河西走廊近40年地表土壤冻融状态变化特征

为探究河西走廊地区土壤冻融规律，基于ERA5-LAND逐小时地表温度数据，通过划分不同冻融阶段并结合Mann-Kendall趋势检验及线性回归法，分析河西走廊近40年地表土壤冻融状态变化特征。结果表明：(1)春季过渡期发生天数呈现平原多山区少，总体年均发生天数为65天以上，完全融化期发生天数整体上为北部多于南部，在同一纬度上呈东部多于西部，且发生天数为200天以上的地区不断增加；秋季过渡期年均发生天数最少，为50天左右，完全冻结期发生天数随海拔升高而增加，其中春季过渡期发生天数的空间分布随时间变化较明显。(2)春季过渡期和完全融化期起始日期由北向南逐渐推迟，南北差异最大为90天以上，且不同时期完全融化期起始日期空间分布变化明显。秋季过渡期起始日期与前者相反，由北向南逐渐提前，不同时期空间分布无明显差异。绝大部分地区在12月份进入完全冻结期，高海拔山区在11月份进入完全冻结期。(3)研究区大部分地区春季过渡期起始日期滞后，完全融化期起始日期提前，故春季过渡期发生天数总体以0.2天/年的速率减少，而大部分地区秋季过渡期起始日期滞后，致使完全融化期发生天数以0.3天/年的速率增加。研究区北部...     

青海湖流域高寒草甸季节冻土土壤温湿变化特征

根据2018—2020年青海湖流域高寒草甸野外定点监测的温度、降水、土壤水热数据，分析了高寒草甸生态系统土壤冻融特征以及不同冻融阶段土壤温度、水分的日变化和季节动态过程。结果表明：(1)基于土壤温度变化特征分析，可将冻融循环过程划分为始冻期、完全冻结期、解冻期和完全融化期。各阶段持续的天数长短依次为：完全融化期>完全冻结期>解冻期>始冻期。从表层到深层土壤，完全融化天数持续增大，完全冻结天数趋于减小，0～180 cm土层完全融化期持续天数超过半年以上。(2)冻土表现出单向冻结、双向融化的规律，土壤融化速率(5.45 cm/d)快于土壤冻结速率(2 cm/d)。整个冻融过程，不同深度土壤水分的变化比温度的变化更复杂。(3)随着冻融循环过程，土壤温湿度呈现出周期性的季节变动特征。土壤温湿度日变化具有一致性，表层日较差大，随着深度的增加，日较差变小并趋于稳定。土壤剖面的结构特征对土壤水分异质性分布具有较强的解释性。     

草甸土冻融环境与春季解冻期降雨侵蚀模拟研究

以我国东北草甸土为研究对象,采用人工模拟降雨方法,分析试验区冻融环境及春季解冻期室外降雨侵蚀过程。结果表明:温度大体经历了降温、稳定和升温3个阶段,对应地表土壤经历了冻结、稳定冻结和融化3个过程;表层土壤在冻结和融化的两个过程中都经历了冻融作用,其中10月末至12月初和2月中下旬至3月上中旬均是地表土壤经受冻融交替作用强烈的时期,特别是融化阶段是控制春季解冻期土壤侵蚀的关键时期;冻融前后土壤含水率减小19%、土壤容重减小8.9%;整体土壤侵蚀速率表现为增加趋势;小雨强解冻深度浅的处理,侵蚀速率增加幅度不大,坡面细沟以宽浅型为主;大雨强侵蚀速率波动性增强。     

鄂尔多斯红色砒砂岩冻融循环变形特性

砒砂岩区的产沙量是以非径流的冻融风化侵蚀为主形成的,冻融循环作为一种特殊的强风化作用,其对砒砂岩进行结构性的破坏.为揭示砒砂岩冻融破坏机制,使用LDMD-A三温冻融循环试验仪,以内蒙古自治区鄂尔多斯准格尔旗红色砒砂岩为研究对象,模拟自然条件进行单向冻融,研究分析冻融次数及含水率对原状砒砂岩冻融循环的影响规律.结果表明:冻融循环过程可以很清晰地反映砒砂岩在冻结和融化过程中,其固相、液相相互转化时内部热量的变化,以及砒砂岩冻结、融化过程的体积变化;在冻结过程中,砒砂岩冻胀率与含水率、冻融次数密切相关,含水率对冻胀率影响更显著.当含水率为8.56％和10.27％时,冻胀率随冻融次数增加而增大;但含水率为8.56％时,冻胀量很小,当含水率＞10.27％时,发生冻胀明显,试样冻胀量会随冻融次数增加而增大;当含水率≥11.53％时,冻融循环＞6次,冻胀率趋于平缓.其结果揭示了不同因素下,砒砂岩冻融循环变形规律,为砒砂岩冻融侵蚀机理的深入研究提供参考.     

