不同含水量及冻结温度对黑土冻融循环过程有机碳矿化的影响

[目的] 冻融过程土壤呼吸在年土壤呼吸总量中占有重要比例,研究探讨土壤冻融过程中含水量、冻结温度和冻融循环次数对土壤碳矿化动态的影响。[方法] 以黑龙江省嫩江县鹤山农场九三水土实验站黑土为研究对象,开展室内冻融程度模拟试验,进行7次冻融循环,设置100%田间持水量(100%WHC)、60%田间持水量(60%WHC)和30%田间持水量(30%WHC)3种土壤含水量;10 ℃恒温处理(对照)、-5 ℃冻结处理(轻度冻结)和-15 ℃冻结处理(重度冻结)3种环境温度。[结果] 冻融循环次数、含水量和冻结温度对CO₂排放量有显著影响,影响度分别为-0.63,0.21,0.14。解冻过程显著增加土壤碳矿化量;轻度冻结时,前3次冻融循环60%WHC土壤碳矿化量比100%WHC和30%WHC分别提高33.0%,35.2%,后4次冻融循环差异不明显;重度冻结时,前2次冻融循环100%WHC土壤碳矿化量,比60%WHC和30%WHC土壤分别提高25.2%,68.0%,后5次冻融循环差异不明显。[结论] 冻融循环次数对土壤CO₂排放量影响最大,含水量次之,冻结温度最小。冻融作用增加低含水量土壤的CO₂累积排放量;降低高含水量土壤的CO₂累积排放量;而对中等含水量土壤,轻度冻结增加CO₂累积排放量,重度冻结降低CO₂累积排放量。一级动力学方程对冻融土壤CO₂排放量的拟合效果较好(R²>0.997),含水量和冻结温度对有机碳矿化潜力C₀值有显著影响。     

温度和水分对黄土丘陵区3 种典型土地利用方式下土壤释放CO2 潜力的影响

为探讨影响土壤释放CO₂ 潜力的因素, 本研究采集黄土丘陵区3 种典型土地利用方式下(苹果园、退牧草地、辽东栎林地)的原状土壤样品, 室内进行不同温度和水分梯度的培养试验, 测定培养过程中土壤释放CO₂ 的速率以及土壤的理化性质, 并分析其对土壤释放CO₂ 潜力的影响。结果表明: 影响土壤释放CO₂ 速率的主要因素是温度, 指数模型Ra=ae^bT 可以很好地预测土壤呼吸速率随温度的变化情况。含水率对土壤呼吸速率影响不大, 但含水率对Q₁₀ 值的影响明显, 较高或较低的水分情况下都会降低土壤呼吸速率随温度变化的敏感程度。3 种土地利用方式下, 土壤释放CO₂ 的速率表现为: 林地土壤>草地土壤>果园土壤。土壤理化性质中, 有机碳对土壤呼吸的影响最大, 其次为有机氮; 此外微生物量碳很可能是间接影响土壤CO₂ 释放速率的一个因素。     

塿土剖面CO2浓度的动态变化及其受环境因素的影响

CO₂是土壤空气的重要组成,土壤空气CO₂浓度一般高于大气几倍到数十倍,甚至上百倍^[1]。土壤空气中CO₂主要来源于土壤呼吸,其浓度主要决定于生物因素(植物根系、土壤微生物活性等)和环境因素(土壤温度、含水量等)^[2～4]。土壤空气CO₂浓度可以反映和影响土壤向大气释放CO₂的通量^[4,5],同时对植物根系生长发育、土壤微生物活动和各种养料物质转化也有很大影响^[1]。研究了解土壤空气CO₂浓度剖面分布、季节动态及其影响因素,有助于人们认识土壤中CO₂产生、累积、输运以及向大气排放的生物和物理过程,制定和实施合理的农作措施以改善作物生长环境和减少土壤向大气排放的CO₂。国外已在森林、草地和农田土壤上开展了较长时间的土壤空气CO₂浓度观测研究^[4~7],但我国的研究和报道很少^[8,9]。本文通过土壤剖面不同深度CO₂浓度的定位观测,初步揭示了土剖面CO₂浓度的分布特征、季节动态及其受水热条件的影响。     

