中国东北黑土养分空间异质性

Patterns of soil organic carbon (SOC) storage and density in various soil types or locations are the foundation for examining the role of soil in the global carbon cycle. An assessment of SOC storage and density patterns in China based on soil types as defined by Chinese Soil Taxonomy (CST) and the recently compiled digital 11000 000 Soil Database of China was conducted to generate a rigorous database for the future study of SOC storage. First, SOC densities of 7292soil profiles were calculated and linked by soil type to polygons of a digital soil map using geographic information system resulting in a 11000 000 SOC density distribution map of China. Further results showed that soils in China covered 9 281 ×103 km2 with a total SOC storage of 89.14 Gt and a mean SOC density 96.0 t ha-1. Among the 14 CST orders, Cambosols and Argosols constituted high percentage of China's total SOC storage, while Andosols, Vertosols, and Spodsols had a low percentage. As for SOC density, Histosols were the highest, while Primosols were the lowest. Specific patterns of SOC storage of various soil types at the CST suborder, group, and subgroup levels were also described. Results obtained from the study of SOC storage and density of all CST soil types would be not only useful for international comparative research, but also for more accurately estimating and monitoring of changes of SOC storage in China.     

东北黑土区旱作农田土壤CO2排放规律

为研究农田土壤CO2排放规律,调控农田碳平衡,通过对东北黑土区旱作农田土壤CO2排放的定位连续观测,研究了玉米、大豆农田土壤CO2排放的季节变化规律;并估算了农田碳平衡。结果表明:1)农田土壤CO2排放通量随季节呈单峰曲线变化,7月份出现最大值;秸秆覆盖还田明显增加了农田土壤CO2排放;玉米或大豆生长发育对土壤CO2排放影响较小。2)地温的季节变化与土壤CO2排放通量季节变化规律一致,用指数方程和二次方程均可很好地模拟土壤CO2排放通量与地温之间的关系,但指数方程优于二次方程,以20cm土层地温的相关性最高,5cm土层地温的相关性最低。3)玉米、大豆农田在通常情况下为大气CO2的"汇",玉米-玉米-大豆轮作周期(3a)的碳汇年平均为4.53t/hm2,该碳汇可为固碳减排提供参考。     

侵蚀红壤恢复区植被垂直结构对土壤恢复特征的影响

通过获取典型的侵蚀红壤恢复区植被垂直结构参数及林下土壤属性值,构建归一化土壤恢复指数,研究了植被垂直结构对林下侵蚀土壤恢复特征的影响。结果显示:研究区植被垂直结构与土壤属性特征较侵蚀期均有所恢复,植被垂直结构对侵蚀土壤的恢复影响显著,土壤重组有机碳、全氮和黏粒含量的恢复水平均呈现出纯林林草林灌草的趋势,体积质量顺序相应为林灌草林草纯林。植被投影叶面积指数与归一化土壤恢复指数呈显著正相关(r=0.332*,P0.05)。在投影叶面积指数大于0.2的情形下,土壤恢复特征随植被垂直层次的增多呈正向演变,不同植被结构投影叶面积指数的增大有利于侵蚀区退化土壤质量的恢复,灌草层是侵蚀红壤恢复的重要影响因素。     

黑土耕作层土壤pH空间变异及自相关分析

以东北黑土耕作区土壤表层(0~20 cm)土壤pH为研究对象,以经典统计学和地统计学为基础,结合"3S"技术及Moran指数进行空间自相关分析,剖析黑土区土壤pH的空间自相关类型及其分布格局。研究结果表明:小流域土壤pH均值为6.72,变异系数为9.91%,其变程为1 000 m,具有较强空间自相关性,空间变异受地形、成土等结构性要素影响较大,在东–西(E–W)方向的空间变异相对剧烈;土壤pH与高程等地形因子显著性相关,地理加权克里格插值显示土壤pH高值出现在研究区中部旱地,低值出现在东部与西部区域,呈现带状分布,与土地利用类型的东西向交替相近。全局自相关分析表明研究区土壤pH存在较强的正自相关特征,且不同方向存在差异;随着距离的增大,土壤pH呈现负自相关特征,分布存在空间孤立。局部空间自相关类型主要为H–H型(高–高关联)和L–L型(低–低关联),空间集聚特征明显,其中H–H型主要分布于研究区中部旱地区域,形成高pH且高度空间自相关的格局,L–L型分布于东部林地区域,形成低pH集聚的格局。     

