基于组分区分的南方红壤丘陵土壤呼吸对植被类型转换的响应

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要环节之一。长时期的水土保持生态建设导致南方红壤丘陵区植被类型转换非常普遍。探讨植被转换对土壤呼吸及其关键组分的影响,不仅对深入了解土壤呼吸与碳循环的内在机制有着重要的理论价值,还可以为科学评价水土保持生态建设在应对气候变化方面的作用提供科学依据。依托江西水土保持生态科技园对侵蚀退化裸地及其恢复承建后的百喜草地、柑橘果园和湿地松人工林进行了一年尺度的土壤呼吸速率监测。结果表明,土壤呼吸速率月变化呈夏高冬低的曲线模式,最大值出现在8月份或9月份,最小值出现在1月份,植被转换没有改变土壤呼吸的季节变化模式。土壤呼吸速率的季节变化主要受浅层土壤温度的控制,与土壤含水率没有显著关系,5 cm深度土壤温度能解释总呼吸速率和异养呼吸速率季节变异的83.3%和86.0%。随着植被类型由裸地向草地、果园和林地转换,土壤呼吸的温度敏感性系数Q10值由1.86增大到2.20、2.72和2.75,即土壤呼吸对土壤温度的变化越来越敏感。异养呼吸占土壤总呼吸的比例呈现出单峰曲线模式,平均达到72.3%,且随土壤呼吸速率的增大而增大。南方红壤丘陵区侵蚀裸地向人工草地、果园和湿地松人工林转换的过程中土壤呼吸速率有所增强,草地与裸地之间土壤总呼吸速率存在显著性差异,草地与裸地、草地与林地之间土壤异养呼吸速率差异显著。在区域或生态系统尺度上,植被类型是土壤呼吸的重要影响因子。     

冻融期积雪覆盖下土壤水热交互效应

为了研究季节性冻土区土壤水热时空分异特征,揭示冻融过程中的水热相互作用机理及其复杂性。在松嫩平原黑土区,以野外实测试验数据为基础,分别建立裸地、自然降雪、积雪压实和积雪加厚覆盖处理条件下20 cm土层土壤含水率和温度的耦合模型,并通过对比模型的预测效果研究土壤水热变化的复杂程度,采用差异性分析和基于小波变换的分形理论方法定量研究含水率与温度序列的变异波动性和分维指标,进而验证不同覆盖处理条件对于土壤水热空间变异复杂性的影响。结果表明:冻结期,积雪阻碍了环境因素对于土壤水热迁移过程的影响,土壤含水率和温度的耦合效果较好,并且预测值与实测值能够较好的吻合,裸地、自然降雪、积雪压实、积雪加厚处理条件下的相对误差分别为0.42%、0.31%、0.13%和0.06%,随着积雪厚度的增加和密度的增大,含水率和温度的差异性减弱,复杂程度逐渐降低;融化期,积雪覆盖区的融雪水入渗抑制了土壤温度稳定提升,含水率出现骤然升高的现象,自然降雪、积雪压实、积雪加厚条件下的含水率变化分别为14.31%、15.90%和16.91%,土壤温度变化范围分别为-5.9~5.3、-3.6~6.9和-3.1~3.8℃,二者的互作效应减弱,并且随着积雪覆盖量的增加,土壤的水热时空迁移复杂程度逐渐增强。同时,采用基于小波变换的分形理论研究土壤含水率和温度的时间序列复杂性精度较高、结果可靠。该研究对于揭示冻土区土壤水热迁移动态规律,准确预测春播期土壤温度和墒情,合理高效地利用松嫩平原的土壤水资源具有重要的理论价值和现实意义。     

