利用计算机断层扫描技术研究土壤改良措施下土壤孔隙

为探明不同土壤结构改良措施（秸秆覆盖、免耕、有机肥、保水剂）对土壤孔隙特征及分布的影响,采用计算机断层（computed tomography,CT）扫描法定量分析了土壤孔隙的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。结果表明：不同措施均提高了土壤总孔隙数、大孔隙数及0.13～1.0 mm孔隙数,且其孔隙度也相应提高。同时孔隙成圆率也得到了改善。各处理中以有机肥和免耕处理效果较佳,其次为保水剂和秸秆覆盖,对照最低。此外,不同措施显著提高了土壤的田间持水量和＞0.25 mm 水稳性团聚体含量,降低了土壤容重,且各处理中,仍以有机肥和免耕处理效果最佳,其田间持水量分别较对照提高了15.9%和16.4%,而土壤容重较对照降低了6.8%和8.8%。相关分析表明：田间持水量、容重和＞0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤总孔隙度和大孔隙度呈显著或极显著正相关;而土壤容重对于总孔隙度和大孔隙度及孔隙成圆率呈显著负相关。     

不同轮耕方式对渭北旱塬麦玉轮作田土壤物理性状与产量的影响

为研究不同轮作模式对渭北旱作冬小麦?春玉米一年1熟轮作田土壤物理性状和产量的影响,于2007—2014年在陕西省合阳县冬小麦?春玉米轮作田连续7年实施了保护性耕作定位试验,测定和分析了免耕/深松、深松/翻耕、翻耕/免耕、连续免耕、连续深松和连续翻耕6种轮耕模式下麦田0~60 cm土层物理性状、0~200 cm土层土壤湿度和小麦产量的变化。结果表明:1)不同轮耕模式0~40 cm土层土壤容重、孔隙度和田间持水量差异显著,其中以免耕/深松效果最显著;0~60 cm土层免耕/深松轮耕处理平均田间持水量较连续翻耕处理提高12.9%;2)轮耕对土壤团聚体特性影响明显,免耕/深松0.25 mm水稳性团聚体含量(R0.25)最高,结构体破碎率和不稳定团粒指数(ELT)最低,水稳性均重直径(WMWD)最高,水稳性和力稳性团聚体分形维数(D)均最低;3)小麦生育期间免耕/深松处理0~200 cm土层土壤蓄水量和小麦产量较连续翻耕分别增加17.7 mm和9.5%。综合可知,轮耕有利于耕层土壤物理结构改善,免耕/深松更有利于耕层土壤大团聚体形成和土壤结构稳定,利于土壤蓄水保墒和作物增产,为渭北旱塬区麦玉轮作田较适宜的轮耕模式。     

CT扫描技术研究有机物料还田深度对黑土孔隙结构影响

为了探明有机物料还田深度对土壤孔隙结构的影响,2019年玉米播种前在黑龙江海伦市的黑土上开展了田间定位试验,设置了秸秆浅混还田(0～15 cm)(T1)、秸秆深混还田(0～35 cm)(T2)和秸秆配合有机肥深混还田(0～35 cm)(T3)3个有机物料还田处理,以无秸秆还田常规耕作为对照(CK),4次重复,随机排列。玉米秸秆还田量为10 000 kg/hm~2,有机肥还田量为30 000 kg/hm~2。2019年玉米收获后,采集原状土柱,利用CT扫描技术可视化土壤结构,量化土壤孔隙结构特征。结果表明,虽然有机物料还田仅一个玉米生长季,但是与CK处理相比,T1、T2和T3处理显著降低了0～15 cm土层容重,增加了饱和导水率和田间持水量(P0.05);T2和T3处理显著改善了15～35cm土层的上述3个土壤物理指标。有机物料的施用增加相应土层的孔隙数量、改善了孔隙分布。与CK处理相比,T1、T2和T3处理0～15 cm土层500μm孔隙数量和孔隙度分别显著增加了18.1%～179.9%和69.2%～256%(P0.05);与其他处理相比,T2处理15～35cm土层1000μm孔隙度显著增加了17.4%～196.2%(P0.05)。有机物料还田增加了孔隙结构的复杂性,土壤中出现了交叉孔隙和细长孔隙,提高了孔隙的连通性。与CK处理相比,T1、T2和T3处理显著降低了0～15 cm土层欧拉数,T1处理显著增加了分形维数(P0.05);秸秆或秸秆配施有机肥深混处理显著改善了15～35 cm土层的土壤孔隙结构,与CK相比,显著增加了各向异性、分形维数和成圆率,显著减少了欧拉数(P0.05)。欧拉数和1 000μm孔隙度分别对0～35 cm土层容重和饱和导水率贡献度最大,而各向异性和欧拉数分别对0～15 cm和15～35 cm土层田间持水量贡献度最大,说明有机物料对土壤物理性质的改善作用是通过调控土壤孔结构,改善孔隙分布、增加孔隙的复杂性、连通性来实现的。     