基于Landsat 8 OLI影像的延河流域土壤线提取及其应用研究

[目的]以延河流域为研究区,利用自动提取算法建立典型黄土的土壤线方程,为土壤调节植被指数的计算提供基本参数。[方法]基于Landsat 8OLI遥感影像,采用自动提取算法获取土壤线参数;分析归一化植被指数NDVI,土壤调节植被指数PVI,TSAVI,ATSAVI与实测盖度的相关性,探讨所构建的土壤线方程在黄土高原地区植被指数提取中的适用性。[结果]通过自动算法与常规方法对比发现两者偏差较小,且自动提取算法具有较高的精度和稳定性;各植被指数与实测盖度的相关性大小为:PVINDVITSAVIATSAVI,PVI为延河流域植被盖度反演的最优植被指数,NDVI次之,TSAVI与ATSAVI较差;与NDVI指数相比,PVI指数能够较好地抵抗土壤噪声的影响,对不同植被类型的敏感性较高,更适用于植被覆盖度较低的黄土高原。[结论]自动提取算法对延河流域土壤线的提取较为适用,所得参数适合于计算土壤调节植被指数。     

东北典型黑土区土壤养分空间分异影响因素分析

结合常规统计方法与GIS空间分析方法,采用经典同归模型和空间滞后模型,定量研究了榆树市土壤养分空间变异的主要影响因素.研究表明,土壤中碱解氮元素的空间变异主要受河流、居民点、小路3个因子影响;土壤中速效磷空间变异的影响因子是到居民点的距离、到小路的距离,说明速效磷的空间变异主要受人文因素的影响;土壤中速效钾空间变异影响因素相对复杂,水文因素、人文因素、地貌闪素对速效钾的空间分布均有影响,其中地貌因素的影响最为显著;土壤中有机质空间变异的影响因子包括湖泊、河流、大路、居民点、坡度,和速效钾空间变异的影响因子相同,但各个因素的影响相对均衡.比较两种模型发现,在土壤养分存在明显自相关的情况下,空间滞后模型的模拟效果明显优于经典回归模型.     

压砂地土壤盐分空间变异规律

[目的]研究不同种植年限压砂地及裸地不同土层土壤盐分的空间变异特征,为西北干旱地区土壤盐渍化改良和利用提供理论依据。[方法]以甘肃省景泰县压砂地及裸地不同土层土壤盐分数据为基础,运用经典统计学和地统计学相结合的方法,分析土壤盐分统计特征值,半方差模拟模型及其拟合参数和等值线分布图。[结果]压砂地土壤盐分均值明显低于裸地,且裸地老砂地新砂地中砂地,裸地与压砂地各层土壤盐分的均值差异较大,且土层Ⅳ(30—50cm)土层Ⅲ(20—30cm)土层Ⅱ(10—20cm)土层Ⅰ(0—10cm);裸地Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ层,中砂地各层土壤盐分属于弱变异性,其他各地型各土层土壤盐分都属于中等变异性。裸地Ⅰ,Ⅲ层,新砂地第Ⅲ层,中砂地第Ⅰ层,老砂地Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ层土壤盐分半方差函数最佳理论模型为指数模型,裸地第Ⅱ层为线性模型,其他各地型各土层均为球状模型。裸地第Ⅱ层土壤盐分具有弱空间相关性,其余各土层土壤盐分均具有强相关性。试验区土壤盐分北部高于南部,且各土层土壤盐分在一定范围内存在空间上的变异性和相关性。[结论]土壤表层压砂能有效减小土壤盐分表聚,抑制土壤次生盐渍化,不同种植年限压砂地不同土层土壤盐分在一定范围内存在空间上的变异性和相关性。     

东北黑土区土壤凋萎湿度研究

以第二次全国土壤普查资料为基础,调查了东北黑土区黑土类中23个土种的典型剖面,测定了土壤凋萎湿度及相关理化性质,在分析黑土土种凋萎湿度特征及其与土壤理化性质关系的基础上,建立了分别利用土壤理化性质和最大吸湿水计算土壤凋萎湿度的两种方法。研究区23个土种的土壤凋萎湿度变化为9.45%~22.67%,平均为14.90%,随厚度略有增加,但变化不大。3个黑土亚类中,黑土的凋萎湿度最大,白浆化黑土最小。土壤凋萎湿度与机械组成,土壤容重和有机质含量有显著的相关性,可分别利用粘粒含量一个指标,粘粒含量与砂粒含量两个指标,粘粒含量、砂粒含量和容重3个指标计算估算土壤凋萎湿度,且选取变量越多估算效果越好。也可利用土壤最大吸湿水估算土壤凋萎湿度:PWP=1.4742×MH 0.6292。对这些估算方法的检验结果表明,利用土壤理化性质和利用最大吸湿水估算的土壤凋萎湿度与实测结果没有差异,建议方法是可行的。     

