Contrasting development of soil microbial community structure under no-tilled perennial and tilled cropping during early pedogenesis of a Mollisol

A range of agricultural practices influence soil microbial communities, such as tillage and organic C inputs, however such effects are largely unknown at the initial stage of soil formation. Using an eight-year field experiment established on exposed parent material (PM) of a Mollisol, our objectives were to: (1) to determine the effects of field management and soil depth on soil microbial community structure; (2) to elucidate shifts in microbial community structure in relation to PM, compared to an arable Mollisol (MO) without organic amendment; and (3) to identify the controlling factors of such changes in microbial community structure. The treatments included two no-tilled soils supporting perennial crops, and four tilled soils under the same cropping system, with or without chemical fertilization and crop residue amendment. Principal component (PC) analysis of phospholipid fatty acid (PLFA) profiles demonstrated that microbial community structures were affected by tillage and/or organic and inorganic inputs via PC1 and by land use and/or soil depth via PC2. All the field treatments were separated by PM into two groups via PC1, the tilled and the no-tilled soils, with the tilled soils more developed towards MO. The tilled soils were separated with respect to MO via PC1 associated with the differences in mineral fertilization and the quality of organic amendments, with the soils without organic amendment being more similar to MO. The separations via PC1 were principally driven by bacteria and associated with soil pH and soil C, N and P. The separations via PC2 were driven by fungi, actinomycetes and Gram (−) bacteria, and associated with soil bulk density. The separations via both PC1 and PC2 were associated with soil aggregate stability and exchangeable K, indicating the effects of weathering and soil aggregation. The results suggest that in spite of the importance of mineral fertilization and organic amendments, tillage and land-use type play a significant role in determining the nature of the development of associated soil microbial community structures at the initial stages of soil formation.     

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。     

东北黑土区坡耕地斜坡垄作与顺坡垄作土壤侵蚀的对比分析

斜坡垄作是东北黑土区最普遍的垄作方式之一,但当前关于斜坡垄作对坡耕地土壤侵蚀的影响鲜见报道。为此,本研究基于室内模拟试验,设计2个降雨强度（50和100 mm/h）以及2种垄作方式（斜坡垄作和顺坡垄作）,分析东北黑土区坡耕地斜坡垄作与顺坡垄作坡面土壤侵蚀的差异。结果表明：（1）在50和100 mm/h降雨强度下,斜坡垄作断垄前坡面侵蚀速率分别是顺坡垄作的0.46%和0.35%;但在45 min的降雨过程中,由于斜坡垄作发生断垄现象,造成50和100 mm/h两种降雨强度下斜坡垄作坡面侵蚀速率分别是顺坡垄作的1.24和1.03倍。（2）斜坡垄作径流强度和侵蚀速率随降雨历时的变化均从断垄开始发生突变。在50和100 mm/h降雨强度下,随着降雨历时的变化斜坡垄作断垄前的径流强度和侵蚀速率值均低于顺坡垄作,其平均径流强度分别为顺坡垄作的8.42%和3.75%、平均侵蚀速率分别为顺坡垄作的0.46%和0.35%,但斜坡垄作断垄后坡面径流和侵蚀速率明显增大,其平均径流强度分别为顺坡垄作的1.33和1.47倍、平均侵蚀速率分别是顺坡垄作的2.03和1.62倍。（3）在50和100 mm/h降雨强度下,斜坡垄作断垄前坡面径流量和侵蚀量存在显著的线性关系（P<0.01）,而断垄后两者的相关关系则不显著（P>0.05）;而顺坡垄作在两种降雨强度下坡面径流量和侵蚀量存在显著的线性关系。（4）在两种降雨强度下斜坡垄作坡面90%以上的径流泥沙均来自断垄后。因此,提高垄丘稳定性和防止断垄现象发生,是减少斜坡垄作坡面土壤侵蚀的关键所在。     

吉林南部不同耕作管理下土壤水分对降雨事件的响应

土壤水分对降雨的响应特征与降水在地表和土壤中的分配密切相关。该研究为明确耕作方式对黑土土壤水分对降雨响应的作用,利用时域反射仪原位动态监测吉林南部耕作长期定位试验翻耕（CT）和免耕（NT）下玉米生育期含水率,通过7个指标量化两种耕作管理下土壤水分对降雨量大且持续时间长、降雨量小且持续时间短和降雨量较大且持续时间较短、降雨强度大的3类降雨事件的响应。结果表明：1）CT初始含水率较低,0～2.5、2.5～5和5～10 cm累积增加含水量（ASWI）显著高于NT;随土壤深度增加,CT的ASWI明显下降,而NT基本稳定。2）多数情况下,NT下相邻土层累积增加含水率之比（RSWI）大于100%,而CT低于100%。3）高降雨强度下NT相邻土层对降雨事件的响应时间（DRTlayer）平均值和异常值为负值的频率较多,说明NT下更易发生优先流。因此,极端降雨下NT土壤水分响应更剧烈,有利于降水向下层土壤渗透,减少地表径流形成。     