黑土农田冻结-融化期土壤剖面温度变化特征

[目的]研究东北黑土区农地土壤温度变化特征,为冻融作用程度量化分析和冻融作用对土壤侵蚀影响提供基础数据。[方法]利用2015—2018年黑龙江省宾州河流域典型农地2 m土壤剖面11月至翌年4月土壤温度观测资料以及气温数据,分析了冻结和融化过程中土壤温度变化特征以及土壤温度对气温变化的响应,确定土壤冻结与融化过程中耕层土壤冻融循环次数。[结果] 11月至翌年2月的冻结期,土壤温度随土层深度的增加而增加;3—4月份土壤温度梯度发生反向改变,当土壤完全消融后,土壤温度随着土层深度的增加而递减,土壤最大冻结深度为80 cm。研究结果还表明,0—60 cm土层的土壤温度均与气温呈极显著正相关,其相关性随土壤深度增加而减小;而80 cm以下土层,土壤温度均与气温呈负相关。[结论]研究区土壤冻结和融化过程分别呈单向冻结和双向融化现象,冻融循环主要发生在农地耕层0—20 cm土层,其年最大冻融循环次数分别为12次和7次,为设计黑土冻融循环模拟试验提供了数据支持。     

农田黑土氮素转化特征对冻融作用的响应

为了深入了解非生长季农田黑土氮素转化过程,采用室内冻融模拟培养试验研究了不同冻融因子[冻融温度(冻结温度:-3、-6、-9、-12、-15℃;融化温度:2、5℃)、冻融循环次数(1、3、6、10、15;其中在-3℃冻结6 d、2℃融化1 d为1个冻融循环次数)、水分含量(10%、20%、30%)]对农田黑土无机氮组分含量及氮素转化速率的影响。结果表明,较大的冻融温差(-15℃/2～5℃)、适宜的冻融循环次数(1～3)和水分含量(20%～30%)是影响农田黑土氮素转化的主要驱动因子。冻融土壤铵态氮含量、硝态氮含量、净氮矿化速率和硝化速率均随着冻结温度降低显著增加,均随着融化温度升高无显著性变化。随着冻融循环次数增加,冻融土壤铵态氮含量、硝态氮含量、净氮矿化速率和硝化速率均显著降低。随着水分含量增加,冻融土壤铵态氮含量显著增加,这与硝态氮的变化趋势相反,而净氮矿化速率和硝化速率均无显著性变化。可见,冻融作用显著促进非生长季农田黑土氮素转化,有利于土壤有效氮的累积。     

农田黑土季节性冻融过程及其水分分布特征

秋冬、冬春季节转换过程中0~10 cm农田黑土温度日较差较大,土壤经历着反复的冻融交替过程,大于20 cm的土壤温度日较差逐渐减小,冻融作用对深层土壤的影响逐渐减弱。融冻期土壤融化过程是由地表向下和由季节冻结层底面向上两个方向同时进行;而冻融期土壤冻结过程由土壤表面向下单方向进行。冻融过程中土壤水分发生迁移而重新分布,冻结期上层土壤首先冻结并聚集水分;融化期冻层融化水分向冻结锋面迁移,越靠近冻结层水分含量越大。     

