长期不同量秸秆炭化还田下水稻土孔隙结构特征

  【目的】  生物炭被认为是一种能够提高土壤固碳能力、改善土壤结构和减缓全球气候变化的土壤改良剂。土壤孔隙结构直接影响土壤中水、气、热的运动,因此,研究长期施用生物炭对土壤孔隙结构特征的影响,以期为秸秆炭化还田提供理论依据。  【方法】  研究基于2013年建立的水稻秸秆炭化还田长期定位试验,选取在等氮磷钾条件下不施用生物炭 (C0)、施用低量生物炭 (1.5 t/hm2,C1.5)、高量生物炭 (3.0 t/hm2,C3.0)的 3个处理。利用X射线CT扫描和图像处理技术,分析了土壤孔隙结构参数,包括土壤孔隙度、土壤孔隙大小分布、孔隙连通性指数 (欧拉特征值)、各向异性、分形维数、最紧实层孔隙度和最紧实层平均孔隙直径等参数。  【结果】  C1.5和C3.0处理均能显著增加土壤有机碳含量和土壤总孔隙度,降低土壤容重,平均增加或降低比例分别为15.5%、10.5%和7.4%。C1.5与C3.0处理之间的总孔隙度没有显著差异,但孔隙大小分布存在差异。C1.5处理显著增加了大孔隙中当量孔径为100～500 μm和 > 500 μm的孔隙度,增幅分别为81.6%和275.3%,而C3.0处理显著降低了大孔隙中当量孔径100～500 μm的孔隙度,降幅为32.9%。C3.0处理当量孔径 < 25 μm的孔隙度显著大于C0处理和C1.5处理,增幅分别为13.8%和16.3%。C1.5处理的欧拉特征值最低,分形维数、最紧实层孔隙度和平均孔隙直径最大。各处理土壤孔隙的各向异性没有显著差异。  【结论】  长期施用水稻秸秆生物炭能够显著增加稻田土壤有机碳含量和总孔隙度,降低土壤容重。施用适量生物炭会增加土壤大孔隙度和土壤孔隙的连通性,但是过量施用生物炭可能会降低土壤大孔隙度和土壤孔隙的通气导水能力。炭化秸秆还田量与孔隙结构之间的定量关系还需深入研究。     

团聚体大小分布对孔隙结构和土壤有机碳矿化的影响

土壤团聚体在外部和内部因素影响下发生团聚和破碎过程,形成不同大小分布的团聚体。团聚体大小分布的变化会改变土壤孔隙结构,影响各种土壤物理、化学和生物学过程,进而影响土壤有机碳(SOC)的周转。选择三种长期施用不同量有机肥的红壤(不施肥,CK;施低量有机肥,LM;施高量有机肥,HM),过不同大小孔径筛(5 mm,S₅;2 mm,S₂;0.5 mm,S_0.5)改变团聚体的大小分布,然后填装土柱(直径2.9 cm、高度4 cm),填装容重为1.3 g·cm^-3。利用X射线显微CT(Computed Tomography)成像技术分析土壤的孔隙结构,采用室内培养法测定土壤有机碳矿化量。结果表明,团聚体大小对孔隙结构有极显著的影响。相较于S₅和S₂处理,S_0.5处理土壤的大孔隙度(>16μm)降低了83.0%～93.9%,孔隙连通性降低了95%以上。而S₅和S₂处理的大孔隙度和孔隙连通性只在HM土...     

石漠化区岩-土与非岩-土界面土壤孔隙变异及入渗对干湿变化的响应

全球气候变化下土壤水分暴涨骤减愈加频繁和强烈,这对生态系统脆弱的喀斯特区石漠化适应性治理产生了严峻挑战。因此,探究干湿变化下土壤孔隙变异及入渗响应对石漠化区土壤水分补给及降雨径流调节具有重要意义。该研究采用原位圆盘入渗法研究了干湿条件下不同露石岩面形状岩-土界面和非岩-土界面土壤孔隙结构变异及水分入渗的响应。结果表明： 1）干旱条件下土壤孔隙大小及数量均大于湿润条件;干湿条件下岩-土界面土壤小（＜0.2 mm）、中孔隙（0.2～1.0 mm）数及体积比均大于非岩-土界面,大孔隙（＞1.0 mm）数及体积比则小于非岩-土界面;干湿变化下土壤孔隙数及体积比的平均变化幅度从高到低为小孔隙、中孔隙、大孔隙,土壤孔隙各参数平均变化幅度从高到低为非毛管孔隙度、毛管孔隙度、通气度、总孔隙度。2）干旱条件下土壤稳定入渗率和饱和导水率均大于湿润条件;随着水头压力的增加,岩-土界面和非岩-土界面土壤导水率逐渐增加,土壤稳定入渗率则呈现先减小后增大的趋势。3）干湿条件下各级土壤孔隙对入渗水流的贡献率均随孔隙减小而降低;非毛管孔隙度和大孔隙数对土壤入渗能力的影响最大。4）岩-土界面土壤孔隙及水分入渗等参数在干湿变化下的平均变化幅度均大于非岩-土界面。研究结果可为干湿变化下土壤孔隙变异引起的土壤水分补给及降雨径流调节能力变化的认识及石漠化的适应性治理提供科学依据。     

