秸秆覆盖对冻融期土壤墒情影响试验

为了研究秸秆覆盖对冻融期土壤墒情的影响,该文设置裸地、玉米秸秆覆盖厚度为5、10和15cm的4种地表处理,进行了冻融期的土壤水分迁移试验。结果表明,冻融期秸秆覆盖的保温效应改变了土壤冻结状,使覆盖厚度15cm田块未出现冻层,覆盖厚度5和10cm地块的土壤初冻时间比裸地分别滞后16和25d,且冻层厚度较裸地减小了29和42cm。受冻融作用的影响,裸地在40cm处出现聚墒区,秸秆覆盖田块在地表处和30～50cm处出现聚墒区。冻融期内玉米秸秆覆盖厚度为5、10和15cm田块地表水分波动幅度分别比裸地减小了1.12、6.46和8.7百分点;土壤融化后其地表0-10cm土壤平均含水率分别比裸地高9.45、9.04和8.99百分点。研究成果可为季节性冻土分布区实施秸秆覆盖措施提供参考依据。     

河套灌区冬小麦冻结期土壤入渗特性分析

为揭示冻结期田间土壤入渗特性,基于河套灌区冬小麦无覆盖、秸秆覆盖和地膜覆盖3个试验区的土壤入渗数据,并与非冻期土壤入渗特性比较,探讨了河套灌区冻结期土壤的入渗过程和特性,并进行了检验和验证。结果表明:在同一冻结期地膜覆盖和秸秆覆盖条件下土壤冻层厚度明显较低,特别是地膜覆盖比无覆盖条件下冻层厚度降低6cm以上,具有明显的保持地温的作用,秸秆覆盖效果比覆膜效果差;地膜覆盖和秸秆覆盖均可以减缓土壤水的冻结速度,但随着冻结期的推进,地膜覆盖和秸秆覆盖降低冻层厚度的效果逐渐减小,2种覆盖均是在冻结初期效果最好;从未冻期到冻结稳定期,在土壤总含水率变化不大的条件下,土壤未冻结含水率不断降低,随着冻结期的推进,未冻结水转为冻结水的速度是由慢到快再逐渐降低的过程;地膜覆盖和秸秆覆盖均能减缓未冻结水的转化,在冻结前期和中期效果较好,冻结后期效果明显降低,地膜覆盖的效果比秸秆覆盖更好;冻结土壤水分的入渗率远小于未冻结土壤水分的入渗率,在土壤冻结过程中入渗率随冻层的增大而减小;冻结稳定期土壤水分稳定入渗率降低85.0%以上,并且随着冻结期的推进,稳定入渗率也在缓慢降低;土壤冻结初期和中期地膜覆盖与无覆盖的减渗率分别相差9.11%和13.50%,具有较好的减缓土壤水冻结的作用,效果显著,而秸秆覆盖与无覆盖的减渗率分别相差4.10%和7.00%,效果较地膜覆盖差;冻结土壤水分的累积入渗量远小于未冻结土壤水分的累积入渗量,在土壤冻结初期和中期采用地膜覆盖和秸秆覆盖均能增大土壤水分的累积入渗量,而地膜覆盖和秸秆覆盖在土壤冻结稳定期对土壤水分累积入渗量影响较小;Kostiakov模型和Kostiakov-Lewis模型模拟土壤入渗数据没有明显的差异性,可用来表征冻结土壤的入渗过程,而Philip入渗方程不适合表征冻结土壤的入渗过程。该研究结果可为冻结期土壤水、热、盐耦合运移提供参考,对制定河套灌区冬小麦秋末冬初灌溉制度具有现实意义。     

