东北黑土区农田土壤水分剖面分布与大气降水关系的研究

东北黑土区属于雨养农业,大气降水是土壤水分的主要来源,大气降水的强度和频率是影响水分在剖面分布的重要因素。以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内水分平衡观测场的自然降水条件下的0~170 cm土体为研究对象(三次重复),2011~2016年的每年5月25日~9月10日利用中子仪测定0~170 cm土层土壤含水量,其中0~10 cm、10~20 cm和160~170 cm土层深度间隔10 cm,40~160 cm间隔为20 cm。研究结果表明:观测期内64.35%以上的降水发生在7月5日~8月20日,0~170 cm不同土层的平均含水量在24.71%~37.23%之间(体积含水量),随着剖面深度的增加不同深度土层间土壤含水量差异逐渐减弱;受降水、地面蒸发和作物耗水的影响,土壤含水量变化最大的层次为0~10 cm土层。当单次降水量达到178.20 mm时,0~170 cm各层土壤含水量均增加,但49.30%的降水储存在0~40 cm土层;而在作物生长季节持续15 d无降水时,0~170 cm各层次土壤水分均呈亏缺状态,其中消耗水量的47.38%~58.80%来自0~40 cm土层。因此,东北黑土区农田0~40 cm土层对于容纳大气降水、满足作物需水具有重要作用,应通过耕作和有机物料还田等措施进一步改善这一土层土壤物理性质以增强其蓄水、保水和供水的能力。     

黄土高原塬区麦田土壤水分变化特征及其对降水的响应

利用对黄土高原塬区具有较好代表性的西峰站近18 a(1989~2006年)降水和土壤水分资料,研究麦田土壤水分的变化特征及其与不同尺度的标准化降水指数SPI的关系。结果表明:(1)4~6月份,是麦田深层土壤水分的失墒期,6月前后土壤干旱最严重;(2)7~10月是麦田深层土壤的增墒期,土壤水分与降水的显著相关深度逐渐向深层推移,10月底墒得到有效补充;(3)失墒期深层土壤水分对表层水分的滞后时间小于增墒期的,分别为1个月左右和2个月左右;(4)一个月尺度的降水对耕作层的影响是最大的,2~6个月尺度降水的影响深度主要在30~150 cm,大于6个月尺度的SPI影响深度在主要70~200 cm;(5)除了作物蒸腾影响,降水尺度越大,土壤水分受影响的深度越大。     

降水年型对黑土区土壤水分动态变化的影响

利用长期定位试验,研究了黑土区不同降水年型下荒地、裸地和农田土壤水分的变化特征.结果表明,降水年型能够影响不同植被类型下土壤水分的季节性动态变化和垂直变化.丰水年不同植被类型土壤含水量均呈"v"型曲线变化,最低值出现在7月份,观测期内裸地较高;平水年呈"W"型曲线变化,分别在6月份和8月份出现两个低值,不同植被类型表现为裸地>荒地>农田;枯水年除裸地在观测后期土壤含水量略有增加外,荒地和农田均持续下降.降水年型对土壤水分变异系数的影响表现为枯水年>平水年>丰水年.其中荒地土壤水分变化最为剧烈,表现在枯水年出现了速变层,而在丰水分内次活跃层也较农田向土壤深层延伸,其次为农田和裸地.     

东北黑土区防护林带对土壤水分影响的研究

对森林土壤水分的研究是揭示森林生态系统功能、评价森林环境综合效益的基础。以黑龙江嫩江九三农星分局鹤山农场鹤北流域2号小流域的横坡林带和8号小流域的顺坡林带为研究对象，系统研究了林带对土壤水分动态变化过程、土壤水分剖面特征、两侧农地土壤水分的影响。结果发现，林带对土壤水分动态和剖面特征没有显著影响．但剖面最大水分出现的深度大于周边农地。受林带拦截径流、林带遮阴等影响，林带上下坡和左右侧的土壤水分存在一定的差异。受林带及草被蒸腾耗水和降雨截留等因素的综合影响。林带边缘及林带内土壤水分明显小于林带周围的农地。     