不同耕作条件下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响因素研究

为了研究耕作措施对双序列轮作农田土壤温室气体的排放及影响, 采用CO₂分析仪、静态箱 气相色谱法在陇中黄土高原半干旱区对传统耕作不覆盖、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和传统耕作+秸秆还田4种耕作措施下豆麦双序列轮作农田土壤温室气体(CO₂、N₂O和CH₄)的排放及影响因素进行了连续测定和分析。结果表明: 测定期内4种耕作措施下农田土壤均表现为CO₂源、N₂O源和CH₄净吸收汇; 除传统耕作不覆盖措施, 其他3种耕作措施不同程度地减少了2种轮作序列土壤的N₂O排放通量, 并显著增加了土壤对CH4的吸收。CO₂和N₂O的排放通量分别与地表、地下5 cm处、地下10 cm处的土壤温度呈极显著和显著正相关关系, 相关系数分别为0.92^**和0.89^**、0.95^**和0.91^**、0.77^*和0.62^*; 而CH₄吸收通量与不同地层的温度之间无明显的相关关系; CO₂和CH₄的通量与0~5 cm、5~10 cm的土壤含水量均呈显著正相关关系, 相关系数分别为0.69^*和0.72^*、0.77^*和0.64^*, 而与10~30 cm土壤含水量无明显相关关系; N₂O排放通量与各层次的土壤含水量之间均呈不显著负相关关系。对2种轮作序列各处理下土壤中排放的3种温室气体的增温潜势计算综合得出: 4种耕作措施中, 免耕不覆盖处理可相对减少土壤温室气体的排放量, 进而降低温室效应。     

旱作春玉米冠层及叶片瞬态气体交换及水分利用效率日变化特征

旱作作物不同尺度瞬态气体交换和水分利用效率同步观测的研究,对于节水高效农业理论研究和生产实践均具有及其重要的意义。该文采用涡度相关技术和LI-COR6400便携式光合作用测定仪测定旱作春玉米灌浆期冠层、叶片瞬时CO₂和H₂O汽交换速率,并分析其瞬态水分利用效率日变化特征。结果表明,旱作春玉米灌浆期0～100 cm根层土壤相对湿度为40%时,日变化过程中晴日中上部位叶片的光合速率高峰值为1.3 mg·m^-2·s^-1(29.82 μmol·m^-2·s^-1),与同纬度地区灌溉玉米的光合速率高峰值相近;而群体下光合速率高峰值为0.9 mg·m^-2·s^-1(20.65 μmol·m^-2·s^-1),只及同纬度地区灌溉玉米灌浆期光合速率高峰值的54.5%;群体和叶片水分利用效率高峰值分别为0.16 g(CO₂)/g(H₂O)和0.06 g(CO₂)/g(H₂O),正午前后分别维持在0.0055～0.0123 g(CO₂)/g(H₂O)和0.0113～0.0197 g(CO₂)/g(H₂O),叶片尺度的光合速率和水分利用效率在10∶00以后的时段内明显高于群体水平。     

季节性冻融期不同秸秆还田方式下黑土温度特征

[目的] 为探究不同秸秆还田方式对季节性冻融期黑土温度的影响。[方法] 通过田间温度监测,以大豆田为研究对象,设置秸秆覆盖还田(FG)和秸秆翻混还田(FH)2种还田方式,还田量分别为秸秆总量的30%(59 670 kg/hm²),60%(119 340 kg/hm²),90%(179 010 kg/hm²),并设置裸地为对照(CK)共7种处理。各处理自地表向下沿土壤垂直剖面分别设置5,10,20,30 cm 4个土层深度,分析冻融期不同秸秆还田方式及还田量下土壤温度变化特征。[结果] (1)秸秆还田使土壤进入不同冻融阶段的时间滞后于裸地,且有效提高土壤最低温度和降低最高温度的变化范围,其中最大提温、降温率均发生在FG90处理,分别为3.0~6.1,1.5~5.2 ℃。(2)秸秆还田减弱土壤的温度变异性和与气温的相关性,最大变异系数和相关系数发生在裸地5 cm土层,分别为6.54,0.82;最小发生在FG90处理30 cm土层,分别为0.82,0.26。土壤温度变异性大小关系为CK>FG30>FH30>FH60>FG60>FH90>FG90,土壤温度与气温相关性大小关系为CK>FH30>FG30>FH60>FH90>FG60>FG90。(3)裸地冻结和解冻速率最大且冻融周期最短,冻结速率为0.19 ℃/h,解冻速率为0.60 ℃/h,最小冻结速率发生在FH90处理,为0.04 ℃/h,最小解冻速率发生在FG90处理,为0.05 ℃/h。(4)随土层深度的增加,土壤始冻阶段、始融阶段逐渐增加,但冻结时长逐渐减小,FG90处理延缓冻融效果最明显,始冻阶段、始融阶段分别为8,10天。[结论] 研究结果定量描述冻融期不同秸秆还田措施下黑土温度特征,明确不同秸秆还田措施之间对土壤温度影响的差异,对于黑土区秸秆资源合理利用及保护性耕作具有重要指导意义。     

