Carbon mineralization in response to nitrogen and litter addition in surface and subsoils in an agroecosystem

More than 50% of global soil organic carbon stocks are stored below 20 cm of soil depth capable of massively altering global C cycle and climate. However, subsoil C dynamics are largely overlooked implicitly assuming that surface and subsoil C dynamics are similar. Here, we compared the soil C dynamics in surface and subsurface soil layers in response to nitrogen and maize leaf litter additions. Soils, sampled from 0 to 5, 15 to 35, 35 to 55 and 55 to 75 cm depths, were incubated at 25°C after adding litter, nitrogen (NH₄NO₃) or litter plus nitrogen. Soil respiration (C mineralization) was measured throughout the incubation period. Litter addition significantly increased C mineralization in all the soil layers. However, the soil CO₂ release relative to control was more than twofold higher in 15–35 and 35–55 cm soil layers than the surface layer. Nitrogen additions significantly decreased C mineralization in 0–15 cm soil, increased in 35–55 cm and had minimal effects in the 15–35 and 55–75 cm layers. Different soil C dynamics in surface and subsurface soil layers found in our study contradict the general assumption that soil C dynamics may be treated similarly along different soil depths.     

Effects of a plastic cover on soil moisture change in a Mediterranean climatic regime

Water deficit is a serious problem for most agricultural crops, especially in arid–semiarid regions, and limits sustainable development. Production can be improved by reducing evapotranspiration and loss of infiltrated water by the use of a plastic cover. We monitored soil moisture fortnightly over 1 yr using a neutron probe near four trees in an olive grove (Olea europaea, var. Arbequina), two of which had a plastic cover buried in the topsoil around them. These trees were monitored using three neutron probe access tubes per tree to compare the behaviour of soil moisture over time with two other identically instrumented and nearby trees with no cover. Analysis was based on the resultant moisture profiles. The plastic cover retained moisture and increased soil water residence time. During the dry season, the amount of water retained in the plots was at most 15–20% greater in the mid‐season and at least 5–6% greater at the end of season than in the central part of the plots near the trunk. The plastic cover was effective to ca. 50 cm with maximum water content near the soil surface. During the wet season, the cover did not affect soil water. Soil moisture was greater near the tree trunk as a result of stemflow and throughfall.     

基于van Genuchten模型的渭北苹果园土壤水分能量特征分析

针对渭北地区干旱缺水,果树生长发育受限的客观实际,开展了苹果树生育期0～150 cm土壤水吸力动态变化规律研究。依据渭北果园土壤剖面构型,将离心机法与水汽平衡法相结合,按照发生学土层,逐层测定了供试土壤水分特征曲线,并用van Genuchten模型拟合。基于该模型,将在幼龄果园、老龄果园以及农田定期逐层监测的土壤水分含量转化为土壤水吸力,以农田为对照,评价植果条件下土壤水分的胁迫状况。结果表明,van Genuchten模型能很好地拟合渭北果园耕层、农田耕层、黑垆土层及黄土母质层的水分特征曲线,拟合精度均达0.96以上。渭北地区农田受干旱胁迫较严重,3月中旬－7月初,0～100 cm土层均处于水吸力高于3.98的重度胁迫状态;受植被冠层覆盖及果树生育期的影响,干旱对果树的胁迫程度较农田小,对老龄果园胁迫程度比对幼龄果园的大,幼龄果园在3月中旬－5月初、5月底－7月初仅0～20 cm土层为高水吸力区,直至6月中旬－7月中旬高水吸力区才延伸到40～70 cm土层;老龄果园在3月中旬－4月底的0～40 cm土层、5月底－7月中旬的30～100 cm土层和7月中旬－8月底的0～20 cm土层为高水吸力区。可得出,渭北不同园龄苹果园在不同生育期的不同深度土层会间歇性地出现高水吸力的土壤水分胁迫区,但相对于农田而言,果园受到的干旱胁迫相对较轻,渭北地区植果有助于缓解干旱胁迫。     