东北黑土区地域界定及其水土保持区划探析

针对陕北1997—2001年连续5a干旱,通过对陕西省绥德县各种植物存活、生长情况实地调查,取样测定各层土壤水分含量,分析了该区干旱的因素。结果表明,该区土壤水分极低,干层加大,土壤干化严重,草地、农耕地0—100cm以内土壤含水量均低于4.2%,林地0—180cm内仅3.6%,刺槐林地0—500cm平均仅4.2%。导致植物大片死亡,农作物减产,有的作物不能适时播种甚至绝收。调查发现一些植物如侧柏、枣树、柠条、臭瓜、绿豆、高粱等表现出高度的耐旱特性。为今后防旱抗旱、退耕还林(草)及作物布局和品种的选择提供借鉴作用和科学依据。     

降水增加对黄土高原深层土壤水分的影响

为了解降水增加情况下,黄土高原土壤储水量是否增加以及深层土壤水分的变化趋势,2018年对陕西省绥德境内的油松林和柠条林土壤水分进行了测定,并将其与2001年和2006年的同一样地土壤水分数据进行对比分析,结果表明:研究区近20年降水量呈增加趋势,2009～2018年该区域年平均降水量比1999～2008年的平均降水量增加了156 mm。油松和柠条林地深层土壤水分呈波浪形变化,且深层土壤总储水量呈现2018年> 2001年> 2006年,这种变化与1999～2018年降水变化趋势相一致。深层土壤储水量年际变化与植被类型有关,即油松林地深层土壤水分年际变化显著,柠条林则不显著。短时间尺度内(<6年)的降水对深层土壤储水量有影响,影响深度大约为0～5.0 m,长时间尺度(> 5年)的降水对深层土壤储水量的影响深度会随时间加深,并且长时间尺度的降水可能会导致土壤水分"高湿层"下移现象出现。     

东北黑土区坡耕地地形因子对土壤水分和容重的影响

以东北黑土区典型坡耕地——海伦市光荣小流域为研究区域,通过田间采集土样,并结合GIS空间分析、常规统计学和地统计学方法,研究了区域坡耕地地形因子对土壤水分和容重的影响。结果表明,坡度对两者的影响最大;高程和坡位的相关性也达显著水平;坡向影响则不显著。坡度表现为与两者均呈显著负相关,高程和坡位则对土壤水分的影响达显著水平,坡向对两者的影响均不显著。地统计学分析结果认为,土壤水分、容重分别为中等程度自相关和强自相关。坡度对土壤水分和容重的影响大于其它地形因子,同时对研究区域的水土流失具有较大的影响。     

岷江流域降水特征与旱涝灾害趋势分析

基于岷江流域14个气象站点1961—2012年逐月降水资料,采用数理统计方法结合GIS空间分析技术,对流域降水量时空演变特征进行了分析,利用不同尺度的标准化降水指数（SPI）对流域旱涝特征进行了研究。结果表明:（1）近52 a来,岷江流域年平均降水量呈显著减少趋势,减少倾向率为20.18 mm/10 a;流域年均降水量在1993年发生突变,降水量显著减少。（2）该流域降水量由东南向西北呈递减趋势,以松潘—小金—康定为界,该线以西地区年降水量为616～1 000 mm;该界线以东地区年降水量为1 000～1 732 mm。（3）以松潘—小金—康定为界,该界线以西降水量呈增加趋势,增加倾向率为0～27.11 mm/10 a的范围内;该界线以东降水量呈减少趋势,减少倾向率在0～80 mm/10 a的范围内。（4）岷江流域旱涝灾害阶段性变化趋势明显,1961—1967年涝灾频繁,1968—1972年干旱频率高,旱灾严重;1973—1993年涝灾频繁;1994—2012年旱灾程度与频次均呈增加趋势,旱灾严峻。（5）岷江流域旱涝灾害总体以1990年为转折点,1990年以前该区多涝灾,1990年后多旱灾,岷江流域由涝灾向旱灾转化的趋势明显,在未来一段时间应做好防旱抗旱工作。     

东北黑土区冻融作用与土壤水分的关系

地球上受冻融作用的面积约占全球陆地总面积的70％,在我国,受冻融作用的面积约占国土陆地总面积的98％。冻融作用对土壤水分、密度、有机质和土壤的机械组成等因素都有不同程度的影响。在东北典型黑土区,通过野外观测和室内试验,研究冻融作用与土壤水分的关系。结果表明：冻融作用使土壤水分由土水势高的下部向土水势低的上部迁移,增加了土壤冻结层的含水量;土壤水分迁移使得下部未冻结层的土壤含水量降低,其降低程度受下部土壤含水量和浅层地下水埋深的影响;冻结过程中土壤水分迁移导致土壤膨胀变形,而土壤的膨胀变形是发生土壤冻融侵蚀的主要因素。研究结果可为东北黑土区冻融侵蚀防治和农业可持续发展提供理论依据。     