淡水湿地不同围垦土壤非耕季节呼吸速率差异

选择何种湿地利用方式,使得土壤固碳能力及CO₂气体排放受到的影响最小,是合理利用湿地、减少温室气体排放的关键所在,湿地土壤呼吸不仅受环境条件的影响,还受土壤本身性状的影响。以皖江地区为研究区域,利用定位试验对天然湿地及不同围垦利用方式下土壤在非耕季节CO₂排放通量、大气温度及表层土壤温度进行测定,并对其土壤TOC含量进行分析。结果表明,CO₂排放通量:水稻田[700.70 mg/(m²·h)]> 旱地[433.80 mg/(m²·h)]> 天然湿地[302.66 mg/(m²·h)],天然湿地土壤TOC含量明显高于围垦旱地及水稻田(0-30 cm),说明天然湿地较围垦旱地和水稻田对大气中CO₂浓度贡献最小,能存储更多的碳。探讨了CO₂排放通量与温度的相关性,得出3种土壤类型CO₂排放通量与大气温度和表层土壤温度均呈正相关关系。     

施氮水平对太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作体系土壤温室气体通量的影响

应用静态明箱-气相色谱法对4 个施氮肥水平N0 [0 kg(N)·hm^-2]、N200 [200 kg(N)·hm^-2]、N400 [400kg(N)·hm^-2]、N600 [600 kg(N)·hm^-2]的夏玉米-冬小麦季轮作体系2008~2010 年的土壤温室气体(CH₄、CO₂ 和N₂O)排放通量进行研究, 同时观测5 cm 土层土壤温度并记录降水量。结果表明: 太行山前平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统为CH₄ 吸收汇, CO₂ 和N₂O 排放源。随着氮肥施入量的增加土壤对CH₄ 的吸收速率降低, 而CO₂ 和N₂O 的排放速率增加。冬小麦季施氮处理土壤对CH₄ 的吸收速率显著低于无氮肥的N0 处理, 而N600处理土壤CO₂ 和N₂O 排放速率显著高于N0 处理(P<0.05)。施肥和灌溉会直接导致土壤CO₂ 和N₂O 的排放通量增加, 同时土壤对CH₄ 的吸收峰值减小。土壤温度升高和降水量增加以及干湿交替加剧均会造成N₂O 和CO₂排放速率增加。同时在持续干燥和低温条件的冬季不施氮处理观测到土壤对N₂O 的吸收现象。N0、N200、N400 和N600 处理土壤CH₄ 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为-1.42、-0.75、-0.82、-0.92(2008~2009 年)和-2.60、-1.47、-1.35、-1.76(2009~2010 年), N0、N200、N400 和N600 处理土壤CO₂ 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为15 597.6、19 345.6、21 455.9、29 012.5(2008~2009 年)和10 317.7、11 474.0、13 983.5、20 639.3(2009~2010年), N0、N200、N400 和N600 处理土壤N₂O 年排放总量(kg·hm^-2·a^-1)分别为1.05、2.16、5.27、6.98(2008~2009年)和1.49、2.31、4.42、5.81(2009~2010 年)。     