两种保护性耕作对土壤养分、结构和产量的影响

在湖北省武穴市和荆州市的长期定位试验基础上,研究不同水旱轮作制度和试验周期下,两种保护性耕作措施(秸秆还田、免耕)及配施钾肥对于不同土层(0~20 cm和20~40 cm)农田土壤养分和结构的影响。结果表明:(1)在两个地区,0~20 cm土层土壤中各养分含量均显著高于20~40 cm土层,且20~40 cm土层土壤中各处理之间变化规律不明显。在0~20 cm土层土壤中,免耕、秸秆还田以及施用钾肥均能有效提高土壤中各养分含量;(2)免耕、秸秆还田以及施用钾肥均能提高0~20 cm土层土壤0.25 mm水稳性团聚体的百分含量,且各处理的提高效果不尽相同。但是在20~40 cm土层土壤中,各处理之间没有明显规律;(3)秸秆还田能够减小土壤容重(减小5%),增加0~20 cm土层土壤总孔隙度,通气孔隙度,毛管孔隙度和土壤含水量,并增强土壤保持水分的能力。免耕处理效果却相反,施用钾肥处理的容重和孔隙度没明显变化;(4)秸秆还田和配施钾肥均能够显著增加油菜产量(增产了18%),免耕处理却不然。油菜产量和0~20 cm土壤养分(速效钾、有机碳)显著正相关(相关系数分别是0.989和0.963)。     

耕作方式对土壤水分入渗、有机碳含量及土壤结构的影响

为探明不同耕作方式对土壤剖面结构、水分入渗过程等的作用机理,采集田间长期定位耕作措施(常规耕作、免耕、深松)试验中的原状土柱(0~100 cm)及0~10 cm、10~20 cm、…、90~100 cm环刀样、原状土及混合土样,通过室内模拟试验进行了0~100 cm土层土壤入渗过程和饱和导水率的测定,分析了不同土层的土壤有机碳含量、土壤结构特征及相互关系。结果表明:从土柱顶部开始供水(恒定水头)到水分全部入渗到土柱底部的时间为:常规耕作免耕深松;土柱土壤入渗速率和累积入渗量为:深松免耕常规耕作;土柱累积蒸发量为:常规耕作免耕深松。土壤的饱和导水率表现为:0~10 cm和50~60 cm土层,免耕深松常规耕作;20~50 cm和60~100 cm土层,深松免耕常规耕作。随土层的加深,0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机碳含量均表现为先增加(10~20 cm)再降低的趋势。在0~40 cm土层和80~100 cm土层,均以深松处理0.25 mm水稳性团聚体含量最高。在60 cm以上土层,土壤有机碳含量表现为:免耕深松常规耕作,而60 cm土层以下土壤有机碳显著降低,均低于4 g·kg?1,且在70 cm以下土层,常规耕作免耕深松。综上,耕作措施能够改变土壤有机碳含量,改善土壤结构,促进土壤蓄水保墒;深松更利于水分就地入渗,而免耕则更利于有机碳的提升和水分的储存,其作用深度在0~60 cm土层。     