东北黑土区地埂坡耕地土壤物理性质的空间分布特征

[目的]揭示东北黑土区有、无地埂措施土壤物理性质空间分布的差异,为黑土区水土保持工程措施及坡耕地土壤恢复效果的评价提供科学依据。[方法]以东北黑土区修筑水土保持工程措施(地埂)的坡耕地为研究对象,以无措施坡耕地作为对照,采用空间均匀布点取样法,获取了表层(0—15 cm)土壤物理性质基本指标,量化有、无地埂措施坡耕地土壤持水能力和土壤结构的空间分布特征。[结果](1)修筑地埂后,土壤含水率、饱和持水量、田间持水量和毛管持水量分别提高7.89%,30.15%,17.83%,19.41%;(2)在坡上、坡中及坡下位置修筑地埂样地的土壤持水能力均高于无措施对照样地,且随坡位的下降,土壤的持水能力也在逐渐增大;(3)修筑地埂后,土壤容重和分形维数分别降低12.04%,0.58%,而土壤总孔隙度、毛管孔隙度、WR_>0.25、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)分别增大14.02%,17.83%,17.74%,28.48%,21.31%;(4)在坡上、坡中及坡下位置修筑地埂样地的土壤结构较无措施对照样地更好,尤其是坡上位置主要影响土壤总孔隙度、平均重量直径(M...     

城市边缘带土壤重金属空间变异及其污染评价

为揭示城市边缘带强烈人为活动对土壤环境质量的影响，本研究以上海梅山钢铁集团附近14km^2区域为研究区，网格化精确布点，采集表层土壤样品计93个并对其重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Hg、As含量进行了测定分析。结果表明，研究区表层土壤中除Hg和Cd外的其他5种重金属含量均未超过国家二级标准，其中有些土壤中重金属含量接近或略高于南京市土壤环境背景值，但与研究区表层土壤元素地球化学背景值平均水平及空间变异特征基本相符；研究区表层土壤中Hg污染严重，61．3％的样点土壤Hg含量超过国家二级标准。另外，本研究应用地统计学普通克里格插值方法，对研究区内表层土壤污染的空间变异特征进行了分析，并讨论了土壤污染重点空间区域潜在污染源及其污染途径。     

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。     

20年来东北典型黑土地区土壤肥力质量变化

通过大量样品分析和数据收集,研究了最近20年来东北典型黑土地区土壤肥力质量主要指标——pH、有机质、速效磷、速效钾和黏粒的变化情况,并在地理信息系统和地统计分析的辅助下,研究了该5项肥力指标以及综合肥力指数的时空变异规律。结果表明:20年中该地区土壤pH、有机质和速效钾平均含量明显降低,速效磷平均含量有较大增加;速效磷的变异系数变化最大,pH变化最小;20世纪80年代该地区土壤肥力综合指数以一、二级为主(80%以上),但21世纪初土壤肥力质量几乎被二、三级地所占据(98%以上)。该地区土壤肥力质量明显降低可能与长期以来重种轻养有关。     

东北黑土区降水特征及其对土壤水分的影响

水分是东北黑土区农业生产的主要限制因子,为了探讨东北黑土区可持续的土壤水分管理方式,该研究以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内为基础,利用SPI（standard precipitation index）值（标准降水指数）研究了该地区1952－2008年的大气降水情况,同时分析了土壤水分对大气降水（1999－2008年）的响应。1952－2008年平均年降水量为540 mm,标准差为121 mm,生长季内平均降水量为473 mm,占年平均降水量的87.60%。利用标准降水指数（SPI）将1952－2008年大气降水划分为7个不同的干/湿状态,分别是极端干旱,严重干旱、中等干旱、平常年份、中等湿润、非常湿润和极端湿润。分析近10 a（1999－2008）大气降水的SPI值发现极端干旱的年份有增加的趋势,同时对生长季末期土壤含水量的影响表现为湿润的年份（2003年,SPI值=1.5）能够显著增加土壤含水量（639.70 mm）,而在极端干旱的年份（2004年,SPI=-2.6）土壤含水量达到了最低值（512.21 mm）。年际间降水量的差异也影响了土壤的供水特征特,同时肥料的施用增加了作物对土壤中水分的消耗。根据降水合理地管理东北黑土区的土壤水分对农业的可持续发展具有重要意义。     