黑土环境中乙草胺的微生物降解特征研究

通过室内恒温(25℃)避光培养试验,研究了黑土环境中乙草胺的微生物降解特征。在适宜水分条件下,将土壤样品分别进行常规、灭菌、选择性抑菌剂加入等处理后培养并测定土壤乙草胺含量和土壤微生物量。结果显示:在灭菌土壤中乙草胺的残留量较未灭菌土壤显著增加,未灭菌土壤中乙草胺残留数量与微生物量变化密切相关,表明微生物活性是影响乙草胺降解的主要因素。适当的水分有益于土壤中微生物生长,从而促进了土壤中乙草胺的降解。加入青链霉素后乙草胺残留量远大于放线菌酮和常规培养,表明细菌比真菌具有更强的降解乙草胺的能力。随着乙草胺的施药量增加,初期微生物量显著降低,是导致乙草胺总降解率下降的主要原因。     

运用直线加平台法确定黑土区玉米氮磷施肥量

施肥量的确定一直是玉米高产栽培研究的主要课题之一。分别运用肥料效应函数法和直线加平台法,对按照直线加平台法设计的在黑土上春玉米的田间试验结果进行了统计分析,发现利用直线加平台法设计的田间试验结果也可以用来建立肥料效应函数,并根据肥料效应函数求得相应的施肥量。利用肥料效应函数得到的最高产量推荐施氮量和最大利润推荐施氮量分别为107.4 kg hm-2和103.2 kg hm-2,而最高产量推荐施磷量和最大利润推荐施磷量分别45.5 kg hm-2和41.3 kg hm-2。利用直线加平台法得到氮、磷的推荐施肥量分别为73.9和38.0 kg hm-2,明显低于用肥料效应函数法求得的推荐施肥量。对于肥料效应函数无法处理的试验数据,利用直线加平台法仍然可以对实验数据进行处理并得出实验结果,后者是肥料效应函数法的补充。     

黑土小流域沟道分布遥感监测及主控因素研究

为了对典型黑土区小流域沟道分布进行遥感监测,并解析影响其发育的主控因素,选择黑龙江省海伦市光荣村为研究区,通过对遥感影像和地形图的目视解译判读和空间分析,量化汇水区面积、坡长等12个变量,结合对264条切沟与等高线分布关系的地貌学分析、统计分析和野外详查,解译地表径流和机耕道作用等6种情形,对典型黑土区小流域切沟发育主控因素进行探讨。结果表明,研究区林地面积大小不能直接控制切沟发育,林地内活跃沟长占活跃切沟总长的46.2%。小流域汇聚坡是切沟发育的典型地形,沟长占总长的68.1%,汇聚坡导致地表集中径流,沟长占总长的63.0%。汇水区面积和坡长是影响沟长的最主要因素,而小流域坡度是影响沟密度的显著因素。同时,切沟侵蚀多伴生于农田机耕道路一侧,机耕道旁沟长约占其总长的23.3%。研究表明,黑土区切沟侵蚀主要与机耕道促进地表径流的作用密切相关,侵蚀沟综合治理必须考虑小流域景观布局和山水林田湖草综合治理,应将农田机耕道路周边大型活跃切沟防控作为黑土区保护的重中之重。     

葡萄糖和不同数量氮素供给对黑土氨基糖动态的影响

通过室内培养实验探讨了葡萄糖及不同数量的NH4+施入对土壤中三种氨基糖(氨基葡萄糖、氨基半乳糖和胞壁酸)动态的影响,同时利用氨基葡萄糖和胞壁酸的比值探讨了微生物在养分固持过程中的相对贡献。结果表明,土壤氨基糖数量受到外加碳源和养分的显著影响,且其变化各有特征。胞壁酸受养分影响最为显著,可在一定程度上调节并平衡碳氮元素的供给与需求;氨基葡萄糖稳定性高于胞壁酸,但在碳源极度缺乏时也可分解;养分状况对氨基半乳糖的影响并不显著。碳源是促进土壤微生物氮素固持的关键因子,在活性碳源存在下,相对丰富的氮素供给有利于细菌的快速生长,而碳源相对充足时则有利于真菌的快速增殖。     

东北黑土活性有机碳、氮分布研究

通过对东北黑土区不同地点、不同层次的土壤样品的分析,探索活性有机碳(轻组有机C,N、颗粒有机C,N和易氧化有机C,N)在东北地区的分布情况。结果表明,随着纬度的增加,土壤活性有机C、N含量增加;随着深度的增加,土壤活性有机C、N含量减少。说明纬度低的地区,活性有机碳库转化较快,库容较小,而耕作措施相近的情况下,植物残体和根残体在有机C积累方面应予以重视。     

农田黑土中不同浓度乙草胺对玉米苗期生长的影响

通过黑土盆栽试验研究了施用化肥条件下不同浓度乙草胺对玉米苗期生长的影响。结果表明,虽然在整个取样期间,植株体内无乙草胺残留检出,但是乙草胺施用对玉米苗期的形态和生理指标均具有一定影响。植株中超氧化物歧化酶活性、地下部分过氧化物酶活性和株高、根长等形态指标在玉米生长前期发生明显变化,其变化趋势受到乙草胺施用量的显著影响。在施有等量化肥的条件下,低浓度和高浓度乙草胺的施用抑制了玉米的生长,但中等浓度乙草胺对苗期玉米的生长表现出一定的促进作用。随着种植时间的延长,乙草胺活性降低,植物体的各项抗性指标和生理指标趋于一致。