冻融循环对土壤性状特征影响研究进展

土壤冻融是由于大气温度的周期性变化,土壤层出现冻结与融化交替的现象,在草原、农田、森林等生态系统广泛存在。土壤冻融对农业生产、土壤资源的有效利用以及生态气候与水文环境的预测具有重要的指示作用。近年来,关于土壤冻融的生态效应备受关注。论文重点阐述了近年来国内外关于土壤冻融循环研究方面的进展,从冻融循环对土壤的物理、化学以及生物特性3个角度的影响进行分析。现有研究表明,冻融循环是以土壤为传递基质的水分运移发生了变化,也是土壤能量输入和输出的过程。此外,冻融循环也会影响到土壤抗侵蚀性能,尤其在春季解冻期间较为严重,其中土壤含水量较高和有积雪的地域十分明显。冻融循环过程对土壤生物化学的影响主要是通过作用于土壤微生物区系、微生物量和活性等方面,使微生物群落组成和结构发生变化。基于此,论文从冻融循环对土壤理化性质(水热状态、团聚体和抗剪程度)、碳氮循环、土壤酶活性以及土壤微生物活性影响等方面对国内外研究现状进行了归纳与总结,并提出了研究展望,以期加深人们对土壤冻融循环生态效应的认知,并为挖掘冻融循环下植物-土壤-微生物耦合关联机理的研究提供一定的科学依据。     

青藏高原多年冻土区土壤冻融期间水热运移特征分析

以唐古拉监测点气象及活动层土壤水热资料为基础,对青藏高原高海拔多年冻土区冻融期活动层土壤的水热特征进行了分析。研究结果表明:不同土层的土壤温度变化规律基本一致,土壤温度的变化滞后于气温的变化,而且滞后时间随着土层深度的增大而增大,表层土壤温度变化波动较大,随着深度的增加,土温温度变化趋于平缓;气温的降低引起了土壤温度的降低,从而引起水分的迁移;在冻结期,水分向上下两个冻结锋面迁移,而活动层中部则被疏干,在融化期,活动层底部水分含量高,水分向相变界面附近迁移。拟合了冻结期未冻水含量与土壤温度的关系,相关系数R2平均值为0.89,结果基本能反映实际情况。该研究结果为高海拔多年冻土区冻融土壤水热耦合模拟的研究提供了基础理论依据。     

秸秆生物炭输入对冻融期棕壤磷有效性的影响

冻融交替是东北地区土壤常见的温度变化现象。通过室内模拟冻融循环方法,分析秸秆生物炭输入对冻融期东北地区棕壤有效磷影响规律及机理,探讨生物炭还田对东北春季作物生长初期土壤养分供应状况的影响。结果表明:(1)除在0~5次冻融循环中冻融次数对有效磷含量无显著影响外,冻融循环次数、生物炭施加量以及二者交互作用对土壤有效磷含量在各冻融阶段(0~5次、5~30次、0~30次)均有极显著影响。(2)培养结束后施加生物炭量2%、4%和6%处理,有效磷含量随生物炭施入量增大而依次增加,且均明显高于对照处理20%以上。各处理在第5次冻融左右达到峰值,有效磷含量增加幅度随生物炭施加量增加而减小。在第20次冻融循环后各处理有效磷含量达到相对谷值,此时施加生物炭处理有效磷含量较未冻融时有明显降低。说明,生物炭在常温培养时可以增加土壤有效磷含量,但是,在冻融过程中,相对于对照处理可以较好固持土壤磷素,减小磷素随融雪过程流失的风险。(3)通过分析生物炭输入后棕壤pH、电导率、有机质和中性磷酸酶活性等生物化学性质对冻融循环过程响应,以及不同冻融循环阶段与土壤有效磷相关分析,发现有机质含量在冻融循环过程中变化显著且与有效磷含量具有显著相关性。生物炭通过增强团聚体稳定性,减少有机质释放来固持土壤磷素。     

CO2 emissions from soils of different depths of a permafrost peatland,Northeast China: response to simulated freezing–thawing cycles