陕北黄土丘陵区山地苹果园的土壤水分动态研究

掌握土壤水分特征是实现果园科学管理、有限雨水资源合理高效利用、保证果树高产优质的关键。以陕北米脂山地6年生红富士苹果园为研究对象,于2015年4月—2016年6月采用FDR、中子水分仪和烘干法相结合的土壤水分监测方法,分析了山地苹果园的土壤水分总体特征、单株不同位点的水分动态以及不同旱作措施(秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨、有机肥覆盖)的土壤水分环境效应。结果表明:陕北山地果园时段干旱严重,最严重的为苹果树新梢生长和幼果发育期;春季土壤干旱程度取决于上年入冬前土壤储水量高低。果园0~60 cm土层(根系分布集中层)水分随降雨量而变化,表现为较一致的季节变化特征;土壤水分的变化滞后于降雨变化,且降雨对土壤水分的影响随土层加深而减弱,100 cm深土层受降雨影响减弱,土壤剖面200 cm以下土层土壤含水量保持相对稳定。6年生山地苹果园土壤已经出现干化现象,且在90~300 cm存在明显的低湿层,土壤体积含水量常年处在12%以下。苹果树单株尺度范围内,土壤含水量随距树干距离增加单调递增;土壤水分的平均值处在距树干105 cm处;沿行向距树干不同距离位点的土壤含水量显著高于沿株向距树干等距离位点的含水量(P0.05)。秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨和有机肥覆盖措施相较于空白对照(不覆盖、不灌溉)均能有效改善土壤水分环境,缓解果树生育期内水分供需矛盾,其中起垄覆膜垄沟集雨措施的保墒效果最佳,建议陕北黄土丘陵区山地雨养苹果园采用起垄覆膜垄沟集雨的保墒措施。     

基于GIS的安塞县土壤水分制图及其数量分析

 以空间图形和数据库为基础,利用GIS安塞县的土壤水分样点数据与地理数据结合起来,建立不同利用类型土地类型坡度分级的浮点型土壤含水率字段,对安塞县域尺度土壤水分制图及其定量化方法进行研究和探讨,对安塞县不同土层土壤水分状态和分布进行定量分析。结果表明:从土壤水分结构看,安塞县土壤水分总体上处于较低水平,0～500 cm土层平均土壤含水量在含水量为8.6%～10.8%的分布面积占到总土地面积的75.34%,在含水量<6.4%和6.4%～8.6%的分布面积占到总土地面积的19.36%,其中含水率<6.4%的土壤干层面积占到总土地面积的9.23%,其在上层分布面积大于下层,分布在一般（≥10.8%）以上水平的面积仅占总土地面积的5.31%。安塞县每2的土壤水库蓄水量在0～120cm土层仅有0.060.07 m3,而其他土层都在0.15m3以下。说明安塞县土壤水分环境极差,土壤水库的调节作用对于林木生长极其有限,大面积植树造林超越了安塞县土壤水库的供水和调水能力,是不适宜的;因此,在以适地适树原则适应土壤水分环境的同时,应加强土壤水分环境的改善。     

黄土丘陵区深层干化土壤中节水型修剪枣树生长及耗水

黄土丘陵区人工林地深层土壤干层是否影响后续植物的生长是众多学者关心的热点。该文在砍伐23 a生旱作山地苹果园地后休闲4 a又栽植枣树,连续3 a观测干化土壤中枣树的生长及土壤水分变化,研究采用节水型修剪的再植枣林的生长及耗水情况。结果表明,前期23 a生苹果园地已使0~1 000 cm深土壤干化,休闲4 a后0~300 cm土层水分得到恢复,300~500 cm范围为中度偏重亏缺,500~700 cm为中度亏缺,700~1 000 cm为轻度亏缺;3龄枣树时开始采取节水型修剪,0~300 cm土层有效水分被消耗34.97%,至4龄时0~300 cm范围内前期恢复的土壤水分已消耗殆尽;在此情况下采取节水型修剪的枣树仍可保持良好生长,产量及其水分利用效率均高于相同水分条件下的常规修剪枣树,产量可达正常水分条件下枣树的1.39倍以上,产量水分利用效率可达1.52倍以上。研究结果证明节水型修剪是半干旱区深层干化土壤中枣树克服雨量不足和土壤水分亏缺的一条有效途径。     