秸秆和植被覆盖对滩涂围垦区土壤盐分和肥力性质的影响

为探明不同地面覆盖对滩涂围垦区土壤盐分变化和肥力性质的影响,于2014年5月~2015年5月,在江苏如东东凌垦区开展了秸秆和植被覆盖的田间试验,设置对照(CK,裸地)、15 t/hm~2秸秆覆盖(SM)、植被覆盖(PC,田菁-野生芥菜种植)和植被覆盖结合7.5 t/hm~2秸秆覆盖(PC+1/2SM)4种试验处理。结果表明:(1)与CK处理相比,覆盖处理半年后(12月),SM处理0~40 cm土壤含盐量下降了91.0%以上(P0.05),而PC和PC+1/2SM处理0~40 cm没有明显的降盐效果(P0.05);SM、PC和PC+1/2SM处理1年后滩涂围垦区0~100 cm各土层土壤含盐量均有明显地下降,SM、PC和PC+1/2SM处理0~40和40~100 cm土壤含盐量分别下降了97.0%和83.0%以上,40.0%和30.0%以上,54.0%和33.0%以上;(2)SM和PC+1/2SM处理0~100 cm土壤pH值均显著高于CK和PC处理(P0.05),而CK与PC处理间pH变化没有明显差异;(3)PC和PC+1/2SM处理显著增加了表层(0~20 cm)土壤有机碳、全氮、碱解氮含量及孔隙度,显著降低了表层土壤容重(P0.05),但SM处理对土壤容重、有机碳、全氮、碱解氮、有效磷等均没有明显的影响。因此,相比PC和PC+1/2SM处理,虽然15 t/hm~2秸秆覆盖措施对滩涂围垦区土壤降盐效果更为明显,但综合考虑土壤培肥和降盐效果,种植耐盐植被结合适量秸秆覆盖(如15 t/hm~2秸秆覆盖)是滩涂围垦区降盐改土的重要措施之一。     

冻融期积雪覆盖下土壤水热交互效应

为了研究季节性冻土区土壤水热时空分异特征,揭示冻融过程中的水热相互作用机理及其复杂性。在松嫩平原黑土区,以野外实测试验数据为基础,分别建立裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下20 cm土层土壤含水率和温度的耦合模型,并通过对比模型的预测效果研究土壤水热变化的复杂程度,采用差异性分析和基于小波变换的分形理论方法定量研究含水率与温度序列的变异波动性和分维指标,进而验证不同覆盖处理条件对于土壤水热空间变异复杂性的影响。结果表明:冻结期,积雪阻碍了环境因素对于土壤水热迁移过程的影响,土壤含水率和温度的耦合效果较好,并且预测值与实测值能够较好的吻合,裸地、自然降雪、积雪压实、积雪加厚处理条件下的相对误差分别为0.42%、0.31%、0.13%和0.06%,随着积雪厚度的增加和密度的增大,含水率和温度的差异性减弱,复杂程度逐渐降低;融化期,积雪覆盖区的融雪水入渗抑制了土壤温度稳定提升,含水率出现骤然升高的现象,自然降雪、积雪压实、积雪加厚条件下的含水率变化分别为14.31%、15.90%和16.91%,土壤温度变化范围分别为-5.9~5.3、-3.6~6.9和-3.1~3.8℃,二者的互作效应减弱,并且随着积雪覆盖量的增加,土壤的水热时空迁移复杂程度逐渐增强。同时,采用基于小波变换的分形理论研究土壤含水率和温度的时间序列复杂性精度较高、结果可靠。该研究对于揭示冻土区土壤水热迁移动态规律,准确预测春播期土壤温度和墒情,合理高效地利用松嫩平原的土壤水资源具有重要的理论价值和现实意义。     

冻融期灌水和覆盖对南疆棉田水热盐的影响

为了探索不同冬灌定额和地表覆盖模式对棉田水热盐的影响,该文设置了冬灌裸地(winter irrigation with bare land,WIB)、冬灌留秆(winter irrigation with high cotton stubble,WICS)、冬灌玉米秸秆覆盖(winter irrigation with corn straw mulching,WICM)、免冬灌裸地(no winter irrigation with bare land,NWIB)、免冬灌留秆(no winter irrigation with high cotton stubble,NWICS)和免冬灌玉米秸秆覆盖(no winter irrigation with corn straw mulching,NWICM)6个处理。经过2013-11-15-2014-04-04和2014-11-15-2015-04-04冬季大田试验,得到:灌水和地表覆盖可以平抑土壤温度的变幅,免冬灌或冬灌条件下,温度变异幅度均为裸地留秆玉米秸秆覆盖。玉米秸秆覆盖更有利于土壤水分保持,WICM土壤储水量比WIB和WICS分别多29.10%和10.36%,NWICM土壤储水量比NWIB和NWICS分别多14.97%和2.21%,经过两年冻融过程NWIB、NWICS和NWICM 0~100 cm土壤储水量平均减少了18.32、7.36和2.62 mm。(免)冬灌0~30 cm土壤含盐量均为裸地留秆玉米秸秆覆盖;0~100 cm土壤范围冬灌盐分淋洗率为玉米秸秆覆盖(34.86%)留秆(15.82%)裸地(7.26%);免冬灌0~100cm积盐率为裸地(10.11%)留秆(7.96%)玉米秸秆覆盖(3.01%)。研究结果可为南疆冬季休闲期棉田土壤水热盐调控提供科学依据。     