三峡库区紫色砂岩不同发育程度土壤入渗特征及其影响因素

为探究典型母岩不同发育程度土壤入渗特征,在三峡库区王家桥小流域采用圆盘入渗仪测定新成土（S1）、雏形土（S2）、淋溶土（S3）3种紫色砂岩不同发育程度土壤入渗过程,探究入渗过程的影响因素,并用3种常用模型进行入渗过程模拟,分析比较这些模型的适宜性。结果表明：（1）不同发育程度间土壤理化性质差异显著。雏形土和淋溶土土壤容重较新成土分别增加10.71%,19.50%,土壤总孔隙度分别降低8.79%,18.69%,通气孔隙度分别降低67.40%,8.16%,土壤黏粒含量分别增加10.01%,38.36%,砂粒含量分别减小8.09%,48.29%,土壤有机质分别增加2.88%,8.68%。（2）不同发育程度土壤间初始入渗率、平均入渗率、饱和导水率均表现为新成土>雏形土>淋溶土,雏形土、淋溶土平均入渗率及饱和导水率分别是新成土的0.99,0.58和0.89,0.83倍。（3）不同发育程度土壤理化性质差异对土壤入渗具有显著影响,土壤入渗速率与总孔隙度、毛管孔隙度、通气孔隙度、砂粒含量呈正相关关系,与容重、黏粒含量、有机质含量呈负相关关系。（4） Horton模型对紫色砂岩不同发育程度土壤入渗过程拟合效果最优（R²=0.942）,Kostiakov模型次之（R²=0.858）,Philip模型拟合效果较差（R²=0.832）。通过观测与模拟不同发育程度土壤入渗过程,研究结果可为流域土壤水分运移规律探究提供有益借鉴。     

土壤压实指标在城市土壤评价中的应用与比较

通过测定南京市不同土地利用下的52个样点的紧实度、容重和孔隙度3个压实指标来反映城市土壤的压实程度。结果表明,南京市大多数土壤存在不同程度的压实,部分压实严重,可能限制植物的生长。不同压实指标在反映土壤压实程度上基本一致,它们之间具有极显著的相关性,可以相互转换。但紧实度指标受到土壤含水量的显著影响。在同一质地或质地相近的土壤,容重和孔隙度可以很好地反映土壤的压实程度。与总孔隙度和毛管孔隙度相比,通气孔隙度在反映土壤压实时更为敏感。所以在进行城市土壤压实状况评价时,可以选择不同的土壤压实程度指标,但就方法的实用性和可靠性来说,容重比紧实度和孔隙度指标一般更方便可靠。     

紫色土坡耕地土壤大孔隙流的定量评价

为阐明大孔隙丰富且孔径呈两极分化的紫色土坡耕地土壤大孔隙流的运移规律,通过室内土柱试验获取耕作层0~20 cm、非耕作层20~40 cm原状土柱和填装土柱的穿透曲线,分析饱和条件下土壤大孔隙流发生规律,并采用解析法CXTFIT软件拟合了水分优先运移参数,PFSP指标(大孔隙流引起的穿透曲线延展量与水动力弥散作用及两区作用引起的延展量的比值)定量评价土壤大孔隙流的贡献率。研究结果表明:1)以填装土柱水流为平衡基质流计算,耕作层0~20 cm原状土柱中大孔隙流的导水贡献率为66.2%~68.5%,而Br-累积淋出量占总淋出量的62.3%~66.1%。对于非耕作层20~40 cm,土壤大孔隙流导水贡献率为0.2%~1.7%,而Br-随大孔隙流运移的比例却达14.5%~20.5%。说明耕作层土壤中大孔隙流现象远比在非耕作层土壤中更为显著;2)PFSP值结果表明大孔隙流作用对穿透曲线延展量的贡献率最大,两区交换运移作用次之,水动力弥散作用的最小。即PFSP值越大,大孔隙流对总水流通量的贡献率越大。     