污泥及其混合堆肥对番茄土壤性质和N_2O排放的影响

目前关于污泥及其生物质堆肥的土地利用过程中土壤性质变化和温室气体排放数据十分缺乏,难以满足农田土壤氮素保存和温室气体减排的需求。该研究通过在番茄种植过程中添加800 kg/hm2新鲜污泥(S-H)、400 kg/hm2新鲜污泥(S-L)、800 kg/hm2秸秆堆肥(VM-S)和800 kg/hm2猪粪堆肥(VM-M),开展土壤性质、无机氮形态、作物生长以及N2O排放特征的研究。结果表明:堆肥处理显著增加了土壤电导率(electric conductivity,EC)(P0.05),其中猪粪堆肥时土壤EC值最大。添加污泥和堆肥都使土壤p H值显著上升(P0.05),最终趋于中性,且VM-M对土壤酸化的抑制效果略优于VM-S。污泥和堆肥处理时土壤NO3--N浓度显著高于对照,且各处理组NO3--N浓度均随时间逐渐下降,NO3--N主要被番茄吸收,部分NO3--N从土壤上层淋溶至下层;NH4+大多数被氧化为NO3-,部分NH4+被植物吸收。在施入的无机氮量相等情况下,VM-M、VM-S、S-H处理组中番茄地上部分生物量分别为1 515、1 383、1 103 g/株,株高分别为56.8、54.5、51.3 cm,对番茄生长的促进效果为VM-MVM-SS-H,而S-H比S-L多施入的氮肥对番茄生长并未起到明显促进作用(P0.05)。与对照相比,污泥或生物质堆肥都显著提高了土壤N2O的排放(P0.05),各处理组N2O的排放均集中于施肥后的前20天,且土壤N2O的排放通量大小顺序为S-L(0.76 kg/(hm2·a))VM-M(0.95 kg/(hm2·a))VM-S(1.19 kg/(hm2·a))S-H(1.71 kg/(hm2·a))。因此,在进行污泥及其生物质堆肥的土地利用时,应考虑有机肥的种类及其施用量,以在提高作物产量的同时改善土壤并减少温室气体排放,在进行污泥的农田利用时可先将污泥与畜禽粪堆肥。     

石油烃类污染物降解动力学和微生物群落多样性分析

为了探讨不同初始浓度石油污染土壤堆腐化修复机制,以石油降解菌剂和腐熟鸡粪为调理剂,研究了初始浓度分别为5 000（T1）、10 000（T2）和50 000 mg/kg（T3）的石油污染土壤堆腐化修复过程石油烃类污染降解动力学特征和微生物群落多样性。结果表明：堆腐化修复过程石油烃类污染物降解符合一级反应动力学,反应常数分别为0.012、0.094和0.050 d-1,半衰期分别为6.79、7.37和13.86 d。整个堆腐过程石油烃类污染物平均降解速率分别为112.08、230.05和887.93 mg/(kg·d)。3个处理的孔平均颜色变化率（average well color development）和碳源利用率（除芳香烃类化合物外）随堆腐进程的推进逐渐升高,在堆腐中、后期达到最大,T3处理显著高于T1、T2处理。多聚物类和糖类代谢群是堆腐体系中的优势菌群。主成分分析表明3个处理的微生物群落差异显著（除第9天外）,起分异作用的碳源主要是糖类和羧酸类。微生物群落的丰富度指数和均一度指数随堆腐进程的推进逐渐升高并在堆腐后期达到最大,与T1处理相比,T3处理分别高了0.21%和17.64%,差异达到显著水平（P<0.05）。微生物群落优势度指数在中期达到最大,T1处理分别比T2、T3处理高2.12%和9.44%,3个处理间差异不显著（P>0.05）。堆肥结束时3个处理的种子发芽指数（seed germination index, SGI）分别比堆腐初期提高了18.26%、20.42%和36.41%。该研究结果为黄土高原不同程度石油污染土壤堆腐化修复的应用提供参考依据和理论基础。     

季节冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道冻胀机理试验

输水渠道冻胀破坏是寒冷地区渠道破坏的主要表现。为了探明刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理,分析复合衬砌渠道的冻胀变形规律和冻胀过程中的水分变化规律,以及柔性复合土工膜的变形特征,该研究借助季节冻融条件下刚柔混合衬砌梯形渠道的原型观测成果,分析了刚柔混合衬砌渠道的最低地温变化规律、冻深变化规律和冻胀量与冻胀力的变化规律,重点研究了冻融条件下渠基土壤的水分迁移规律,以及复合土工膜的变形特征和强度变化。结果显示:刚柔混合衬砌渠道的冻胀变形最大值位于渠底和阴坡1/3处,最大冻胀量为11.2和13.1 cm,衬砌结构向上隆起。冻结期,渠基土壤0~60 cm深度范围内含水率随深度增加而增大,60~120 cm深度范围内的含水率随深度增大而逐渐减小。水分迁移最大值发生在渠道底部,迁移率为13.2%。经过一个冻融周期的循环,复合土工膜的强度和变形量仍然保持在90%以上,强度和变形损失值较小,可充分发挥复合土工膜防渗抗冻胀和适应变形的特性。该研究为刚柔混合衬砌渠道的设计、推广应用提供了理论依据。     