秸秆覆盖对冬小麦农田土壤有机碳及其组分的影响

通过对黄土高原旱塬区冬小麦地4种覆盖方式下(无覆盖对照处理(CK)、全生育期9 000kg/hm~2秸秆覆盖(M1)、全生育期4 500kg/hm~2秸秆覆盖(M2)和夏闲期9 000kg/hm~2秸秆覆盖(SM))土壤的田间定位试验和室内分析,探讨不同秸秆覆方式对冬小麦地土壤有机碳及其组分含量以及各组分之间相关性的影响。结果表明:(1)较CK(无覆盖对照)处理,M1(全生育期9 000kg/hm~2)、M2(全生育期4 500kg/hm~2)和SM(夏闲期9 000kg/hm~2)处理,均显著增加0—10cm和10—20cm土层的土壤有机碳、微生物量碳、潜在矿化碳和颗粒有机碳含量(p0.05),而20—40cm土层差异不明显,其中M1(全生育期9 000kg/hm~2)处理效果最佳,SM(夏闲期9 000kg/hm~2)处理作用相对较弱。(2)不同覆盖方式影响土壤微生物量碳、潜在矿化碳和颗粒有机碳在总有机碳中的分配比例,土壤微生物量碳、潜在矿化碳和颗粒有机碳的相对含量变化范围分别为1.96%~3.31%,2.83%~3.78%,18.13%~37.25%。(3)各覆盖方式下土壤有机碳及其组分含量都随着土层的逐渐深入而下降,且土层越深,变化越趋于缓慢。(4)不同覆盖方式下的土壤有机碳及其组分含量两两之间均达到了极显著正相关关系(p0.01),颗粒有机碳、微生物量碳和潜在矿化碳与土壤有机碳的相关系数依次为:0.847,0.700,0.614,可见微生物量碳、潜在矿化碳、颗粒有机碳含量在一定程度上决定于土壤有机碳的贮存量。综上所述,秸秆覆盖对土壤有机碳及其组分含量具有增加效应,全生育期9 000kg/hm~2秸秆覆盖方式实际运用价值较高。颗粒有机碳和微生物量碳的动态变化更能反映土壤有机碳的早期变化,是土壤肥力变化更加敏感的指标。     

大兴安岭北部寒温带针叶林表层土壤冻融变化特征

基于2009—2019年地表土壤温度和积雪数据，分析了近10 a来我国大兴安岭北部多年冻土区土壤冻融变化特征，包括冻融循环次数和天数、冻融开始和结束时间、持续时间、变动幅度等。表层土壤春季融化过程期主要发生在4月中下旬至5月中旬，秋季冻结过程期主要发生在9月中下旬至10月中旬，平均每年发生冻融39次或41 d。春季融化过程期相比秋季冻结过程期，平均冻融循环次数或天数相差并不大，研究期间内大于、小于和相近年份均有出现。但冻结期冻融循环变动幅度(主要在2.6～15.0℃)大于融化期(主要在2.6～12.5℃)。春季融化期开始时间与积雪结束时间基本吻合，而积雪开始时间均发生在秋季冻结期结束之后。因此，两个冻融期很少有积雪覆盖，冻融循环主要受气温影响。本研究为深入理解大兴安岭多年冻土对气候变化的响应、制定适宜的气候变化对策提供参考依据。     