秸秆添加对石灰性土壤有机与无机碳释放的影响

在富含碳酸盐的石灰性土壤上,土壤本身CO2释放不仅来自土壤有机碳（SOC）的分解,也源于无机碳（SIC）的溶解。在秸秆还田下,石灰性土壤CO2释放来源达到三个（秸秆碳、SOC和SIC）,由于区分技术的限制,当前区分CO2释放三源的研究,尚少见报道。以华北石灰性农田土壤为研究对象,采用13C标记玉米秸秆添加土壤进行室内培养32周,设置4个处理,分别为无添加对照（CK）、低量秸秆添加（S1,相当于田间秸秆还田量9.6 t?hm-2）、中量秸秆添加（S2,秸秆还田量28.8 t?hm-2）和高量秸秆添加（S3,秸秆还田量48.0 t?hm-2）,利用秸秆碳、SOC与SIC之间的δ13C差异,借助稳定同位素溯源模型IsoSource,区分土壤CO2的释放来源,明确秸秆添加对石灰性土壤有机与无机碳释放的影响。结果表明,随着培养时间的进行,土壤释放CO2中源于秸秆的贡献呈下降趋势;秸秆分解对土壤CO2释放的贡献随着秸秆添加量增加而增加,对于S1、S2和S3处理,土壤释放CO2中源于秸秆、SOC和SIC的贡献比值约分别为3:3:4、5:2:3和6:2:2;与CK相比,S1处理降低SOC分解的激发效应（程度为9%）,S2和S3处理反而增加了SOC分解的激发效应（程度分别为22%和57%）;秸秆和SOC矿化增加SIC溶解的释放,随秸秆添加量增加而增加,S1、S2和S3处理提高SIC源CO2的释放程度分别为368%、561%和652%。因此,秸秆添加不仅影响SOC源CO2的释放,也增加了SIC源CO2的释放,若忽略SIC溶解对土壤CO2释放的贡献,可能导致SOC矿化量的高估,进而影响SOC激发效应评估的准确度。     

贵州西部四种典型林地土壤水文特性研究

对贵州省西部地区桦木林、柳杉林、华山松林和杉木林4种典型林地土壤的物理性质和水文特性进行了初步研究。结果表明：4种林地土壤容重、毛管孔隙度、贮水深和毛管持水深均随土壤深度的增加而增大,总孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水深和渗透性具有随土壤深度的增加而减小的趋势。综合评价4种典型林地土壤物理性质和水文特性,桦木林地土壤平均非毛管孔隙（16.29%）和渗透性（2.77mm/min）最大,表现出较强的蓄水能力;华山松林地土壤平均总孔隙度（66.70%）最大,表现出较大的持水深。     

利用计算机断层扫描技术研究土壤改良措施下土壤孔隙

为探明不同土壤结构改良措施（秸秆覆盖、免耕、有机肥、保水剂）对土壤孔隙特征及分布的影响,采用计算机断层（computed tomography,CT）扫描法定量分析了土壤孔隙的数目、孔隙度及孔隙在土壤剖面上的分布特征。结果表明：不同措施均提高了土壤总孔隙数、大孔隙数及0.13～1.0 mm孔隙数,且其孔隙度也相应提高。同时孔隙成圆率也得到了改善。各处理中以有机肥和免耕处理效果较佳,其次为保水剂和秸秆覆盖,对照最低。此外,不同措施显著提高了土壤的田间持水量和＞0.25 mm 水稳性团聚体含量,降低了土壤容重,且各处理中,仍以有机肥和免耕处理效果最佳,其田间持水量分别较对照提高了15.9%和16.4%,而土壤容重较对照降低了6.8%和8.8%。相关分析表明：田间持水量、容重和＞0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤总孔隙度和大孔隙度呈显著或极显著正相关;而土壤容重对于总孔隙度和大孔隙度及孔隙成圆率呈显著负相关。     

炭基肥对老茶园土壤有机碳矿化温度敏感性的影响

采取室内恒温培养法,以施用炭基肥（BF）、不施炭基肥（CK）的40a茶园土壤为研究对象,设定15℃、25℃和35℃共3种不同温度场景,连续监测土壤有机碳（soil organic carbon,SOC）矿化特征并分析有机碳矿化温度敏感性,为评估老茶园固碳减排及障碍消减提供参考。结果表明：（1）炭基肥提升了温变场景下茶园土壤pH值和SOC含量。15℃、25℃和35℃培养温度下,BF处理的土壤pH值较CK处理分别增加0.45、0.07和0.28个单位;BF处理的SOC含量较CK处理分别提高22.19%、16.65%和25.50%。（2）炭基肥增加了温变场景下茶园SOC累计矿化量、潜在矿化势（CS）及土壤呼吸强度,对SOC矿化呈现正激发效应。15℃、25℃和35℃培养温度下,BF处理的SOC累计矿化量较CK处理分别提高15.61%、46.51%和36.89%。BF处理的CS值随温度升高呈现先增加后减少的变化趋势,25℃培养温度下BF处理的CS值较15℃和35℃培养温度下分别提高147.11%和29.21%。（3）炭基肥降低温度升高处理下茶园SOC矿化温度敏感性。25～35℃温度范围内,BF处...     