阔叶林改种毛竹(Phyllostachys pubescens)后土壤固氮细菌 nifH 基因多样性的变化

【目的】毛竹是喜氮植物,土壤氮素水平对毛竹生长至关重要。生物固氮是土壤氮素的重要来源,因此,探索阔叶林改种毛竹后土壤固氮细菌和土壤氮素的变化具有重要意义。【方法】选择立地条件相近的毛竹林(100多年前由阔叶林改种而来)和阔叶林,每种林地在东北坡向位置随机选择4个10 m×10 m标准样地,每个标准样地选取5个采样点,分层采集0—20 cm(表层)和20—40 cm(次表层)土壤样品,分析了土壤pH、有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾和含水量等常规理化性质; 采用引物对AQER和PolF,以土壤总DNA为模板扩增了固氮细菌功能基因(nifH )片段,应用变性梯度凝胶电泳(DGGE)和实时荧光定量PCR(Real-time PCR),分析了固氮细菌群落结构、多样性以及丰度(nifH 基因拷贝数)变化; 通过基因克隆测序对土壤固氮细菌进行初步鉴定。【结果】阔叶林改种毛竹后土壤pH显著(P0.05)提高; 毛竹林土壤的含水量、碱解氮以及表层土壤的速效钾显著高于(P0.05)同层的阔叶林土壤,而有效磷则显著(P0.05)低于同层的阔叶林土壤。总体来说,阔叶林改种毛竹后土壤养分含量明显提高; 阔叶林土壤固氮细菌DGGE条带数以及多样性指数(Shannon-Wiener index)都高于毛竹林; 基于DGGE条带信息的聚类分析和主成分分析(PCA)结果表明,阔叶林和毛竹林区分为2个类群,而同一林分的不同土层之间差异较小; 实时荧光定量PCR结果显示,毛竹林土壤的固氮细菌 nifH 基因丰度显著(P0.05)高于阔叶林土壤; 通过克隆测序,14个阳性克隆分别属于2个不同的菌属,其中13个均为Bradyrhizobium,1个为Azohydromonas lata,条带序列与已知序列的相似度为93%~98%。【结论】阔叶林改种毛竹后土壤固氮细菌的种类减少,而功能基因丰度却明显增加; 土壤氮素水平明显提高,这可能是土壤固氮能力增强的结果。     

陕西省延川县孙家塬经济林土壤水分和水分平衡

对陕西省延川县孙家塬枣树林和苹果林4m深度土层水分的变化进行了研究,并对土壤水分有效性、土壤干层及其水循环等方面进行了分析。结果表明,枣树林地含水量平均为10.6%,还有4.5%的土壤水资源可以利用。苹果林地4m深度范围内平均含水量为7.4%,2.0—4.0m深度范围内土壤水资源基本耗尽。苹果林地土壤含水量自上向下呈现高—低—高分层变化特点,枣树林地土壤水分剖面垂向分层不明显。枣树林地和苹果林地土壤水分基本都呈难效水状态,但枣树林土壤水分接近中效水,土壤水分对苹果林生长具有严重的抑制作用,对枣树林的生长基本没有抑制作用。枣树林地2.0—4.0m深度范围仅有轻度干层发育,苹果林地土层2.0—4.0m深度范围有轻度干层、中度干层和重度干层发育。苹果林地和枣树林地土壤干层切断了深层水分与上层的联系。水循环主要表现为地表水循环,基本不存在地下水循环,形成了土壤—植物—大气的水分循环模式,属于异常水分循环类型。干层长期发展会导致该区地下水位的持续下降和地下水资源减少。该区土壤水分条件更适于发展枣树经济林。     

乌兰布和沙漠东北部沙区人工林土壤钾素特征研究

通过对乌兰布和沙漠东北部沙区不同林地土壤样品的测定与分析,研究了林地土壤各形态钾素含量、相关性和垂直分异特征。结果显示:表层各形态钾素在各林地内呈不均衡分布。造林对表层土壤钾素具有不同程度的积累效应,特别是二白杨、小美旱以及固氮树种花棒、沙棘和沙枣;林地全钾含量中,各形态钾素所占比例不同,但平均97%以上的钾素植物难以直接利用;缓效钾是有效钾素非常重要的潜在给源。各林地有效性钾、速效钾和缓效钾含量绝大部分表层(0-20cm)高于下层(20-40cm),矿物钾和全钾主要决定于土壤母质,层次间差异很小。在干旱条件下,林地土壤含水量较高的树种以及固氮树种更有利于有效钾素的提升。各形态钾素间存在着不同程度的转化关系;有机质、CEC明显影响着各形态钾素的含量、转化及其有效性。整体而言,乔木提升有效性钾、速效钾和缓效钾含量稍优于灌木,但差异很小。因此,在沙区干旱条件下,建议推广对土壤质量提高和生态环境改善更具潜力的固氮沙生灌木。     