积雪覆盖条件下土壤液态含水率空间分布

为了揭示季节性冻土区积雪覆盖条件下土壤垂直剖面各层次液态含水率序列的复杂性变化过程,基于(2013年11月-2014年4月)实测的田间数据,分析了裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下5、10、15、20、40、60、100、140、180 cm土层土壤液态含水率的变化过程,采用变异系数、方差等指标评价其时间序列的离散程度,同时利用小波变换信息量系数(wavelet transform information cost function,WT-ICF)值对含水率序列的复杂性进行识别验证。结果表明:冻融期,积雪覆盖阻碍了土壤与环境之间的水汽传输与能量交换过程,裸地处理条件下土壤含水率变幅最大的层面出现在20 cm土层处,其含水率变幅为18.31%,自然降雪、积雪压实和积雪加厚条件下其最大变幅层面分别为15、15、10 cm,层面逐渐上升;裸地处理条件下20 cm土层处的离散程度最大,随着积雪覆盖厚度的增加和密度的增大,序列离散程度最大的层面逐渐上移,其变异系数依次为6.0189%、6.1367%和6.8546%,波动性增强;小波变换信息量系数能够精确的测算各土层土壤含水率的复杂度,裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚处理条件下其复杂性活跃层依次为21、18、14和10 cm,积雪的存在导致了环境因子对于土壤的影响区域减小,复杂性活跃层向地表移动。该研究揭示了北方寒区冻融期土壤水分迁移的复杂性特征,对于合理预测春播期土壤墒情,精准、高效的利用土壤水资源具有指导意义。     

寒旱灌区冻融期冬小麦不同覆盖条件土壤温度变化

为揭示冻融期冬小麦不同覆盖条件土壤温度变化规律,基于河套灌区冬小麦地膜覆盖、秸秆覆盖和无覆盖3个试验区的实测土壤温度数据,分析了不同覆盖条件对土壤温度的影响及不同土层的土壤温度变化过程。结果表明:地膜覆盖对冻融期的土壤温度具有较好的增温效果,秸秆覆盖效果稍差;地膜覆盖和秸秆覆盖对土壤表土层增温效果较好,随着深度的增加,增温效果逐渐降低;地膜覆盖和秸秆覆盖在冻结期对土壤的增温效果最好,融解期的增温效果稍差,冻结稳定期增温效果很小;土壤温度变化过程在冻结期和融解期呈现不同特点,冻结期土壤温度随着土壤深度的增加而升高,融解期随着土壤深度的增加而降低,同时土壤融解速度远大于冻结速度。该研究结果可为寒旱灌区冻融期土壤水热运移提供参考,对冬小麦种植管理具有现实意义。     

积雪与地表联合覆盖条件下冻融土壤水盐运移规律

为探索石河子灌区冻融季节积雪与地表联合覆盖条件下土壤水盐运移的变化规律,2015—2016年通过田间小区试验,进行了秸秆、地膜、活性炭3种地表覆盖和裸地对照在整个季节性冻融期土壤水盐时空动态变化规律研究。结果表明;地表覆盖比裸地具有更好的保墒、降盐效果。冻结土壤完全融通后,秸秆、活性炭覆盖出现含水量增幅的最大土层范围分别是0—30,0—40cm,反映出这2种覆盖经历冻融过程后更有利于土壤水分的保持和融雪水的高效利用;活性炭、秸秆、地膜覆盖和裸地在0—30cm土层含盐量相比初始值的增幅分别为18.08%,20.30%,30.91%,32.81%,可见活性炭覆盖下抑制盐分向上运移效果最为显著,秸秆覆盖次之;经历冻融过程,土壤水分和盐分变异性随土壤深度的增加而呈现递减趋势。     