种植模式对川中丘陵石灰性紫色土结构和地力的影响

基于田间长期定位试验,通过原位监测和计算机断层微扫描技术相结合的方法,分析种植模式对川中丘陵石灰性紫色土结构和地力的影响。结果表明,玉米-小麦(MW)模式耕层土壤孔隙配比合理且连通性好,有利于耕层保水保肥和土壤可持续利用,但该模式土壤动物丰富度和经济效益偏低。玉米-油菜(MR)模式土壤孔隙结构较玉米-小麦模式差,但腐食性土壤动物丰富,有利于改善土壤结构,且经济效益优于玉米-小麦模式。玉米-红薯-小麦(MWP)模式经济效益最高,作物类型和孔隙结构有利于土壤动物生存繁殖,但该体系耕层土壤孔隙结构不利于保水保肥,且养分消耗量高,不利于土壤养分积累和长期地力维护。该区传统粮油种植模式利弊共存,选择时需因地制宜、趋利避害进行综合评估。     

基于数字图像技术的土壤孔隙结构定量研究进展

土壤孔隙结构是土壤孔隙的形态大小、数量搭配和空间分布状况的综合反映，其结构的复杂性和异质性决定着土壤水分迁移、气体扩散和生物活动等过程。近年来数字图像技术的发展虽然实现了土壤孔隙结构的直接可视化和定量化，但孔隙提取的精度仍然受采样方法、设备分辨率和分割技术的限制。本文基于现有土壤孔隙研究方法的发展历程，以图像获取、图像分割和量化分析为主线，综述了当前常用土壤孔隙研究方法(间接法和直接法)的基本原理、主要步骤和优缺点，剖析了从图像中提取孔隙结构的分割技术，概括了孔隙结构的常用量化指标，最后针对现有研究方法存在的问题和不足，对未来研究方法的发展方向进行了展望。     

矿区机械压实对土壤孔隙特性影响的研究进展

在矿区开采和复垦过程中大型机械的使用产生了土壤压实,并严重扰动了土壤内部结构,导致土壤孔隙数量减少,连通性和渗水能力下降,土壤孔隙作为土壤水气交换的重要场所决定着土壤水分和空气状况,进而影响复垦土壤质量与肥力。为探究矿区机械压实作用对土壤孔隙的影响,系统梳理了矿区机械压实作用下土壤孔隙的获取和表征方法,对农业机械压实相关研究进行了简单归纳,在此基础之上阐述了矿区机械压实对土壤孔隙影响的研究进展,总结了当前研究存在的问题,并提出今后在探究矿区机械压实对土壤孔隙特性影响时应创新压实土壤孔隙的定量表征方法,重视机械压实对土壤孔隙特性影响机理的考究,以期为改善矿区土地复垦效果提供理论指导。     

土壤动物与土壤健康

土壤动物与土壤健康息息相关,土壤动物多样性和功能能够灵敏反映人类活动和气候变化引起的土壤扰动.同时,土壤动物还通过与生物和非生物组分间的相互作用对地上生态系统产生反馈作用.当前土壤动物在土壤健康评价体系中的应用相对较少,主要集中在土壤线虫、节肢动物和蚯蚓等类群,仍缺乏基于土壤动物的系统性评价指标.因此,本文围绕土壤动物...     

不同种稻年限对苏打盐碱土孔隙和入渗性能的影响

已有的科学研究和生产实践表明,种植水稻可以有效改良东北苏打盐碱土。但种植水稻是如何影响土壤结构和入渗性能来改良盐碱地的相关研究还比较缺乏。采用压汞法研究不同种稻年限土壤的微观孔隙变化,并通过土柱实验研究土壤入渗性能的差异,明确了种植水稻对盐碱土结构和入渗性能的影响。研究结果表明：土壤平均孔径随种植年限增加,种植7 a的土壤平均孔径较1 a的土壤增加了0.808μm;土壤比表面积随种植年限的增加降低,种植7 a的土壤比表面积较1 a的土壤降低了0.087 m²·g^-1;土壤孔隙率随种植年限增加,种植7 a的土壤孔隙率较1 a的土壤增加了8.35%。随着种植年限的增加,小孔隙数量减少,大中孔隙数量不断增加,种植7 a的土壤孔隙在30～75μm和75～200μm这两个范围内的占比最大,分别为28.25%和12.45%。土壤入渗性能也显著提高,种植7a的土壤稳定入渗速率较荒地提高了107倍。盐碱地通过种植水稻,有利于土壤孔隙的形成和小孔隙数量减少,大中孔隙数量增加。土壤孔径和孔隙率的增加,有效改善了土壤结构,提高了土壤入渗性能。盐碱土壤盐分向下淋洗的...     