南方农牧交错带降水变化及旱涝多时间尺度特征

[目的]分析南方农牧交错带降水变化及旱涝多时间尺度特征,为该区旱涝灾害防治决策、牧区生态重建及保护提供科学参考。[方法]基于南方农牧交错带1960—2017年20个气象站点逐月降水量资料,采用标准化降水指数(SPI)、反距离权重插值、M-K突变检验等方法对南方农牧交错带近58 a的降水特征及旱涝灾害时空格局进行研究。[结果]①近58 a以来南方农牧交错带年平均降水量以3.98 mm/10 a的速率在增加,降水主要集中在夏季,用M-K方法检测出该区域年平均降水量在1990年发生突变;②受气候、大气环流、地形、海拔高差、下垫面等因素的影响,降水量在空间分布上以维西—理塘—若尔盖为界,西北部降水量少,东南部降水量多,降水量呈现出由东南向西北递减的趋势;③研究区年降水量的增减变化以松潘—马尔康—新龙—理塘—稻城一线为界线,该线以东地区的年降水量均呈显著增长趋势发展,以西地区的年降水量呈显著减少趋势;[结论]研究区20世纪60—70年代旱灾发生的频率略高,80—90年代涝灾发生的频率较高,2000年以来旱涝灾害呈明显的减弱趋势发展。     

东北典型黑土区耕地质量时空变化研究

为揭示东北典型黑土区耕地质量时空变化特征,本研究遵循《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)国家标准,在利用特尔菲法选取16个评价指标、层次分析法确定评价指标权重的基础上,建立了东北典型黑土区耕地质量评价指标体系,借助ArcGIS软件对研究区2008年和2018年耕地质量进行同一指标体系和同一分级标准的耕地质量评价,旨在掌握研究区10年间的耕地质量时空变化特征,探究耕地质量变化原因。结果表明:东北典型黑土区耕地质量2008年以中低等地为主,平均耕地质量等级为5.14, 2018年以中高等地为主,平均耕地质量等级为3.92, 10年间东北典型黑土区耕地质量等级提升了1.22个等级;其中, 1～4等地面积均有增加,5～10等地面积均减少,10年间研究区评价单元耕地质量等级提升最多为8个等级,下降最多为7个等级,耕地质量等级提升的评价单元总面积是等级下降评价单元总面积的3.5倍。10年间东北典型黑土区的中西部和西北部耕地质量上升较为明显,而其南部和东北部质量下降的耕地分布较多。本研究规范了研究区耕地质量时空对比分析的依据,合理揭示了其时空变化特征,为该区域今后耕地质量提升工作指明了方向,对今后进一步可持续利用和管理黑土地具有积极意义。     

东北黑土区TDR测定农田土壤含水量的室内标定

土壤水分标定是利用TDR监测农田土壤水分过程中的必要环节.以东北黑土区农田土壤剖面深度上的4种典型介质（黑土层、母质层、过渡层、砂砾层）为试验对象,利用“由湿到干”的土柱试验方法,用烘干法对TDR进行室内标定研究.结果表明：1）TDR内置土壤标定曲线测定的含水量明显低于烘干法测量的含水量.在TDR法土壤含水量标定时,指数关系比线性关系具有更高的标定精度.2）单一介质的TDR法土壤含水量标定曲线对自身介质的标定精度高（最大绝对误差3.2％）.3）混合介质的TDR法土壤含水量标定曲线的标定精度较高（最大绝对误差6.6％）,可用于不同介质TDR法土壤含水量标定.本研究结果可用于研究区及类似区域修订TDR法含水量测定结果.     