秸秆覆盖秋浇后盐渍土壤冻融过程及水盐运移特征

为了探讨在寒旱盐灌区覆盖秋浇后冻融土壤的冻融特性及水热盐协同调控机制,在盐渍土壤进行覆盖后秋浇田间冻融试验,设5个处理,秸秆覆盖量1.2kg/m~2(F1.2)、秸秆覆盖量0.9kg/m~2(F0.9)、秸秆覆盖量0.6kg/m~2(F0.6)、秸秆覆盖量0.3kg/m~2(F0.3)、未覆盖(CK)。结果表明:秸秆覆盖影响了土壤冻结融化推进过程,改变了土壤温度对气温变化的响应关系,影响了水分、盐分在土壤剖面(特别是土壤表层和耕作层)的重新分配,提高了翌年春季水分可利用量,抑制了表层及耕作层春季返盐,提高了秋浇的灌水效果。秸秆覆盖处理的最大冻结深度小于CK处理4~26cm,初冻时间滞后0~12d,融化时间滞后0~21d;秸秆覆盖的各处理由于覆盖层的存在,消融水蒸发受到抑制,表层积盐现象较弱;消融期结束后,在土壤表层0—10cm,F0.9的土壤含水率最高,处理F1.2较秋浇前脱盐率为81.18%,脱盐效果最好;在耕作层0—40cm,F0.9的土壤含水率最高,处理F0.6较秋浇前脱盐率为75.65%,脱盐效果最好;为保证在翌年春播时的适宜含盐量及含水率,以覆盖量0.6~0.9kg/m~2为宜。研究结果可为河套灌区秋浇制度的优化提供参考。     

不同秸秆还田方式对黄土高原坡耕地土壤呼吸的影响

选取豫西黄土高原典型玉米坡耕地,设置常规耕作+秸秆不还田（CT）,常规耕作+秸秆还田（TSI）和常规耕作+秸秆覆盖（TSM）3种处理,采用LI-8100A土壤碳通量测定系统,研究非生长季不同秸秆还田方式对土壤呼吸时空变化的影响。结果表明:CT,TSI,TSM处理下土壤呼吸速率随时间变化趋势基本一致,变化范围分别为0.22～1.23,0.29～1.35,0.26～0.91 μmol/（m²·s）,在温度和水分较低时段3者差异不显著,在温度和水分较高的时段3种处理土壤呼吸差异显著,表现为TSI > CT > TSM。3种处理不同坡位土壤呼吸有明显差异,总体表现为坡下 > 坡中 > 坡上,TSM处理下土壤呼吸空间异质性明显低于其他两种处理;不同坡位土壤温度和水分呈现明显的差异性,表现为坡下 > 坡中 > 坡上,并随温度和水分的升高,空间差异性增大。不同处理下土壤呼吸与温度和水分都呈现出显著的线性相关关系（p < 0.01）。秸秆覆盖在非生长季能有效减少土壤呼吸量,而秸秆还田增加土壤呼吸量,因此秸秆覆盖从减少温室气体排放的角度是较合理的秸秆还田方式。     

The effect of mulching and tillage on the water and temperature regimes of a loess soil: Experimental findings and modeling

Crop residues and tillage are being advocated for their potential effectiveness to modify the soil hydrothermal regime. This study was carried out to quantify the effect of straw mulching and rotary hoeing on the soil water and thermal regimes of a loess soil. The field experiment consisted of four treatments: (1) no mulching and no rotary hoeing as control, (2) rotary hoeing, (3) wheat straw mulching, and (4) wheat straw mulching with rotary hoeing. During the study period from 5 August to 20 September 2002, soil water content and pressure head were measured daily at five soil depths (0.05, 0.15, 0.30, 0.45 and 0.60 m). Soil temperatures were measured at hourly resolution at three depths (0.05, 0.15 and 0.30 m). Mulching decreased soil water loss on an average by 0.39 mm d⁻¹ and rotary hoeing increased water loss on an average by 0.12 mm d⁻¹ as compared to control. Volumetric soil water contents at pF 1, 1.8 and 2.5 up to 30 cm depth were highest (0.418, 0.390, and 0.360 m³ m⁻³, respectively) with the application of wheat straw mulch and lowest (0.393, 0.363, and 0.333 m³ m⁻³, respectively) with the rotary hoeing. Soil thermal conductivity measured at pF 1, 1.8, 2.5, 3, and 3.7 decreased with increasing suctions in all the treatments. However, the tillage and mulching did not affect the soil thermal conductivity. Further, compared with the control, mulching reduced average soil temperatures by 0.74, 0.66, 0.58 °C at 0.05, 0.15, and 0.30 m, respectively, during the study period. The rotary hoeing tillage slightly increased the average soil temperature by 0.21 °C at 0.05 m depth compared to control. The tillage effect did not transmit to deeper depths. The numerical model Hydrus-1D was used to simulate the water and temperature regimes of the treatments. Simulations with hydraulic parameters derived from laboratory measurements did not yield satisfactory results. Only when the hydraulic parameters were optimized by the inverse method, simulations performed well. The largest deviations were observed in the wheat straw mulching treatment. Simulations were further improved by adjusting the potential evaporation rate from the measured data which was achieved by linking the inversion code UCODE to the Hydrus-1D. Soil temperatures at 0.05 and 0.15 m in all the treatments were modeled well, yielding root mean square errors between 0.3 and 1.7 °C. As for soil water, the largest temperature deviations were found for the mulching treatment. All simulations underestimated soil temperatures at 0.30 m. In conclusion, crop residue can be utilized as mulching to improve the soil hydrothermal regime and the Hydrus-1D model can be used as a tool for analyzing water and heat transport processes and for estimating hydraulic transport parameters under field conditions.     