黑土区不同耕作措施的水土保持效益

为了探求黑土区坡耕地水土流失的有效防治措施,以吉林省伊通县毯子房小流域为典型试验研究区,采用野外观测与室内实验相结合的方法,对留茬、轮作和秸秆还田3种不同耕作措施下黑土区坡耕地的水土保持效益进行研究与分析。结果表明:1)对照处理产生径流量和泥沙量最大,秸秆还田产生侵蚀量最小,留茬、轮作和秸秆还田比对照处理径流量减少36.4%～66.7%,泥沙量减少75.2%～86.4%;2)与对照相比,留茬、轮作和秸秆还田3种不同措施下冲刷泥沙中土壤有机质质量分数分别减少56.6%,62.8%和81.4%,全氮质量分数分别减少53.3%,60.0%和80.0%,全磷质量分数减少38.5%,61.5%和84.6%,且不同处理下3种土壤养分流失总量均比对照减少85%以上。     

东北黑土耕层土壤黏粒矿物组成的区域差异及其演化

在东北黑土耕层土壤小于2μm黏粒的化学组成和X衍射分析基础上,对不同纬度的15个黑土的黏粒矿物组成和空间差异进行研究,并探讨了其影响因素及演化机制。结果表明:东北黑土耕层土壤黏粒矿物属伊利石—蒙伊混层矿物类型,但其组合因区域不同有所差异,高纬度黑土为伊利石—蒙伊混层型,低纬度黑土则为蒙伊混层—伊利石—蛭石型。影响黏粒矿物空间差异的主要因素有降水、温度、作物类型。由于这些因素在空间上的显著差异,使黑土黏粒矿物演化序列处于伊利石向蒙伊混层或蛭石的不同阶段,导致东北黑土黏粒矿物组成在纬度上形成显著区域差异。     

东北地区大豆单产空间分异特征及其影响因素分析

作为中国最重要的大豆主产区,东北地区的大豆生产成为解决大豆进出口产需问题的核心。明晰东北地区大豆单产空间分异特征及其影响因素,对于保卫“黑土粮仓”和夯实粮食安全“压舱石”具有重要意义。该研究基于谷歌地球引擎（Google Earth Engine,GEE）平台,采用多特征随机森林的分类方法,提取2022年大豆种植空间分布信息,结合多时相叶面积指数（leaf area index,LAI）数据与实测产量建立大豆估产模型,明晰区域大豆单产空间分异特征,运用地理探测器定量解析大豆单产空间分异特征的影响因素。结果表明：1）2022年东北地区大豆种植面积的总体提取精度达89.48%,Kappa系数为0.89,与统计数据之间的决定系数（R²）为0.92。大豆种植面积由北向南递减,大豆种植区主要分布于松嫩平原地区,重心位于绥化市。2）2022年东北地区大豆平均单产为2514.08 kg/hm²,与实测产量之间的R²为0.72。大豆单产空间分布集聚性显著,呈现出北高南低的分布特征。3）土壤类型、土壤pH值和大豆补贴是解释大豆单产空间分异特征最重要的3种单因子,q值分别为0.27、0.24和0.24。年均降雨∩年均积温、年均降雨∩大豆补贴以及土壤类型∩大豆补贴是解释大豆单产空间分异特征最重要的3对交互因子,q值分别为0.44、0.40和0.40。人为因素对大豆单产差异影响显著,大豆补贴、大豆粮价、农业灌溉面积、农业机械总动力、肥料价格和文盲率的最佳影响范围分别为4801～7500元/hm²、5601～5800元/t、13.6×10⁴～26.4×10⁴ hm²、252×10⁴～436×10⁴ kW、2500～2602元/t以及1.4%～1.8%。东北地区大豆单产在空间上呈现由北向南递减的趋势,具有显著的空间异质性。大豆单产空间分异受自然因素与人为因素的共同影响,自然因素起主导作用,人为因素起调控作用。     

东北典型薄层黑土区土壤可蚀性模型适用性分析

土壤可蚀性是土壤侵蚀预报和环境效应评价模型的重要参数。该文选取东北典型薄层黑土区宾州河流域为研究区,通过校验极细砂粒含量转换式,分析侵蚀—生产力影响模型(erosion productivity impact calculator,EPIC)、通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)和修正土壤流失方程(revised universal soil loss equation,RUSLE2)3种模型K值估算方法间的差异,以探讨各估算方法在东北典型薄层黑土区的适用性。结果表明:与实测值相比,RUSLE2模型整体"低估"极细砂粒含量,平均低估22.5%;建立的薄层黑土区极细砂粒含量转换方程可使估算精度提高95%以上。RUSLE2模型K值估算方法适用于薄层黑土区。EPIC与USLE模型K值估算方法均"高估"薄层黑土区的土壤可蚀性,但通过建立的修正方程进行校正,仍可用于中国东北薄层黑土区K值估算。该研究可为薄层黑土区及相似地区的土壤侵蚀定量评价和土壤质量危险性评价提供必要的科学依据。     

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%。