不同植被覆盖类型黑土水分动态变化特征

采用中子水分仪定位监测方法,研究黑土区平水年大豆地、草地和裸地3种覆盖类型土壤水分变化特征.结果表明:土壤水分空间垂直动态变化随深度增加而降低,基于变异系数(CV)将土壤水分垂直变化分为4层,即水分速变层、活跃层、次活跃层和相对稳定层.不同覆盖类型下,土壤水循环深度依次为大豆地>草地>裸地,土壤水循环强度依次为草地>大豆地>裸地;3种覆盖类型的土壤剖面含水量在作物生长季节内呈增长型变化特征,裸地0～20 cm土层各时段土壤含水量均高于草地和大豆地;30 cm土层以下土壤水分含量依次为草地>裸地>大豆地.该区土壤储水量主要受降雨调控,3种植被覆盖类型下,土壤水分的总蒸散量依次为草地>大豆地>裸地.     

东北典型黑土区农耕土壤团聚体流失特征

通过野外原位模拟降雨试验,研究了东北典型黑土区3种降雨强度(30、60和90 mm h-1)下农耕地坡面侵蚀过程的土壤团聚体流失特征,分析了流失团聚体特征指标(平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(D)、平均重量比表面积(MWSSA)、≥1 mm粒级团聚体比例(PA1)、≥2 mm粒级团聚体比例(PA2)、≥0.25 mm粒级团聚体比例(PA0.25))的变化规律。结果表明:降雨强度对典型黑土区农耕地坡面侵蚀有显著影响;次降雨初期侵蚀量占整个降雨过程总侵蚀量的比例随着降雨强度的增加而增大。在30 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25 mm粒级团聚体为主,其占团聚体流失总量的90.0%;在60 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25和0.5~1 mm粒级团聚体为主,二者占团聚体流失总量的63.7%;而90 mm h-1降雨强度下,团聚体流失以0.25和2~5 mm粒级团聚体为主,二者分别占团聚体流失总量的31.7%和31.2%。PA0.25、PA1、PA2、MWD和GMD与降雨强度和含沙量之间均呈现极显著正相关关系;MWSSA和D与降雨强度和含沙量之间呈现极显著负相关关系。研究结果还表明,PA1、MWD和GMD皆能较好地表征典型黑土区农耕土壤的团聚体流失特征。     

0～50 cm土壤含水量与降水和蒸发的关系分析

利用濉溪县0～50cm土层土壤含水量和同期降水量、蒸发量资料分析表明，土壤水分的主要活动层在耕层，不同层次土壤含水量之间存在极显著的正相关。土壤含水量增减与期间降水量、蒸发量呈直线相关关系，耕层土壤含水量变化和报告期与基期的比值均与湿润系数呈极显著正相关。0～30cm不同层次土壤相对含水量低于50％时，需降水或补充灌溉13．6～39．0cm方可使耕层相对含水量达到80％。当湿润系数为0．47时，耕层土壤含水量可以维持在基期水平。耕层土壤含水量蒸减呈“快-缓慢-滞缓”的变化过程，蒸减速率随土壤含水量的变化可用指数曲线拟合。使耕层相对含水量达到80％以上的一次降水过后，连续10．7～38．3d无降水，耕层相对含水量尚可维持在60％以上。     

东北黑土区农林混合利用坡面土壤水分空间异质性及主控因素

针对黑土区坡面尺度上土壤水分在土地利用结构(从坡顶到坡脚,即沿着坡长方向,不同土地利用类型的排列方式)、土地利用类型(农地和林地)及地形要素的协同作用下的空间分异规律及影响机制尚不清楚的现状,以黑龙江省黑土区的农林混合利用典型坡面(克山县)为研究对象,应用植被数量生态学中的冗余分析方法(RDA)分析0~20、20~40、40~60 cm土壤水分剖面变异特征、不同土地利用结构下(农地-农地-农地-农地-农地,农地-农地-林地-林地-农地,农地-农地-林地-林地-林地,林地-林地-农地-林地-农地)坡面土壤水分异质性及其与环境因子的定量关系。结果表明:研究区坡面土壤含水率介于5.77%~45.57%,农地土壤含水率显著高于林地(P0.05),纵向上不同土地利用类型层间土壤含水率差异均不显著;土壤水分呈中等变异,纵向上农地各土层的变异系数(35.9%~39.6%)均高于林地(30.0%~36.5%),农林混合利用加强了土壤水分的空间变异程度;4种土地利用结构下,坡面土壤水分沿坡长方向呈不同的变化趋势,与土地利用镶嵌分布规律有关;冗余分析结果显示土地利用类型是影响黑土区坡面土壤水分异质性的主控因素,坡度次之,坡位和海拔高度对坡面土壤水分异质性也有影响。对于黑龙江黑土区坡面,需要结合土地利用结构配置等土地管理措施与不同的农业措施来防止坡面土壤侵蚀、提高东北区土壤肥力,实现经济效益、生态效益的协调统一。     