秸秆覆盖红壤径流养分流失效益及径流剪切力影响研究

采用模拟降雨试验的方法,研究秸秆覆盖条件下红壤侵蚀效益及动力影响因素。模拟降雨强度2.0mm/min,坡度20°,径流小区(长1.5m,宽0.5m,深0.3m)条件下,供试土壤为赤红壤。结果表明:(1)秸秆覆盖减流效益达到69.3%,减沙效益达到99.2%;明显提高土壤的入渗速率,渗透效益达到了32%,秸秆覆盖有较好的水土保持效益。(2)秸秆覆盖有效减少径流总氮、径流溶解态氮、径流颗粒态氮、径流总磷、径流溶解态磷、径流颗粒态磷的流失,减少径流中氮流失效益均达到74%以上,减少径流中磷流失效益均达到78%以上,径流中元素流失均以溶解态氮磷元素大于颗粒态氮磷元素,秸秆覆盖减少径流中磷养分流失的效益大于氮养分的流失效益。(3)建立单位面积单位时间径流剪切力和产沙率、径流总氮、径流溶解态氮、径流颗粒态氮和径流总磷、径流溶解态磷、径流颗粒态磷流失速率的模型,初步推断径流剪切力是土壤侵蚀的主要动力因素。(4)秸秆覆盖和未覆盖的临界启动径流剪切力分别为2.8N/m2和1.5N/m2。     

秋耕对北疆季节性冻融期土壤热状况的影响

为明确秋耕对季节性冻融土壤热状况的调控作用,对比分析了翻耕（FG）、免耕（MG）、垄沟（LG）、翻耕活性炭覆盖（FH）和翻耕秸秆覆盖（FJ）5种处理对土壤温度、冻融循环以及土壤温度梯度等影响的差异。结果表明：与传统FG处理相比,MG、LG、FH、FJ处理均减弱了土壤温度与气温的相关性,降低了整个冻融期土壤温度的升、降温幅度和不同冻融阶段土壤温度昼夜变化的变异性程度,维持土壤温度序列稳定的能力FJ>FH>LG>MG。FG处理最先冻结和融化,其余处理延缓土壤冻结和融化速度的效果为FJ>FH>LG>MG,且冻结速度和融化速度越小,冻融交替越频繁,冻融循环次数越大。各处理土壤温度梯度与气温均呈极显著的相关关系（P<0.01）,相关性程度为FG>LG>MG>FH>FJ,与土壤贮水量均呈极显著的负相关关系（P<0.01）,相关性程度为FJ>FH>LG>MG>FG,MG、LG、FH、FJ处理均加强了土壤水热资源的保持,其中翻耕秸秆覆盖和翻耕活性炭覆盖促进了深层土壤热量上移,更有利于改善季节性冻融期间土壤的水热状况,维持北疆春播土壤墒情。     

秸秆深层覆盖对土壤水盐运移及小麦生长的影响

通过对秸秆不同覆盖方式的土柱模拟实验研究表明,秸秆深层覆盖在土壤中形成了一个毛细管障碍层,破坏了土壤毛细管的连续性,明显降低深层土壤水分蒸发,减少了深层土壤盐分向表层的运移;秸秆表层覆盖使土表与空气的接触面变小,利于土壤保水。深层秸秆结合表层秸秆覆盖对土壤的保水效果最好,而且抑制盐分的土壤表聚,减轻土壤盐分对作物生长的胁迫,降低土壤耕层的返盐,保证了作物正常生长。