华北平原小麦-玉米农田生态系统服务评价

本研究于2006 年和2007 年在中国科学院栾城农业生态系统试验站田间试验基础上, 评价了华北平原小麦-玉米农田的初级产品生产、气体调节、土壤有机质累积、水调节和氮素转化等5 项生态系统服务。研究表明, 华北平原小麦-玉米农田初级产品量包括籽粒产量5.04~5.71 t·hm^-2·a^-1(小麦)和6.69~8.24t·hm^-2·a^-1(玉米), 秸秆量8.58~9.72 t·hm^-2·a^-1(小麦)和6.97~8.58 t·hm^-2·a^-1 (玉米); 农田气体调节包括释放O₂ 24.99~28.64 t·hm^-2·a^-1, 固定CO₂ 34.23~39.22 t·hm^-2·a^-1, 排放N₂O 0.72~1.13 kg·hm^-2·a^-1, 吸收CH₄ 3.39~5.70 kg·hm^-2·a^-1; 农田耕层土壤有机质累积量为1.13~2.39 t·hm^-2·a^-1; 水资源消耗量为2 890~3 830 m³·hm^-2·a^-1; 农田土壤氮素几乎都处于亏缺状态, 变化范围为-107.73~5.33 kg(N)·hm^-2·a^-1, 不施氮肥农田亏缺较多。综合评价发现, 小麦-玉米农田提供生态服务的经济价值为5.48~6.25 万元·hm^-2·a^-1, 是粮食生产价值的3 倍左右。氮肥施用对农田生态系统服务及其产生福利的影响较为复杂, 这主要是由于施加氮肥明显增加了氮素转化功能导致的经济损失, 而同时可能会增加初级产品生产、气体调节中作物固定CO₂ 和释放O₂ 功能的经济价值。尽管目前有关生态系统服务评价研究主要关注生态系统产生的正效应, 但仍有必要对农田产生的负效应做出评价, 以便客观看待农田生态系统价值, 正确认识农田生态系统对人类福利的影响。     

土壤秸秆注孔对土壤含水量及作物生长的影响

[目的] 研究土壤秸秆注孔对土壤含水量及作物生长的影响,为旱作农田增加雨水蓄集能力及提高水分利用效率提供理论依据。[方法] 开展玉米-小麦轮作田间试验,设置常规种植(CK)、土壤秸秆注孔2孔/m²(T₁),4孔/m²(T₂),8孔/m²(T₃)4个处理。[结果] 秸秆注孔所有处理均提高了整个试验期表层土壤含水量。T₂,T₃处理提高了收获期深层土壤含水量,试验结束时两者底层土壤(60-80 cm)含水量较CK分别提高了29.19 %和28.18 %。秸秆注孔处理提高了作物株高、经济产量和生物量,以及降水利用效率和水分利用效率,T₂,T₃处理的提高效果最明显,且彼此差异不显著。[结论] 秸秆注孔具有保水性能和增产能力,根据成本和效果综合考虑,推荐秸秆注孔4孔/m²(T₂)作为优选处理。     

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。     

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。     

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。     

黑河上游地表冻融指数与径流关系

[目的]探讨黑河上游地表冻融指数与径流的关系,为该流域的径流预测及水资源合理开发利用提供科学依据。[方法]利用1979—2006年黑河上游西支水文站和气象站的月平均径流、降水和气温资料,对该流域冻融指数变化、融化和冻结阶段径流变化进行分析,并对地表冻融指数与径流的关系做了进一步探讨。[结果]冻结指数和融化指数分别具有明显减少和增加的趋势,且在1990—2005年表现更为突出。径流在融化阶段变化趋势不明显,在冻结阶段呈现减少趋势,其中冬季径流减少趋势较为明显。季节冻融过程对冬季径流减少具有较为重要的影响,主要表现为冻结指数显著减小,表明土壤季节冻结过程中气温升高,这很可能使得冬季地表积雪更多地进行升华,从而削减了对径流的补给,导致了径流量的减少;融化指数显著增大,导致土壤季节融化深度增加了13~14cm,从而增加了土壤的调蓄空间,使得部分地表水储存于活动层,导致地表冬季径流量减少。[结论]季节冻融变化是影响黑河上游径流的一个不可忽视的特殊因子。     

秋耕对北疆季节性冻融期土壤热状况的影响

为明确秋耕对季节性冻融土壤热状况的调控作用,对比分析了翻耕(FG)、免耕(MG)、垄沟(LG)、翻耕活性炭覆盖(FH)和翻耕秸秆覆盖(FJ)5种处理对土壤温度、冻融循环以及土壤温度梯度等影响的差异.结果表明:与传统FG处理相比,MG、LG、FH、FJ处理均减弱了土壤温度与气温的相关性,降低了整个冻融期土壤温度的升、降温...     