长期保护性耕作提高土壤大团聚体含量及团聚体有机碳的作用

【目的】团聚体形成被认为是土壤固碳的最重要机制。本文以河南豫西地区长期耕作试验为研究对象,研究了长期保护性耕作对土壤团聚体性质及土壤有机碳(SOC)含量的影响,为探讨土壤固碳机理,优化黄土高原坡耕地区农田耕作管理措施,实现土壤固碳减排、培肥土壤提供理论依据。【方法】长期耕作试验开始于1999年,试验处理有免耕覆盖(NT)、深松覆盖(SM)和翻耕(CT)。利用湿筛法筛分第3年(2002年)和第13年(2011年)0—10cm和10—20 cm土层中,2000、250~2000、53~250和53μm级别的水稳性团聚体,计算团聚体平均质量直径(MWD),并测定了各级别团聚体的有机碳(SOC)含量。【结果】1)连续13年免耕覆盖和深松覆盖显著提高了土壤表层0—10 cm的SOC含量,分别比翻耕增加了33.47%和44.48%。2011年免耕覆盖和深松覆盖SOC含量较2002年上升了1.92%和8.59%,翻耕下降了18.97%。2)与翻耕相比,免耕覆盖和深松覆盖2000μm团聚体含量显著提高了40.71%和106.75%;53~250μm团聚体含量显著降低了19.72%和22.53%;团聚体平均质量直径显著提高了20.55%和39.68%,显示了土壤结构的明显改善。3)免耕覆盖和深松覆盖显著提高了表层土壤所有团聚体有机碳的含量,尤其以2000μm团聚体提升最多。与翻耕相比,2000μm团聚体有机碳分别提高了40.0%和27.6%。4)免耕覆盖和深松覆盖下表层土壤大团聚体有机碳含量随耕作年限增加,微团聚体有机碳随耕作年限降低。2000μm的土壤团聚体有机碳含量2011年较2002年分别升高了23.93%和7.12%,53~250μm微团聚体有机碳含量分别下降了19.58%和13.27%。【结论】长期保护性耕作(包括免耕覆盖和深松覆盖)可显著提高表层土壤大团聚体含量,降低微团聚体含量,提高团聚体的水稳性,改善土壤结构。同时可增加土壤团聚体有机碳含量,提高土壤肥力。长期保护性耕作在河南豫西丘陵地区是一种较为合理的耕作方式。     

不同耕作措施下土壤孔隙的多重分形特征

首先利用数字图像处理技术提取了东北黑土区长期免耕(no tillage,NT)和翻耕(moldboardtillage,MT)制度下土壤切片中的孔隙信息,然后应用矩方法研究了两种耕作制度下土壤孔隙结构的多重分形特征。结果表明,免耕降低了表层(0~5 cm)大孔隙度(500μm),但是提高了10~15 cm和20~25 cm深度的孔隙度和大孔隙度。土壤孔隙结构在64~1 024像素尺度上具有多重分形特征。广义维(Dq)和多重分形谱(f(α))及相关参数能够反映切片中孔隙结构的特征。表层土壤孔隙多重分形谱明显右偏,随深度增加趋于对称。在同一深度下,免耕处理的Δα(α-10-α10)和ΔD(D-10-D10)均大于翻耕处理,免耕处理增加了孔隙结构的复杂程度,尤其是10~15 cm和20~25 cm深度下的孔隙结构。     