Soil freezing–thawing cycle (FTC) is an important factor controlling C dynamics in mid–high latitude regions, especially in the permafrost regions impacted by global warming. Nonetheless, the response of C cycling in the deeper active layers of permafrost regions to FTC remains far from certain. We aimed to characterize the emission of CO₂ from soils of multiple depths as impacted by FTC and its relationship with active organic C (OC) and enzyme activities. We collected soil samples from three soil layers (0–15, 15–30, and 30–45 cm) of an undisturbed peatland in the Da Xing'anling Mountains, NE China, and then subjected them to various freezing (10 to –10°C) and thawing (–10 to 10°C) cycles. Soil CO₂ emissions, two active OC fractions, and activities of three enzymes were monitored during incubation periods. At the thawing stage of the first FTC, CO₂ emission rates in the three soil layers presented transient peaks being ≈ 1.6–1.7 times higher than those of the unfrozen control sample. Although FTC did not change the overall patterns of decreasing CO₂ emission along the soil profile, FTC significantly reduced the amount of CO₂ emission when compared with the unfrozen control sample, possibly because the small CO₂ emission at the freezing stage neutralized the peak of CO₂ emission at the thawing stage. This study suggests that in the active layer of permafrost peatlands, CO₂ emission during FTCs may be lower than the emission under higher temperatures, but experiment with more temperature gradients should be encouraged to verify this conclusion in the future. Meanwhile, FTC significantly increased water extracted OC release from the three soil layers, ≈ 1.2–1.6 times higher compared to the unfrozen control sample, indicating that soil carbon loss in the form of leachate may increase during freezing–thawing periods. Additionally, the CO₂ emissions impacted by FTCs were significantly correlated with active OC fractions and enzyme activities, which indicated that active OC and enzymes were sensitive to FTCs, and surviving microbes and enzymes might use the increased liable substrates and induce the CO₂ emission during freezing–thawing periods.     

冬季增温对东北农田黑土氮磷有效性的影响

为探究全球气候变暖对东北农田黑土氮、磷有效性的影响,该研究以东北农田黑土为研究对象,采用红外辐射增温技术模拟气候变暖（增温5 ℃）,将样地分为增温组（W）和对照组（C）来进行野外原位试验,通过测定土壤温度、土壤湿度、冻融循环次数、积雪厚度、冻结深度、铵态氮（ammonium N,${\rm{NH}}_4^+-{\rm{N}}$）、硝态氮（nitrate N,${\rm{NO}}_{3}^{-}-{\rm{N}}$）、全氮（total N,TN）、微生物量氮（microbial biomass N,MBN）、速效磷（available P,AP）、全磷（total P,TP）浓度,分析不同指标在冬季增温下的动态变化过程及其响应。结果表明：冬季增温显著提升土壤温度和含水率,进而增加土壤的冻融循环次数,并且减少了土壤积雪深度和冻结深度,使冻结时间点延后和融化时间点提前。增温组土壤相较于对照组,经过整个冬季后,土壤${\rm{NH}}_4^+ -{\rm{N}}$、${\rm{NO}}_{3}^{-}-{\rm{N}}$、TN、MBN和TP浓度分别降低126.38%、146.98%、51.23%、21.48%和12.61%, AP浓度提升了25.54%（P<0.05）。在冬季增温过程中,各时期土壤温度的提升会对土壤有效养分产生显著影响,导致在融化期氮素大量的流失。研究结果可为后续春季合理高效施肥,改善东北农田土壤质量提供理论基础。     

土壤冻融作用对植物生理生态影响研究进展

土壤冻融作用是季节性冻土区和多年冻土区常见的自然现象,主要是指由于土壤温度变化而出现的反复冻结解冻过程。冻融作用不仅影响土壤的理化和生物学性质,而且还会改变植物的生理生态过程,从而可能对冻土广泛分布的高纬度和高海拔地区植被生态系统生产力产生重要影响。本文重点论述了土壤冻融对植物地上和地下部分生理生态过程的影响效应以及全球变化背景下高寒植被生态系统对不同冻融格局的响应特征,总结了不同气候环境条件及生境胁迫下植物光合作用、生物量和生产力、根系生长及其对水分和温度胁迫响应等的生理生态表现,同时对当前土壤冻融与植物生理生态领域研究存在的不足进行了阐释,提出全球变化背景下频繁的土壤冻融作用将强烈改变植被生态格局和功能,并指出这种改变在高寒生态系统中表现将更为显著。     