基于标准化降水指数的北疆地区近52年旱涝变化特征

21世纪以来极端气候事件频发,其中旱涝灾害对人类影响最为明显。该研究以北疆为例,选用标准化降水指数SPI（Standard Precipitation Index）为干旱指标,基于北疆地区23个气象站的1961—2012年逐月降水数据,运用趋势分析法、EOF法、REOF法和ArcGIS中的Kring插值工具,对其旱涝时空变化特征进行了研究。结果表明:过去52 a北疆地区气候呈湿润化趋势,年代和年际尺度上,干旱逐渐减少,雨涝则逐渐增多。年际尺度上,北疆地区不同时间尺度的SPI都呈增加趋势,表明其湿润化的趋势加强。年代尺度上,1960s和1970s干旱频次大于雨涝频次,而在1980s—2000s雨涝频次大于干旱频次。且北疆地区的旱涝在区域空间分布上呈现四种差异型,并以此划分为四个旱涝区域:北部地区（降水适宜区）、东部地区（极度干旱区）、西部地区（干旱区）和中部地区（雨涝区）。季节尺度上,中部的石河子、托里、克拉玛依和北部的福海地区都是相对湿润区域,东部的青河、北塔山和奇台地区则是相对干旱的区域。     

东北黑土区水土保持措施减沙效益监测

 为给大面积开展黑土地水土流失治理提供科学的理论依据,在东北黑土区水土流失综合防治试点工程中选择4条重点小流域设置28个径流小区,进行水土流失监测及措施保土效益对比分析。通过对2年监测成果的分析,认为:“试点工程”中所采取的几种主要坡面治理措施,其保土减沙效益十分显著———水平梯田措施最好,减少土壤流失量高达99.5%;其次是地梗植物带和水平坑措施,减少土壤流失量为95.2%;荒山荒坡灌木埂措施为80.2%;改垄措施为64.6%;生态自然恢复稍低些,为49.9%。     

东北黑土区大豆根际促生菌群落组成研究

为明确东北黑土区大豆根际促生菌的群落组成,选择内蒙古自治区鄂温克族自治旗、黑龙江省海伦市、黑龙江省克山县和黑龙江省农垦红兴隆农场4个采样点,分析了大豆根际自生固氮菌、解磷菌、溶磷菌和硅酸盐细菌的群落组成,解析了促生菌种与地域之间的对应关系。结果表明:东北黑土区的大豆根际土壤中存在大量促生菌,自生固氮菌达到104cfu.g 1,溶磷菌和解磷菌达到105cfu.g 1,硅酸盐细菌达到103cfu.g 1;分离得到具有自生固氮能力的菌株5株,溶磷菌6株,解磷菌7株,硅酸盐细菌4株;自生固氮菌多样性指数在0.94~1.60之间,溶磷菌多样性指数在0.83~1.52之间,解磷菌的多样性指数在1.07~1.67之间,硅酸盐细菌多样性指数在0.52~0.96之间,4个取样点大豆根际促生菌的多样性指数均大于2。采用对应分析确定了不同地区的典型促生菌,内蒙古鄂温克族自治旗的特征种为自生固氮菌LLN8(Azotobacter beijerinckia indica),黑龙江省海伦市的特征种为溶磷菌DHS13(Micrococcus),黑龙江省克山县的特征种为溶磷菌DHS19(Pseudomo-nas),黑龙江省红兴隆农场的特征种为自生固氮菌LLN1(A.chrooco-ccum)和溶磷菌DHS5(Azotobacter)。同时明确了LLN2(A.azomonas)、LLN6(Bacillus mucilaginosus)、DHS9(Arthrobacter)、DHSO2(Pseudomonas)、DHSO14(Erwinia)、DHSO17(Corynebacterium)和LSJ21(Bacillus)在东北黑土区大豆根际分布较为广泛,这些菌株为研发中国东北黑土区大豆专用型复合生物肥料提供了基础条件。