黑河中游农田荒漠过渡带土壤冻融过程中水热动态

以黑河中游典型农田荒漠过渡带为例,对过渡带3种景观单元冻融期土壤水热动态进行了野外定位监测。结果表明:(1)土壤温度随气温剧烈变化,变幅随土壤深度的增加而减小,3种景观单元土壤温度变幅由剧烈到平缓的顺序为:荒漠农田防护林,并依次形成60,100和80cm深的冻土层;(2)受土壤性质和地表覆盖的影响,冻融过程中,农田、防护林土壤含水量变化明显,且农田土壤水分含量4月初达到最大值,而荒漠土壤含水量则基本保持不变;(3)土壤水分变化滞后于土壤温度的变化,防护林土壤水和温度变化较农田缓慢;(4)浅层地下水位在冻结期下降,融化期回升,且回升速率大于下降速率。冻融过程可有效减小土壤水分的蒸发和渗漏,冻后聚墒明显,利于下层土壤水分的保持,对于来年植物生长具有一定的意义。     

基于土壤水分特征曲线的北京市废弃关停矿山修复效果研究

通过测定和分析北京市废弃关停矿山4个矿区3种立地类型的土壤水分特征曲线及土壤物理指标表明,经验方程θ=aS-b对北京市废弃关停矿山的土壤水分特征曲线有良好的模拟性,土壤有效水的上限(田间持水量)为0.01 MPa土壤水吸力所对应的土壤湿度,易有效水和难有效水的土壤水吸力界点以0.1 MPa为宜。从a值和ab值比较北京市废弃关停矿山土壤的持水性能和供水性能为:未被干扰区域>修复区域>被破坏区域。     

黄土高原小流域土壤水分及全氮的垂直变异

为了研究黄土高原土壤中水分及全氮垂直分布及变异情况,对陕北神木县六道沟小流域中苜蓿地、荒草地、农地、柠条地以及油松地5种不同植被类型下0～800 cm土层中土壤含水率和土壤全氮进行了测定和分析。土壤含水率在垂直方向上呈现出干湿交替的层状分布。植被类型影响土壤水分含量的垂直剖面分布;各植被类型下相对高湿层和低湿层出现的深度不同;不同深度土层平均土壤含水率不同。农地及退耕荒草地土壤水分涵养较好,垂直方向上含水率变化较大;人工植被苜蓿、柠条消耗土壤水分较多,土壤含水率变化相对平缓;油松地平均土壤含水率及变化幅度居中。研究区域中,土壤全氮含量水平较低,表层发生陡降后,在20 cm以下土层中仍以很小的变幅降低,变化平缓。柠条地土壤全氮含量高于其他植被类型。     

科尔沁地区不同类型沙地土壤水分的时空异质性

应用半干旱区科尔沁沙地2006-2010年5-9月份土壤水分定点观测资料,研究农田、沙质草地和固定沙丘土壤水分的时空变异性。结果表明:2006年5月-2010年9月,(1)农田、沙质草地和固定沙丘土壤水分都在7月份最高;农田7月份土壤水分与5、6月份的差异显著,沙质草地7月份的与8、9月份的差异显著,而固定沙丘7月份的与生长季其他月份的都有显著差异;(2)3个样地土壤水分随年份有逐渐增加的趋势;(3)农田、沙质草地和固定沙丘0-160cm平均土壤含水量分别为20.69%,7.63%,3.61%,农田土壤水分明显高于沙质草地和固定沙丘,而且3种样地间土壤水分差异显著;(4)3个样地土壤水分随土层厚度增加呈"先增加后减少,最后又增加"的趋势;农田0-20cm土壤水分与20-40cm,40-60cm,120-140cm及140-160cm的差异显著;沙质草地0-20cm土壤水分除与140-160cm有显著差异外,与其他土层均无显著差异;固定沙丘土壤水分只有100-120cm与140-160cm的差异显著;(5)研究区降雨的季节分配极不均匀,主要集中在4-10月的生长季,占全年降雨量的92.58%;0～5mm降雨占全年降雨事件的73.29%,但其降雨量只占全年降雨量的25.1%;降雨间隔期以0～10d为主,占全年无降雨期的37.6%;0～10d降雨间隔期出现的频数最高,占全年间隔期频数的86.9%;(6)当土壤水分较高时,其变异性会随着土壤水分的增加而减小,而当土壤水分较低时,其变异性随土壤水分的增加而增加。     