种植果树对土壤物理性状的双重效应

在渭北果区选择不同园龄(<10 年、10~20 年、>20 年)果园, 分层测定0~60 cm 土层土壤容重、土壤坚实度、土壤含水量以及表层土壤团聚体组成等物理性状, 进一步分析了果园土壤物理性状随园龄的变化特征。结果表明: 土壤容重在0~30 cm 土层随园龄增长而降低; 在30 cm 以下土层随园龄增长而增加, 超过了健康园艺土壤的质量标准1.30 g·cm^-3; 与休闲农田相比, 种植果树可降低10~30 cm 土层土壤容重; 但30 cm 以下土层土壤坚实度急剧增大, 接近或达到了限制根系延伸的土壤质量标准1 000 kPa; 与休闲农田相比, 种植果树对于降低17.5~27.5 cm 土层的坚实度具有明显作用。果园表层土壤团聚体状况整体较差, 水稳性优势团聚体直径为0.5~0.25 mm, >0.25 mm 水稳性团聚体含量随园龄增加而增大, >20 年果园比<10 年果园高1 倍。种植果树对表层土壤具有明显的保护和改善作用, 却在深层发生着紧实化和坚硬化过程。果树对土壤物理状况的双重效应体现在对0~30 cm 土层土壤结构具有改善作用, 对30 cm 以下土层土壤结构有破坏作用。果园土壤“深层的隐蔽性退化过程”影响着果树根系健康生长, 应当给予极大关注。     

长期不同施肥方式对华北地区温室和农田土壤团聚体形成特征的影响

土壤的团聚状况是土壤重要的物理性质之一,团聚体数量是衡量和评价土壤肥力的重要指标。施用有机肥是提高土壤有机碳(SOC)含量、促进土壤团聚体形成和改善土壤结构的重要措施。本文以华北地区曲周长期定位试验站的温室土壤和农田土壤为研究对象,运用湿筛法,对比研究施用化肥(NP)、有机肥加少量化肥(NPM)、单施有机肥(OM)3种施肥方式对温室和农田两种利用方式土壤水稳性团聚体含量、分布和稳定性的影响,以提示施肥措施对不同土地利用方式土壤水稳性团聚体特征的影响。结果表明:在温室土壤和农田土壤中,OM处理较NP和NPM处理显著降低了土壤容重,增加了土壤有机质含量(P0.05),且在0~10 cm土层中效果最为明显。其中在温室土壤0~10 cm土层,单施有机肥处理(OM1)的土壤容重为1.17 g·cm~(-3),分别较施用化肥(NP1)和有机肥加少量化肥(NPM1)处理降低12.0%和8.6%,OM1的土壤有机质含量为54.81 g·kg~(-1),较NP1和NPM1增加104.8%和35.7%;在农田土壤0~10 cm土层,单施有机肥处理(OM2)的土壤容重为1.19 g·cm~(-3),较施用化肥(NP2)、有机肥加少量化肥(NPM2)分别降低8.5%和7.0%,OM2的土壤有机质为22.67 g·kg~(-1),较NP2、NPM2分别增加23.1%和15.0%。温室土壤和农田土壤中,0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm层土壤团聚体的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)均为OMNPMNP;OM处理下水稳性团聚体的分形维数(D)值最低,NP处理下最大。OM处理显著降低0~20 cm土层内水稳性团聚体的D值,表层0~10 cm土层效果最为明显,土壤结构明显得到改善;相比农田土壤,温室土壤稳定性指标变化最为明显,团聚体结构改善效果最好。土壤有机质含量与0.25 mm水稳性团聚体含量间呈极显著正相关关系(P0.001),说明土壤有机质含量越高,0.25 mm水稳性团聚体的含量就越高,土壤团聚体水稳性越强,土壤结构越稳定。因此有机施肥方式能在补充土壤有机碳库和有效养分含量的同时,显著增加土壤中大团聚体的含量及其水稳性,是提高华北平原农田土壤、尤其是温室土壤结构稳定性和实现土壤可持续发展的有效措施。     