土壤细菌趋化性研究进展

土壤是地球生态系统中最具生命活性的组成部分,特有的孔隙结构承载着生物圈中最丰富多样的微生物生命形态,为动植物提供了大量的调控功能。土壤是一个不断演变和发展的生态系统,而微生物是土壤生态系统的核心,也是驱动碳、氮等元素以及能量循环的关键因子。趋化性是细菌在长期进化过程中形成的帮助其寻找食物或趋利避害的本能,结合其他的内在生理特征,细菌能够迅速适应动态变化的环境。营养物、异源污染物和水分条件等的不均匀分布致使土壤中细菌趋化现象普遍存在,并且时刻影响土壤微生物的群落组成及其时空分布。近年来,土壤细菌趋化性已成为国内外土壤微生物学研究的热点和重点。本文分析了土壤细菌趋化性研究的前沿问题和主要进展,阐述了细菌趋化行为模式、趋化信号传导通路和趋化性数学模型,探讨了土壤中普遍存在的细菌趋化现象及相关的主要研究技术手段(荧光原位杂交技术、微流控技术和光学显微技术),并对土壤细菌趋化性研究的发展趋势进行了展望,旨在为今后的相关研究和实际应用提供参考。     

土壤退化时间序列的构建及其在我国土壤退化研究中的意义

我国土壤退化发生广、发展快,后果严重,很多问题亟待解决,加大其研究力度势在必行。显而易见,人们对土壤特性与土壤退化过程了解得越详细,对土壤退化的评估与防治也会越好。因此迫切需要建立大量土壤退化时间序列来明确土壤退化过程中时间因素的作用并帮助人们正确理解和认识土壤退化与人为作用之间的关系。为了得到可靠的结果,土壤退化时间序列的建立需包括起始土壤相似性判定与退化土壤绝对或相对年龄的验证两个重要过程。本文详细论述了土壤退化时间序列的构建过程及应注意的问题,并探讨了土壤时间序列在我国土壤退化研究中的意义,旨在为土壤退化时间序列的正确建立与应用提供较为详尽的参考。     

保存过程对土壤生化指标的影响及保存土样的应用

土壤样品的生化指标反映了样品采集时期的生态与环境信息,具有极为重要的科学研究价值。样品的生化指标在保存过程中是否发生变化,是保存样品应用中应关注的重点问题。本文总结了各类土壤生化指标在不同保存条件、保存时间下的变化,表明长期保存的土壤样品适用于全量元素含量测定、土壤微生物群落结构分析、DNA/RNA序列分析、土壤污染物分析和土壤酶活性的比较研究,而土壤速效成分以及呼吸、硝化等代谢过程相关指标则不宜采用保存土样。土样长期保存应采用风干、磨口玻璃瓶密封、常温保存的方式。保存土样应用过程中应注意避免取样、分析时的环境污染,采用合适的分析测试技术,并考虑不同类型土壤保存效应的差异。随着分析技术的发展,保存土样中更多的历史环境信息将得以发掘,发挥出更大的科研价值。     

土壤微生物影响土壤健康的作用机制研究进展

土壤健康是农业可持续发展的中心主题。土壤微生物参与土壤生态功能、环境功能和免疫功能协同驱动土壤生命系统运转，是维持土壤健康的核心与关键。了解不同微生物介导的土壤健康调控机制对有效利用这些核心微生物维持和改善土壤健康至关重要。本文围绕微生物参与调节土壤碳循环、养分循环，改变土壤结构、抑制植物病虫害、污染控制等主要生物过程系统梳理了微生物在调控土壤健康中的重要作用，以及微生物作为土壤健康的敏感指标对土壤健康的指示与预警作用。强调未来应加强驱动土壤健康特定功能以及多个生物过程的核心微生物组信息数据库挖掘、构建与生产应用研究，为定向利用微生物改善农业土壤生态系统功能、维持土壤健康以及保障土壤可持续发展提供科学依据。