黄土高原不同粮草种植模式土壤碳氮及土壤酶活性

通过在陇中黄土高原半干旱区对苜蓿(Medicago sativa)-作物轮作地进行长期定位试验,探讨不同种植模式对土壤碳氮形态及其相关酶活性的影响。6种种植模式分别为苜蓿-苜蓿、苜蓿-休闲、苜蓿-小麦(Triticum aestivum)、苜蓿-玉米(Zea mays)、苜蓿-马铃薯(Solanum tuberosum)和苜蓿-谷子(Setaria italica)。结果表明,苜蓿-作物种植模式不利于土壤总有机碳的积累,而苜蓿翻耕后保持休闲则可维持较高的有机碳含量;与苜蓿连作相比,苜蓿-作物种植模式的土壤有机碳降低了1.60%~23.11%,全氮含量增加了3.81%~21.83%。不同作物对土壤养分吸收利用状况不同,进而引起土壤酶发生变化。与苜蓿连作相比,苜蓿粮食作物种植模式在降低土壤过氧化氢酶和蛋白酶活性的同时,提高了土壤硝酸还原酶活性;其中土壤过氧化氢酶活性和蛋白酶活性分别降低了5.20%~12.30%和15.03%~43.43%,硝酸还原酶活性提高了1.26%~28.79%。苜蓿连作和苜蓿-粮食作物种植模式间的土壤脲酶活性无显著差异(P0.05),但均高于苜蓿-休闲处理。相关性分析结果表明,土壤脲酶活性与土壤有机碳、全氮含量呈显著正相关(P0.05),可作为衡量土壤肥力的指标。     

黄土高原不同植被类型土壤活性有机碳组分分布特征

为探讨黄土高原植被恢复对土壤碳循环和有机碳库组分的影响,选取延河流域不同植被类型0～10,10～20 cm土层土壤为研究对象,通过对其活性有机碳组分的研究,为土壤碳循环及植被恢复对有机碳库组分及其稳定性的影响提供理论依据.结果表明:土壤微生物量碳森林区 >草原区 >森林草原区,其0～10 cm土层含量比10～20 cm分别高61.43%,43.00%和34.65%;轻组有机碳森林区 >草原区和森林草原区;可溶性有机碳、易氧化有机碳均为森林区 >草原区 >森林草原区,其上层含量较下层分别增加51.21,56.63,20.65 mg·kg^-1;2.34,-0.08,0.99 g·kg^-1.土壤活性有机碳表现为森林区最高,相对于森林草原区,草原区草本植被能显著提高活性有机碳含量,活性有机碳随土层深度增加其有效性降低.     

黄土高原轮作系统苜蓿土壤磷素变化特征

在长期定位试验的基础上,分析黄土高原旱地轮作系统中苜蓿（Medicago sativa）不同生长年份土壤的无机磷、有机磷形态及微生物磷的变化特征,以期为农牧区牧草有效磷素合理利用及区域管理提供依据。结果表明：种植苜蓿的土壤全磷含量与苜蓿种植年份成反比,连续种植苜蓿年份越长,土壤全磷和速效磷的含量越小。苜蓿土壤中无机磷组分以Ca-P为主,占无机磷总量的74.0%～80.0%,且Ca₁₀-P > Ca₈-P > Ca₂-P。有机磷占全磷总量的23.2%～25.4%,土壤有机磷以中活性有机磷为主,占有机磷总量的78.3%～79.5%。苜蓿的种植年份越长,土壤微生物磷含量越低。土壤微生物磷与土壤全磷、速效磷成极显著相关,故土壤微生物磷可作为土壤供磷能力的指标。     

土地利用方式对陇中黄土高原土壤磷组分的影响

对陇中黄土高原地区至少已有50年传统耕作历史的农田(耕作和休闲)和退耕24年的草地(围封和放牧)土壤磷组分进行了比较研究。结果表明,1)农田土壤中活性无机磷(H₂O-Pi、NaHCO₃-Pi)、潜在活性无机磷(NaOH-Pi)和0～10 cm土层中稳性无机磷(DHCl-Pi)以及30～60 cm土层高稳性无机磷(HHCl-Pi)的含量显著高于草地;潜在活性有机磷(NaOH-Po)含量0～10 cm土层围封草地显著高于农田,20～60 cm土层农田显著高于草地。2)土壤各磷组分之间的迁移转化主要发生在中稳性无机磷DHCl-Pi与其他磷组分之间,且农田中磷组分之间的转化主要发生在0～20 cm土层。3)土壤速效磷、全磷与H₂O-Pi、NaHCO₃-Pi、NaOH-Pi之间及土壤全氮、有机碳与NaOH-Pi、NaOH-Po、HHCl-Pi之间呈极显著正相关关系,而土壤pH与NaHCO₃-Po呈显著负相关,与H₂O-Pi、NaHCO₃-Pi、NaOH-Pi、NaOH-Po、HHCl-Pi极显著负相关。     