臭氧污染对水稻土物理结构和氮磷钾含量的影响

利用中国稻-麦轮作O3FACE(Free-air O3 concentration enrichment)试验平台,研究了连续3年大气O3浓度升高(比周围大气高50%)对稻田表层(0~20 cm)土壤团聚体、土壤容重及孔隙度和氮磷钾养分含量的影响。结果表明,大气O3浓度升高显著增加耕层土壤0.25~0.053 mm团聚体23.5%和降低<0.053 mm团聚体24.6%。O3污染具有增大0~10 cm土层和降低10~20 cm土层土壤容重的趋势,0~10 cm土壤中气体孔隙度显著减小39.8%,10~20 cm土壤中毛管孔隙度显著增加9.1%和气体孔隙度显著减小32.4%,改变了固、液、气三相比。长期O3污染显著降低土壤全氮含量10.5%和速效钾13.3%,显著增加有效磷40.8%,但对有效氮未产生显著影响。结果表明,长期臭氧污染将改变土壤物理结构和养分物质的生物地球化学循环。     

四种土壤管理方式对李园土壤微生物和土壤酶的影响

通过2003~2004两年的试验发现,刈割覆盖、刈割压埋、畜粪还园三处理纤维分解菌和硅酸盐细菌的数量均明显高于清耕处理(对照),且两种微生物数量均以夏季最多,秋季次之,春季再次,冬季最少。前三处理蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、纤维分解酶、多酚氧化酶的酶活性都较清耕有显著或极显著提高;各处理酶活性也以夏季最高、秋季次之,春季再次,冬季最低。2004年刈割覆盖、刈割压埋两处理蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性较2003年有显著或极显著增加,畜粪还园、清耕两处理三种酶活性两年间差异很小。经相关性分析还发现,纤维分解菌除与脲酶相关性不显著外,它与其余的酶均显著或极显著正相关;硅酸盐细菌与所有的酶均极显著正相关。     

土壤动物在农业生态系统中的研究进展

近些年来随着对生态学的深入研究,人们认识到土壤动物的群落结构、功能以及在生态过程中积极的不可替代的作用,土壤动物逐渐成为生态学研究的热点之一。本文分析评价了国内关于土壤动物的研究进展。同时对国外土壤动物在土壤环境评价、凋落物分解、土壤健康的指示作用、与污染环境的关系、二氧化碳浓度对其的影响、在农业生态系统中的作用、在城市生态系统研究中的作用、在废弃物处理及土壤改良中的应用、在N循环中的作用、湿地土壤动物研究等10个方面的研究动态进行了综述。并提出了对土壤动物研究工作的几点建议。     

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。     

Soil indicator systems ‐ the basis for soil conservation decisions to control soil erosion and soil compaction

The efficiency and acceptance for erosion and compaction control management is not high and therefore not a guarantee for sustainable land use and soil functionality. The best method for increasing acceptance is a regional soil indicator system combined with an environmental indicator system (McRae et al. 2000). Like the concept of “critical load inputs”; for chemical pollutants, this system would make it possible to quantify the soil state and soil condition for decisions concerning the soil carrying or load capacity. The next step is the assessment of the land use pressure on soil in terms of the soil load capacity and the driving forces for land use. These results may determine the response level required: In a balanced situation, Best Management Practices may help ensure sustainability is maintained, slightly disproportional results suggest additional special agricultural management techniques may be needed, while significant differences may indicate the need for additional land use adjustments or changes in technical management. The indicator system is ideal for application in north‐eastern Germany for all moraine areas and the areas at risk to water and wind erosion and soil compaction.     

面向土壤系统分类的土壤调查制图方法的初步研究

我国的土壤系统分类方案已经基本形成,但还没有相应的土壤调查方法技术研究。按照传统土壤调查的主要剖面、检查剖面、定界剖面的思想与办法,采用空间内插技术,在研究区的4条实验路线上共挖掘了64个剖面点,通过这些剖面点的诊断层和诊断特性确定了研究区的土壤类型并勾绘了土壤类型界线。再用1条检验路线对勾绘的土壤图进行检查,结果表明,在检验路线上设置的20个检查剖面点中,其中19个剖面点与实际情况相符,正确率95%,说明使用内插法进行面向土壤系统分类的土壤调查制图是可行的。再结合土壤景观可以辅助土壤调查工作者更高效地确定土壤类型、勾绘土壤界线。     

