between the activities of four enzymes involved in soil C degradation and the abundance of genes responsible for the production of respective enzymes, suggesting that a shift in the microbial community may influence soil C dynamics. We further integrated physical, chemical, and molecular techniques (qPCR) to assess relationships between soil C, microbial derived enzymes and soil bacterial community structure at the soil micro-environmental scale (e.g. within different aggregate-size fractions). We observed a dominance of different bacterial phyla within soil microenvironments which was correlated with the amount of C in the soil aggregates suggesting that each aggregate represents a different ecological niche for microbial colonization. Significant effects of aggregate size were found for the activity of enzymes involved in C degradation suggesting that aggregate size distribution influenced C availability. The influence of cropping regimes on microbial and soil C responses declined with decreasing size of soil aggregates and especially with silt and clay micro-aggregates. Our results suggest that long term crop management practices influence the structural and functional potential of soil microbial communities and the impact of crop rotations on soil C turnover varies between different sized soil aggregates. These findings provide a strong framework to determine the impact of management practices on soil C and soil health.     

种植草本植物狗牙根改良滨海黏性盐碱地的研究

为探明不同轮作模式对宁夏南部山区旱地农田土壤肥力和谷子产量的影响，基于连续8年定位试验，研究了谷子连作（R0）、谷子–小麦–糜子轮作（R1）、谷子–胡麻–豌豆轮作（R2）和谷子–豌豆–马铃薯轮作（R3）处理对谷子产量及土壤物理和化学性质的影响。结果表明：经过两个轮作周期后，与R0处理相比，R2处理谷子产量增加13.10%，R1处理产量略有降低，R3处理产量显著降低（P<0.05）。各轮作模式均有利于降低土壤容重，提高土壤田间持水量，并且R1和R2处理土壤容重显著低于R0处理；除R3处理外，R1和R2处理有利于增加土壤孔隙度，与R0处理相比增幅分别为15.09%和21.18%。各轮作模式均有利于增加土壤>0.25 mm大团聚体总量，其中R1和R2处理可以显著降低土壤中<0.25 mm和2~0.25 mm团聚体数量（P<0.05），并显著增加>2 mm团聚体比例。各轮作模式土壤有机质含量均高于R0处理，土壤全量养分含量差异不明显；各轮作模式均有利于增加土壤微生物生物量碳、氮和有效磷含量，同时R2处理还有利于增加土壤碱解氮、速效钾和微生物生物量磷含量。综上，轮作有利于旱地土壤有机质积累，降低土壤容重，增加大团聚体数量，提高土壤微生物生物量，但不同轮作模式间存在差异，其中，R2处理更有利于增加谷子产量、改善土壤结构、培肥土壤，可以作为宁夏南部山区雨养农业旱作区的优选作物轮作模式进行推广。     

城市化对郑州市土壤功能演变的影响

城市化快速发展不仅造成了自然土壤面积和类型的缩减，也导致土壤功能发生变化并通过土地利用方式的变化表现出来。本文以郑州市为例，通过研究城市扩张和土地利用变化来探讨城市化过程中土壤功能演化特点。研究结果表明：在过去的20年间，随着城市化的发展，土地利用结构发生着剧烈变化，城市建设面积不断扩张，水稻土土类和盐化潮土亚类消失，另外伴随还消失了2个土属和11个土种，一些特定的土壤功能消失；伴随着土地利用变化，土壤主要从生产功能、生态功能向土壤承载功能转换，其次为生态功能向生产功能转化。土壤功能这样的转换不仅增加了区域农业生产压力，也可能对区域生态环境产生不可忽视的影响。     

Modeling soil respiration based on carbon, nitrogen, and root mass across diverse Great Lake forests

The variability in the net ecosystem exchange of carbon (NEE) is a major source of uncertainty in quantifying global carbon budget and atmospheric CO₂. Soil respiration, which is a large component of NEE, could be strongly influential to NEE variability. Vegetation type, landscape position, and site history can influence soil properties and therefore drive the microbial and root production of soil CO₂. This study measured soil respiration and soil chemical, biological and physical properties on various types of temperate forest stands in Northern Wisconsin (USA), which included ash elm, aspen, northern hardwood, red pine forest types, clear-cuts, and wetland edges. Soil respiration at each of the 19 locations was measured six times during 1 year from early June to mid-November. These data were combined with two additional data sets from the same landscape that represent two smaller spatial scales. Large spatial variation of soil respiration occurred within and among each forest type, which appeared to be from differences in soil moisture, root mass and the ratio of soil carbon to soil nitrogen (C:N). A soil climate driven model was developed that contained quadratic functions for root mass and the ratio of soil carbon to soil nitrogen. The data from the large range of forest types and site conditions indicated that the range of root mass and C:N on the landscape was also large, and that trends between C:N, root mass, and soil respiration were not linear as previously reported, but rather curvilinear. It should be noted this function appeared to level off and decline at C:N larger than 25, approximately the value where microbial nitrogen immobilization limits free soil nitrogen. Weak but significant relationships between soil water and soil C:N, and between soil C:N and root mass were observed indicating an interrelatedness of (1) topographically induced hydrologic patterns and soil chemistry, and (2) soil chemistry and root production. Future models of soil respiration should address multiple spatial and temporal factors as well as their co-dependence.