土壤团聚体稳定性及有机碳组分对苜蓿种植年限的响应

通过设置在陇中黄土高原半干旱区的长期定位试验,应用干筛法与湿筛法比较不同种植年限苜蓿地和农田土壤团聚体粒径分布、平均重量直径(mean weight diameter,MWD)以及团聚体破坏率(percentage of aggregate destruction,PAD)的差异,分析探讨了土壤团聚体稳定性与土壤有机碳组分之间的关系。结果表明,土壤机械稳定性团聚体粒径分布呈中间低两边高的“V”型,其中>5 mm和<0.25 mm的团聚体为优势粒径;土壤水稳性团聚体以<0.25 mm的团聚体为主,平均含量达90%以上。湿筛MWD仅在0~10 cm表层土中表现为不同种植年限苜蓿显著高于农田;PAD在0~30 cm土层表现为农田显著高于不同种植年限苜蓿,且随苜蓿种植年限的延长呈降低趋势。0~50 cm剖面不同深度土壤有机碳组分在处理间存在差异,其中总有机碳(total organic carbon,TOC)、重组有机碳(heavy fraction organic carbon,HFOC)和易氧化有机碳(readily oxidized organic carbon,ROOC)在0~10 cm土层均表现为12 a>10 a>农田>3 a,说明苜蓿对土壤表层有机碳组分的提高只有达到一定种植年限之后才产生效应。相关性分析表明,与土壤TOC相比,土壤轻组有机碳(light fraction organic carbon,LFOC)和ROOC与土壤水稳性团聚体粒级分布及稳定性指标之间的相关性更为显著,说明土壤活性有机碳组分对陇中黄土高原地区土壤团聚体稳定性的贡献率比土壤总有机碳更大。     

氮添加对白羊草土壤不同碳组分的影响

大气氮沉降已经成为全球性的环境问题,为更好地了解氮沉降增加对草地土壤质量的影响,2013年7月,以白羊草（Bothrichoa ishaemum）群落为研究对象,通过人工构建白羊草种群小区,在中国科学院水土保持研究所人工干旱大厅进行模拟氮沉降的控制试验。本试验设置了裸地（LD）、对照（N0）和3个氮（尿素）添加处理,依次为2.5 g·m^-2·year^-1（N2.5）,5.0 g·m^-2·year^-1（N5.0）和10 g·m^-2·year^-1（N10.0）,探讨了氮沉降对白羊草群落土壤总有机碳（TOC）和易氧化有机碳（OC）各组分的影响。结果表明,低浓度（N2.5）氮添加提高了白羊草土壤TOC含量,高浓度（N10.0）氮添加降低了土壤TOC含量;氮添加降低了白羊草土壤C_active（活性碳组分）/TOC比例,增加了C_passive（惰性碳组分）/TOC比例;在N5.0和N10.0氮添加水平,C_passive/TOC趋向于达到50%;土壤活性系数随氮添加浓度的增加而降低。综上所述,随着氮添加浓度增加土壤C_active与C_passive含量趋于平衡,土壤碳库更加趋于稳定。     

黄土高原森林草原区土壤有机碳库研究

森林土壤有机碳是陆地生态系统最大的有机碳库,对全球碳平衡有着重要的意义。研究对黄土高原森林草原子午岭地区天然柴松林、辽东栎林以及人工油松林土壤有机碳库及其影响因子之间的关系进行了研究。结果表明:柴松林、油松林和辽东栎林3种林地碳密度分别为10.76、9.382和11.43 kg/m2;且有机碳密度随着土壤深度的增加呈现递减趋势,不同土壤深度差异显著(P0.05);不同立地条件下,3种林地碳密度差异明显,柴松林和辽东栎林在整个剖面有机碳密度阴坡阳坡,而油松林在0~50 cm土层是阳坡阴坡,50~90 cm土层是阴坡阳坡;不同林地土壤有机碳密度与土壤含水量、pH值、全氮、全磷等理化指标在不同土层中相关性差异较大,而在整个土壤剖面,除pH值以外,3种林地土壤有机碳密度与理化指标呈极显著(P0.01)的正相关关系。     