季节性冻融区农业土壤矿质氮有效性变化规律原位试验

为了更好地认识冻融过程对季节性冻融农业区土壤矿质氮有效性的影响,以吉林省长春市黑顶子河流域为研究对象,采用改进的树脂芯法开展了自然状态下表层土壤氮素原位培养试验。结果表明:土壤冻结过程使各下垫面土壤铵态氮含量增加了170%,硝态氮含量减少了19%,进而增加了土壤矿质氮含量及铵态氮所占比例,同时使各下垫面土壤铵态氮含量变异系数减小36%,硝态氮含量变异系数增加了250%。冻土融化过程中,土壤铵态氮含量无显著变化,硝态氮含量显著增加后趋于稳定;冻土融化初期,积雪融化和积雪融化与冻土融化的叠加过程使各下垫面土壤铵态氮含量变异系数分别增加了39%和48%,硝态氮含量变异系数减小了65%和40%,但大部分阶段硝态氮变异系数大于铵态氮。冻融过程中,土壤含水率的变化并未对土壤中铵态氮和硝态氮含量产生显著影响。     

极端干旱区土壤呼吸对储水灌溉和冻融循环的响应

[目的] 揭示中国极端干旱区甘肃省石羊河流域储水灌溉与季节性冻融叠加作用下对土壤呼吸的影响,为进一步提高极端干旱区灌溉水资源利用效率和节约灌溉水源提供理论基础和技术支撑。[方法] 按照1 199.4 m³/hm²低灌溉定额分为灌水和非灌水处理,将冻融循环分为冻结期、冻融期和解冻期3个时间段,采用LI-8100土壤碳通量全自动测量系统对各处理地块的土壤呼吸速率进行观测与分析。[结果] 极端干旱区储水灌溉在季节性冻融作用下农田生态系统土壤呼吸速率增强,土壤碳排放量增加,农田生态系统碳循环被改变,有利于作物的生长和提高粮食产量。不同土地利用方式下土壤呼吸速率对水分和温度的响应程度不同。整个冻融过程中土壤呼吸速率呈现出：解冻期>冻结期>冻融期的规律。冻结期、冻融期和解冻期3个时期的土壤CO₂都表现为源,但在夜间极低温度时土壤CO₂由源转化为汇。[结论] 储水灌溉调控了整个冻融期土壤呼吸的过程,改变了极端干旱区农田生态系统的碳循环。在水分与季节性冻融叠加作用下,储水灌溉地块土壤呼吸速率相对未储水地块随温度的波动更为剧烈,但与温度的变化趋势一致,水分加剧了其随温度的波动。     

冻融对东北黑土硒酸盐吸附解吸的影响

为探究冻融过程对东北黑土硒酸盐(Se(Ⅵ))吸附、解吸的影响机理,通过室内不同初始含水率及冻融次数模拟冻融循环,随后利用冻融后土壤进行Se(Ⅵ)的吸附和解吸试验,分别采用Langumuir和Freundlich方程对Se (Ⅵ)吸附过程进行拟合.结果 表明:冻融显著(P＜0.05)改变了东北黑土pH值、有机质、球囊霉素...     

冻融交替对土壤CO2及N2O释放效应的研究进展

在秋冬交替和冬春交替时期高纬度地区和高海拔生态系统表层土壤常有冻融交替频繁发生。由于冻融交替作用通过改变土壤水热性质而对土壤物理、化学、生物学特性产生效应。冻结通常导致土壤团聚体破裂、微生物细胞及细根死亡,释放出活性较高的有机物,增强随后融解的土壤的反硝化和呼吸活性,从而影响土壤生物、生物化学过程以及生物地化循环。已有对苔原、泰加林等北极和亚北极生态系统的研究表明,土壤冻融交替次数、冻融极端温度、土壤水分、土壤团聚体结构变化等对CO2和N2O的释放通量影响较为显著,一般在冻融的最初几个循环温室气体排放会增加,随后会降至一个较为稳定的水平。目前,冻融循环变化背景下的温室气体排放研究主要是针对北方高纬度地区,而且对冻融交替影响土壤温室气体排放的机理研究也不够。我国面积广大的青藏高原高海拔地带在全球增温背景下,轻微增温会导致季节性冻土表层冻融交替次数增加,甚至冻土季节消失,加强全球增温背景下我国高山亚高山季节性冻土生态系统效应和过程研究,特别是土壤暖化导致的温室气体排放变化通量和变化机理的研究,对揭示全球变化的区域效应以及高海拔生态系统的管理都具有重要作用。