土壤盐渍化治理防护毯的研发及试验

土壤盐碱化问题是中国农业面临的一个巨大挑战,严重制约着农业生产的发展。为探索治理土壤盐渍化的方法,该文基于干旱区5类代表性土壤（砾砂、粉土/粉砂、粉土/粉细砂、粉土和亚黏土）的盐碱化规律,以盐碱土形成原因为切入点,结合土壤水的毛细管作用,以海绵（强力吸水层）、吸热聚乙烯编织布（蒸散加强层）为主要材料,设计出一种盐碱地治理防护毯,并对防护毯吸盐的深度和效果进行试验研究。结果表明：5类土壤表面的积盐情况各不相同,粗颗粒土（砾砂及砂土）含量较大时,在强蒸发条件下,3～4 d土样表面积盐后形成了一层厚约3～4 mm"盐痂";细颗粒土（亚黏土和粉土）含量相对较多时,短期内表面积盐速度相对较慢且现象也不明显,10～12 d后,土样表面可观察到一层细密的晶体盐颗粒。所以,土壤岩性质地与表层积盐量关系密切。总体趋势是：土壤颗粒越粗,土壤表层在早期的积盐量越大;土壤颗粒越细,土壤表层在后期的总体积盐量越大。在干燥通风和室外温度25℃的条件下,防护毯针对上述不同类型土壤进行吸盐试验,在4 d后0～10 cm土层的含盐量（质量分数,下同）均可减少80%（P＜0.05）以上;＞10～20 cm土层至少减少50%（P＜0.05）以上;对于砂性土来说,＞20～30 cm土层含盐量减少了50%左右（P＜0.05）,而黏性土和壤土可减少20%～30%以上（P＜0.05）。对于实际中的盐碱土而言,含盐量减少30%时,土壤的肥力和可耕作程度会明显改善,能有效减小盐碱化对作物生长的影响。此外,研究还发现,铺设防护毯还能改变盐碱地表层土壤的结构,增强土壤的透气性。防护毯最佳使用时间应为土壤毛细管作用最强烈的时间段。该研究提供了一种有效的盐碱地治理措施。     

不同根部微灌水器对云南红壤和黄沙土水分分布的影响

探索根部微灌水器类型对土壤水分分布的影响和作用规律,是提高根部微灌水效率的有效途径。该文研究了根部微灌水器类型对土壤水分分布的影响。试验采用2种灌溉方式(地上滴灌和根部微灌)、2种灌水器(流量可调式灌水器和内镶贴片式滴灌带),测定各处理在3种灌水时长(5、15和30 min),在2种土壤(云南红壤土和黄沙土)时的土壤水分含量。结果表明:1)灌水器种类与土壤类型、灌水器种类与灌水时长对土壤水分有极显著的交互作用(P0.01),但三者之间没有显著交互作用(P0.05);2)流量可调式灌水器四周配有8个水平出水孔,其灌溉水在2种土壤中向四周渗出的水平宽度都较宽(25 cm左右),而内镶贴片式滴灌带只有1个向下单孔,灌溉水向四周渗出的水平宽度均较窄(16 cm左右);3)在红壤土中,根部微灌内镶贴片式滴灌带的高含水率区域更接近于作物根部区域,而地上滴灌的高含水率区域基本上集中在花盆土壤的上部区域;4)在红壤土中,基质势对灌溉水的运移起主要作用,而在黄沙土中重力势起主要作用;5)在红壤土中,灌水时间越短,土壤面积百分比为70%时对应的区域越集中在较窄的和较低的土壤含水率区段,且各区段是连续的,灌水30 min时,它所对应的土壤含水率区段最宽,土壤水分分布均匀性也最高;在黄沙土中,随着灌水时间的增加,土壤面积百分比为70%时所对应的土壤含水率区段范围大,且黄沙土所对应的分布区段大于红壤土,表明红壤土水分分布不均,而黄沙土水分分布较均匀。该文为提高根部微灌系统使用效率提供理论依据。     