陇中黄土高原半干旱区苜蓿-作物轮作对土壤物理性质的影响

本研究通过设置在陇中黄土高原半干旱区苜蓿-作物轮作系统的长期定位试验,探讨了不同轮作模式对土壤物理性质的影响。6种轮作模式包括:苜蓿-苜蓿(L-L)、苜蓿-休闲(L-F)、苜蓿-小麦(L-W)、苜蓿-玉米(L-C)、苜蓿-马铃薯(L-P)和苜蓿-谷子(L-M)。结果表明,不同轮作模式下耕层土壤容重、孔隙度、土壤饱和导水率、土壤渗吸率、宏观毛管长度和有效孔径差异显著,苜蓿-作物轮作对土壤团聚体稳定性有一定影响,但不明显。L-F、L-W、L-C、L-P和L-M模式的土壤容重比L-L模式分别降低了6.86%,7.69%,6.22%,9.29%与10.17%。土壤渗吸率在L-F、L-W、L-C、L-P和L-M模式下分别比L-L模式提高了1.19,2.31,0.25,0.66和0.75倍,宏观毛管长度分别提高了3.73,2.92,1.49,2.62和1.15倍,有效孔径分别降低了79.43%,72.99%,56.71%,69.41%和56.35%,L-F、L-W和L-M模式土壤饱和导水率分别比L-L模式提高了0.32,1.52和0.33倍。轮作对土壤团聚体的影响主要表现在0~10 cm和10~30 cm的土层,其中L-C模式显著增加了土壤大团聚体含量,且增大了平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)值,提高了土壤的机械稳定性,L-P模式次之,但轮作在一定程度上降低了土壤水稳性团聚体的含量,L-F、L-W、L-C、L-P和L-M模式比L-L模式分别降低了33.44%,23.08%,7.36%,27.09%和20.29%。说明在黄土高原半干旱区,轮作有助于形成良好的土壤结构,改善土壤的渗透性能,促进土壤物理质量的提高。     

陇东旱塬区不同粮草轮作模式下土壤细菌群落组成特征

以陇东旱塬区冬麦-休闲-大豆(W-F-S)、冬麦-油菜-箭筈豌豆(W-R-V)和冬麦/休闲-苜蓿-苜蓿(W/F-L-L)粮草轮作系统为对象,基于16S rRNA基因序列扩增子测序,研究了3种轮作模式下耕层土壤(0~10 cm及10~20 cm)细菌群落组成特征。结果表明,3种轮作模式下,土壤细菌群落中占优势的菌门为变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria);土壤细菌群落属组成中以红游动菌属(Rhodoplanes)、出芽菌属(Gemmata)、硝化螺旋菌属(Nitrospira)、慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)、Adhaeribacter菌属和Balneimonas菌属等与固氮相关的菌属为主。W-F-S轮作模式下土壤特异优势菌属为紫色杆菌属(Janthinobacterium)和溶杆菌属(Lysobacter),该类菌属与胞囊线虫的防治有关,间接揭示了该轮作模式可能抑制土传病害发生;W-R-V轮作模式下欧文氏菌属(Erwinia)丰度较高,主要与前茬油菜根系残留相关;W/F-L-L轮作模式下鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)丰度较高,与苜蓿生长的少免耕措施有关。0~10 cm土层细菌多样性表现为W-F-S>W/F-L-L>W-R-V,10~20 cm土层表现则呈与之相反趋势。本研究从细菌群落组成和功能角度,阐释了包含豆科牧草的粮草轮作系统促进生物固氮、阻隔病害传播的微生物学机理,可为陇东旱塬区建立合理草田轮作制度和维持良好土壤生态环境提供理论依据。     