慈溪市土壤系统分类研究

本文对浙江省慈溪市第二次土壤普查土壤分类系统进行了修订,并建立了慈溪市土壤系统分类,依据浙江省土系建立的原则和要求,初步建立了慈溪市土壤的土族和土系。     

分形理论在土壤肥力研究中的应用与前景

分形理论的提出对于定量描述复杂的、高度不规则的系统特征与机理提供了方法.本文从土壤腐殖质、土壤微生物、土壤团聚体等方面回顾了分形理论在土壤肥力研究中的主要结果:土壤腐殖质胶体在不同条件下形成不同分形特征的聚合物;同一种微生物可能形成具有不同分形特征的结构;土壤中的有机无机胶体在不同条件下凝聚成不同的团聚体,从而形成不同的土壤结构并对其肥力功能产生影响.我们认为分形理论在探索土壤的形成过程和肥力功能上将具有重要的应用前景:如团粒结构体的形成可能是由土壤胶体分形凝聚而成;土壤中的活性有机质有逐渐老化的现象,可能和腐殖质胶体由结构疏松的分形结构向普通团聚体过渡的过程有关;土壤微生物在不同微环境下具有不同的分形特征,可以推测在各种土壤过程(包括物理、化学以及生物化学过程)中它们的功能也可能是不一样的.此外,土壤结构的开放程度决定孔隙、水分以及空气的分布,从而决定了微生物的生存空间.所以土壤结构体对微生物空间分布的影响也是将来该领域值得研究的内容之一.     

城市化过程对土壤资源影响研究进展

世界范围内的快速城市化过程对土壤资源的质与量都产生了深刻影响.作为一种不可再生性自然资源,土壤在我国快速城市化过程中的强烈人为活动影响下发生功能上的转化、弱化甚至消失.城市及其周边地区的土壤景观、各种土壤过程都明显异于传统的土壤质量演变规律.与农业生态系统相比,城市生态系统更加复杂,城市化过程中土壤演变研究的挑战性也更大.深入开展城市化过程中土壤质、量响应及其生态环境效应的系统研究意义重大.     

土壤退化时间序列的构建及其在我国土壤退化研究中的意义

我国土壤退化发生广、发展快,后果严重,很多问题亟待解决,加大其研究力度势在必行。显而易见,人们对土壤特性与土壤退化过程了解得越详细,对土壤退化的评估与防治也会越好。因此迫切需要建立大量土壤退化时间序列来明确土壤退化过程中时间因素的作用并帮助人们正确理解和认识土壤退化与人为作用之间的关系。为了得到可靠的结果,土壤退化时间序列的建立需包括起始土壤相似性判定与退化土壤绝对或相对年龄的验证两个重要过程。本文详细论述了土壤退化时间序列的构建过程及应注意的问题,并探讨了土壤时间序列在我国土壤退化研究中的意义,旨在为土壤退化时间序列的正确建立与应用提供较为详尽的参考。     

Towards a biochemical quality index for soils: An expression relating several biological and biochemical properties

Soil biological and biochemical properties are highly sensitive to environmental stress and thus can be used to assess quality. Any soil quality index should include several biological and biochemical variables so as to reflect better the complex processes affecting soil quality and to compensate for the wide variations occurring in individual properties. Many authors recommend the use of a native soil supporting climax vegetation that has undergone minimal anthropogenic disturbance as a high quality reference soil. In this study which examined three such native soils of Galicia (N.W. Spain) bearing Atlantic oakwood as the climax vegetation, biological and biochemical properties were found to vary widely seasonally and with sampling site and depth. These variations were closely correlated with the total carbon (C) and/or total nitrogen (N) contents of the soils. The following equation: Total N= (0.38×10^–3) microbial biomass C +(1.4×10^–3) mineralized N +(13.6×10^–3) phosphomonoesterase +(8.9×10^–3) β-glucosidase+(1.6×10^–3) urease explained 97% of the variance in total N for the soils studied, suggesting that a balance exists between the organic matter content of a soil and its biological and biochemical properties. A simplified expression of the above equation may be useful as a biochemical quality index for soils. Received: 5 March 1997