风沙区雨养耕地水分与养分动态及其对作物产量的影响

风沙区由于林带的缺少,雨养耕地风蚀现象严重,就地起沙,形成了风蚀地以及风积地在短距离内交错分布的特点。通过对风沙区雨养耕地土壤水养状况的定位研究得出:没有防护林带保护的雨养耕地有3种类型,即风蚀地、积沙地、过渡地段。沿主害风方向,上风地段为风蚀沙地,下风地段为风积沙地。风蚀沙地水分状况最好,风积沙地最差;表层土壤(0~20cm)养分状况比下层(20~60cm)差,风积沙地肥力最低,过渡地段最好。沙区雨养耕地特点明显,一年中土壤含水率变幅比降水量小得多,水养同步作物生产力水平高;农作物产量与土壤中全N、全P、全K含量关系不密切,与土壤表层有机质、有效P、K含量及下层有效N的含量呈明显的正相关。     

土体冻结过程中基质势与水分迁移及冻胀的关系

土体冻结过程中不同位置液态水的能量差引起了水分迁移与重分布,进而引发冻胀,关于势能差驱动下的冻土水分迁移问题一直由于技术手段的匮乏而没有完全解决。利用新近推出的可用于冻土水热研究的p F meter基质势传感器与5TM水分传感器,实时监测研究饱和青藏红黏土单向冻结过程中基质势-液态含水率-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土体温度场变化引起内部液态水相变,打破了原有的能量平衡,试验结束后12~14 cm土样高处含水率最高达到55%,靠近冻融交界面处(10 cm)的未冻区含水率减小至25.8%,水分整体向冷端发生迁移;土体冻胀的快慢及冻胀量大小与水分迁移速率及数量具有线性关系;试验后土体内总含水率的分布与分凝冰透镜体的分布一致,已冻区液态含水率的分布与温度梯度近似成线性关系,未冻区液态含水率的分布与水分的迁移量有关,与温度梯度无关。此外,温度场对水分场的变化具有诱导作用但二者并不同步,当冻结速率减小到一定程度时水分才开始迁移,第10小时后温度场趋于稳定而水分迁移并未停止。研究成果揭示了土体单向冻结过程中液态水、基质势、温度等物理参数的动态变化过程及内在联系,为冻胀机制的研究以及冻胀模型的建立提供了试验基础。     

黄土高原沟壑区人工植被类型对土壤水分和碳氮的影响

以黄土高原沟壑区人工建造的典型植被油松、侧柏、刺槐、沙棘、苹果为研究对象，研究分析了不同植被类型对土壤水分含量、土壤碳氮累积等的变化影响。研究表明，旱季刺槐林地表现出了强烈的耗水特征，200cm以下土壤含水量具明显减少趋势。200—300cm处水分含量仅为5．8％～7．1％，而油松林地200cm以下与荒草地含水量基本相一致，土壤水分含量保持在15％左右，侧柏、沙棘、苹果土壤水分利用主要在20-200cm范围内。雨季，天然降雨虽对林地水分含量有所补充，但只表现在0-50cm表层，且各个植被类型间表现不明显；与荒草相比，油松群落土壤有机碳氮提高了9．3％，果园土壤有机碳含量显著降低，而沙棘、侧柏和刺槐群落的土壤有机碳含量虽低于荒草群落，但尚未达到显著水平。     