The effect of precipitation and application rate on dicyandiamide persistence and efficiency in two Irish grassland soils

The nitrification inhibitor dicyandiamide (DCD) has had variable success in reducing nitrate () leaching and nitrous oxide (N₂O) emissions from soils receiving nitrogen (N) fertilizers. Factors such as soil type, temperature and moisture have been linked to the variable efficacy of DCD. As DCD is water soluble, it can be leached from the rooting zone where it is intended to inhibit nitrification. Intact soil columns (15 cm diameter by 35 cm long) were taken from luvic gleysol and haplic cambisol grassland sites and placed in growth chambers. DCD was applied at 15 or 30 kg DCD/ha, with high or low precipitation. Leaching of DCD, mineral N and the residual soil DCD concentrations were determined over 8 weeks high precipitation increased DCD in leachate and decreased recovery in soil. A soil × DCD rate interaction was detected for the DCD unaccounted (proxy for degraded DCD). In the cambisol, degradation of DCD was high (circa 81%) and unaffected by DCD rate. In contrast, DCD degradation in the gleysol was lower and differentially affected by rate, 67 and 46% for the 15 and 30 kg/ha treatments, respectively. Variation in DCD degradation rates between soils may be related to differences in organic matter content and associated microbiological activity. Variable degradation rates of DCD in soil, unrelated to temperature or moisture, may contribute to changing DCD efficacy. Soil properties should be considered when tailoring DCD strategies for improving nitrogen use efficiency and crop yields, through the reduction of reactive nitrogen loss.     

Assessing the effectiveness of manure export plus intensive silage cropping for lowering the Olsen‐P status of P‐enriched grassland

A substantial proportion of farmed grassland soils in Northern Ireland (NI) are overly enriched with P and pose a risk to water quality. To address this problem, manure could be exported rather than recycled to P‐enriched land and the latter intensively cropped with grass silage to deplete soil P. To assess the efficacy of such a strategy, a P‐ and K‐enriched grassland site was intensively cropped over a 6‐yr period with fertilizer N alone supplied to support silage growth. By year 6, soil P had declined from index 5 to index 3, and it was estimated that two more years of this management may bring it into the target index 2 range. Soil K, however, declined rapidly from index 4 to index 1 in just 4 yr, with the result that grass production became limited by K deficiency. It was concluded that nonrecycling of manure to P‐enriched grassland under silage management is probably the most effective strategy for lowering soil P status, but care must be taken to prevent K deficiency occurring.     

玉米茎秆汁液对土壤的减水减沙效益及其机理

为研究土壤改良剂玉米茎秆汁液对中国西部地区水土流失的影响和机理,该文通过室内土壤理化性质测定和人工模拟降雨试验,研究了地表施加玉米茎秆汁液对土壤团聚体的平均重量直径、土壤有机质质量分数和土壤减水减沙效益的影响。试验以未施加任何玉米茎秆汁液的黄土坡面为对照,设计单位面积玉米茎秆汁液施加量1 041.7 mL/m2,施加汁液体积分数25%和50%,降雨强度为50 mm/h,研究玉米茎秆汁液施加对土壤减水减沙的影响。结果表明,玉米茎秆汁液的施加可以增加土壤有机质的含量,提高土壤团聚体的平均重量直径,降低产流产沙速率。对照、体积分数25%和50%汁液施加下的土壤团聚体平均重量直径分别为0.18、0.46和0.51 mm,土壤有机质质量分数分别为5.70%、6.75%和7.17%。较对照,体积分数25%和50%汁液施加下,土壤的减水效益分别为45.81%和48.34%,减沙效益分别为65.00%和75.47%。玉米茎秆汁液的减水减沙效益随时间的推移而降低,月均减水、减沙效益降低量约为1.25%和1.41%,研究中施加体积分数25%和50%汁液的土壤减水减沙效益约可持续3和4.5 a。综上,玉米茎秆汁液作为土壤改良剂在施加量为1 041.7 mL/m2时,茎秆汁液与水的体积比为1:1时,效果较好。该研究可以为将玉米茎秆汁液作为土壤改良剂用于土壤侵蚀的防治提供施放参考。