季冻区公路边坡植物根系对冻融作用的影响

[目的] 探究季冻区公路边坡植物根系对冻融作用影响，为季冻区边坡防护工程的植物选择提供科学参考。[方法] 通过调查季冻区高速公路边坡土壤及植被特征，采用对比分析的方法研究不同植物根系对冻融循环作用的影响。[结果] 3种试验植物根系抵抗冻融破坏的强弱关系依次表现为：刺槐 > 胡枝子 > 紫穗槐。植物根系通过调节土壤物理性质以及发挥根系结构作用影响冻融循环过程，根系的存在调节了土壤含水率从而降低了土体发生融沉或裂缝的概率。[结论] 在季冻区公路边坡冻融破坏防治中，垂直根系生长较深，根系分布范围更广的植物能够提供更好的抵抗冻融破坏的能力。     

河套灌区农田防护林网内土壤季节性冻融过程及水盐运移

为了解内蒙古河套灌区农田防护林内冻融期土壤水盐状况及运移规律,在2020年10月至2021年4月实测土壤水分、盐分、温度及相关气象数据,并进行相关分析.结果 表明:土体表层温度波动较大,随土层深度加深土体温度变化逐渐平缓.冻结期气温下降速率低于消融期气温回升速率,加之土壤温度变化的滞后性,冻结期比消融期长10天左右.季...     

节水灌溉稻田土壤呼吸变化及其影响因素分析

为了揭示节水灌溉稻田土壤呼吸变化特征及其影响因素,基于蒸渗仪试验结果,分析了不同灌溉模式对稻田土壤呼吸速率日变化的影响,阐明了土壤呼吸速率对节水灌溉干湿交替过程的响应;同时,分析了节水灌溉稻田土壤呼吸速率的影响因子。结果表明,在处理间土壤水分状况差异较小的生育阶段,节水灌溉和常规灌溉稻田土壤呼吸速率日变化规律基本一致;在处理间水分差异较大的生育阶段,控灌稻田土壤呼吸日变化幅度较大,且速率和变化幅度均要大于常灌稻田土壤。控灌稻田全生育期土壤呼吸速率日变化均值为常灌稻田的1.47倍。控灌稻田土壤一般在复水和脱水的临界点上会出现土壤呼吸速率峰值。控灌稻田土壤呼吸速率受土温和土壤水分影响较大。稻田土壤呼吸速率与5 cm土温有较好的指数相关性,控灌稻田土壤达到了显著水平(P0.05)。土壤体积含水率在35%~55%之间时,土壤体积含水率43%为控灌稻田土壤呼吸的一个临界值,当土壤体积含水率低于临界值时,土壤呼吸速率随着土壤含水率的升高而逐渐增大(P0.05),当土壤体积含水率超过临界值时,土壤呼吸速率随着土壤含水率的增大而降低(P0.05)。研究结果为更加全面地评价节水灌溉的生态环境效应,同时为准确评估稻田生态系统碳源/汇特征提供依据。     

地表覆膜对季节性冻融土壤入渗规律的影响

该文以指导农田冬春灌溉为目的,利用双套环入渗仪积水入渗试验法,进行了季节性冻融期田间系列土壤入渗试验,分析了地表覆膜对冻融土壤入渗特性的影响。试验结果表明：地表覆膜具有明显的保温保墒作用,在地膜覆盖条件下,土壤冻结滞后,解冻过程提前,土壤含水率变化较小;冻结初、中期覆膜地的土壤入渗能力高于裸地,而冻结末期和消融期则表现出相反的规律;冻融期地膜覆盖使得土壤出现最小入渗能力的时间滞后于裸地近20 d。研究结果对于指导季节性冻融区冬春灌溉合理灌水技术参数的确定及高效利用土壤水资源具有重要的理论和实际意义。