黄土丘陵区主要树种土壤水分动态变化特征及影响因子

为揭示黄土丘陵区土壤贮水状况与植被生长的关系,得到该区最优适生树种,以4类树种作为研究对象,基于ECH₂O-5TM监测系统和U30-NRC气象站2019—2020年每30 min数据,采用Excel和SPSS对土壤体积含水量、降雨、空气温度、空气相对湿度进行月、季节尺度处理,运用多重差异性比较和曲线估算阐释了该区土壤水分时间变化特征及其与影响因子的关系。结果表明:(1)刺槐(Robinia pseudoacacia)、辽东栎(Quercus wutaishanica)、侧柏(Platycladus orientalis)土壤水分分为耗损期(5—10月)、衰退期(10月—次年1月)、提升期(2—4月)及低位期(3—5月),油松(Pinus tabuliformis)和撂荒地对照(CK)在1—5月则表现为稳升期,各树种土壤水分和降雨存在约30 d的滞后时差。(2)50—80 cm土壤剖层处于水分高峰,随着深度的增加,不同树种土壤水分存在正负变化趋势; 油松土壤水分在表层(20 cm)变异程度最弱。(3)全年与非生长季时期辽东栎土壤水分状况最佳,生长季时期辽东栎、撂荒地对照和油松土壤水分显著大于其余树种,同树种不同时期土壤水分未表现出显著差异。(4)不同树种土壤水分与温度呈负相关性,与降雨和湿度表现为正相关关系,土壤水分与降雨量之间存在阈值(约70 mm)。综上,黄土丘陵区主要树种土壤水分在生长季时期变化最为显著,辽东栎和油松土壤水分在不同时间阶段均较为充沛,可作为当地贮水保水树种选择。     

Verification of freezing point depression method for measuring matric potential of soil water

The matric potential of soil water was determined using the freezing point depression method for a range of soil types. Soil water characteristic curves of these soils were obtained and compared with those obtained by the pressure plate, psychrometer, and vapor pressure methods resulting in excellent agreement between the freezing point depression method and the other methods over the range of -10.0 to -0.1 MPa in matric potential (i.e., temperature range of -8.00 to -0.08°C for freezing point) in all soil types. Over those ranges of matric potentials and temperatures, the effect of temperature-dependence on the freezing point of soils both in terms of specific volume of water and latent heat of water freezing was negligibly small. Freezing point of soils was independent of the bulk density of soils due to the fact that soil water in the range of matric potentials less than -0.1 MPa was affected predominantly by adsorptive forces between water and the soil matrix. The results from this study indicate that the freezing point depression method is a simple and practical technique to determine the soil water content in the vicinity of the wilting point     

喀斯特地区黄壤坡面土壤水分对降雨的响应

土壤水分是喀斯特地区水文生态环境的重要因素.通过在不同土地利用设置试验点,对降雨和20,40,80,100 cm深度土壤水分进行监测分析,揭示不同土地利用条件下土壤水分在降雨过程中的变化规律.结果表明:(1)植被盖度、土壤前期贮水量等因素对土壤水分的降雨补给量和土壤水分在土壤剖面上的再分配具有明显的影响.(2)土壤水分...     

Effect of Greenhouse Subsurface Irrigation on Soil Phosphatase Activity

Abstract

In this study, tomato plants were grown in a greenhouse and were subjected to five subsurface irrigation treatments with maximum allowable depletion (MAD) of ?10, ?16, ?25, ?40, and ?63 kPa in soil water potentials, respectively. The long‐term effect of subsurface irrigation schedules on soil neutral phosphatase activities at five soil depths (0–10, 10–20, 20–30, 30–40, and 40–60 cm) were investigated in 2004. Results showed that subsurface irrigation could enhance soil neutral phosphatase activity in the treatment with higher irrigation maximum allowable depletion. Neutral phosphatase acitivties were higher at topsoil than subsoil, with heightened phosphatase activities at the depth of 10–20 cm in the soil profile in subsurface irrigation. Neutral phosphatase activity presented significantly positive liner relationships with available phosphorus (P) and contributed to the increase of available P in soil. Phosphatase activity could be an effective indicator to assess the plant‐available P under greenhouse subsurface irrigation. Irrigation management could be applied to adjust phosphatase activity and maximum allowable depletion of ?10 to ?16 kPa is an advisable subsurface irrigation schedule to heighten phosphatase activity, thereby contributing to higher P availability in soil.