添加生物质炭对黄土高原旱作农田土壤养分、腐殖质及其组分的影响北大核心CSCD

黄土高原水土流失严重,导致部分土壤养分和质量明显下降。生物质炭在土壤改良方面被广泛应用,能提高作物产量和土壤生物活性水平。然而,生物质炭是否可以通过改善土壤养分、腐殖质组成及含量来提高黄绵土理化性质尚不清楚。以黄土高原黄绵土为研究对象,依托甘肃农业大学旱作农业试验站,设置6个生物质炭添加水平(0、10、20、30、40、50 t·hm^(-2))的4年定位试验,测定土壤养分、有机碳组分、结合态腐殖质构成及组分变化。结果表明:生物质炭添加量为20 t·hm^(-2)及以上时能显著增加重组有机碳(HFOC)、轻组有机碳(LFOC)、有机质和全氮含量,对全磷、全钾含量无显著影响,而高添加量显著增加速效钾含量但降低速效磷含量,低添加量显著增加速效磷含量但降低速效钾含量;添加生物质炭20 t·hm^(-2)及以上时土壤松结合态腐殖质(LCH)含量显著增加47.50%~65.83%;生物质炭添加量超过30 t·hm^(-2)时,腐殖质组成成分富里酸(FA)的含量显著增加78.79%~133.33%;轻组有机碳、重组有机碳和松结合态腐殖质是促进土壤总有机碳(TOC)增加的直接作用因素,其中LFOC和HFOC对TOC的解释率分别为72.55%和89.74%。本研究为生物质炭在黄土高原旱作农业区土壤改良、肥力提升方面提供了理论参考。     

不同放牧强度下陇东天然草地土壤微生物三大类群的动态特征

对陇东黄土高原天然草地的4个放牧处理(0、2.7、5.3和8.7只羊/hm2)生境下的土壤微生物三大类群时空动态特征进行了研究。结果表明,同一放牧强度下不同土层(0～10、10～20、20～30 cm),随着土层深度的增加土壤微生物三大类群呈减少趋势;在不同放牧强度下同一土层土壤微生物三大类群的数量不同,未放牧、轻度放牧条件下微生物种群数量较高,而过度放牧的天然草地土壤微生物数量最高;不同放牧条件下,土壤微生物三大类群表现出基本一致的变化趋势,真菌、细菌最高值出现在9月,放线菌最高峰出现在11月。     

不同土地利用方式对苜蓿茬地土壤微生物生物量碳、氮的影响

在甘肃庆阳黄土高原,用熏蒸法研究了土地利用方式对紫花苜蓿Medicago sativa后茬土壤微生物生物量碳、氮的影响.结果表明:4龄苜蓿后茬种植小麦Triticum aestivum 2年后,0～5 cm土壤层微生物生物量碳比苜蓿生长地降低70 mg/kg,休闲地仅为苜蓿生长地的40%,施氮肥对土壤微生物生物量碳无显著影响(P＞0.05);苜蓿后茬连续种植小麦2年后,0～5 cm土壤层微生物生物量氮比苜蓿生长地下降28%,而休闲2年后比苜蓿生长地减少69%,施氮肥对微生物生物量氮无显著影响;苜蓿生长地土壤微生物商为4.2%,后茬休闲后则下降至2.7 %.土壤微生物生物量碳、氮可灵敏反映苜蓿后茬地土壤质量的变化.     

黄土高原农田与草原土壤种子库

为了比较黄土高原农田与草原土壤种子库之间的关系,探讨黄土高原的农业生产结构,本研究采用发芽试验法对黄土高原不同土地利用方式(农田、撂荒地、封育天然草地)下的0-10 cm土层的土壤种子库密度与组成进行了分析。结果表明,农田的土壤种子库的平均密度是1 455粒m-2,共有7个物种;撂荒地的土壤种子库平均密度为1 008粒m-2,共有3个物种;封育草地的土壤种子库密度为5 044粒m-2,共有12个物种。对土地的不合理利用导致的撂荒地的土壤种子库密度、多样性、丰富度均最低,土壤沙化严重。封育草地的土壤种子库密度、多样性和丰富度均最高,土壤种子库在一定程度上对地表植被恢复和更新有着重要作用。因此,在生态环境脆弱的黄土高原地区改变传统的农业结构,增加草地封育年限,增加牧草种植,进而增加地表植被的密度、多样性和丰富度,从而改善生态环境。     

陇东典型草原不同坡向土壤呼吸对模拟降雨的短期响应

降雨是影响草地土壤呼吸的关键环境之一,为研究典型草原土壤呼吸对降雨的短期响应,2012年在陇东黄土高原开展模拟降雨试验。结果表明,降雨对阳坡草地土壤温度的短期影响明显,对阴坡草地温度无影响。15和30 mm降雨后,阳坡草地土壤呼吸速率急剧升高,分别是无降雨样地的9.0倍和10.3倍,且30 mm降雨土壤呼吸速率显著高于15 mm降雨的草地(P0.05);阴坡草地土壤呼吸速率则分别是无降雨样地的6.2倍和9.0倍。降雨处理5 h后草地的土壤呼吸速率与无降雨样地无差异。降雨发生后,草地土壤CO2日排放量为无降雨草地的2～3倍。因此,在估测土壤CO2排放量时应考虑降水对土壤呼吸的激发作用,有必要依据降雨数据对结果进行校正。