东北黑土区沟蚀研究进展与热点——基于CiteSpace计量分析

[目的]直观把握东北黑土区沟蚀研究进展与热点,推进东北黑土区沟蚀研究领域的发展。[方法]以CNKI与Web of Siencec数据库中245篇相关文献为对象,利用文献计量的方法,使用CiteSacep软件绘制东北黑土区沟蚀研究知识图谱。[结果]结果表明:(1)黑土区沟蚀研究起步较晚,近十年发文量显著增加,但国际期刊发表成果较少,仅占26%。(2)该领域研究力量主要分布在我国东北,其中水利部松辽流域委员会、北京师范大学、中国科学院东北地理与农业生态研究所、东北农业大学、沈阳农业大学等机构贡献突出、影响较大;张树文是该领域中文发文量最多的学者,刘宝元和伍永秋是英文发文量最多的学者。(3)关键词共现表明,目前对东北黑土区沟蚀的关注重点主要集中在侵蚀沟发育特征、影响因素和沟蚀防治措施等方面。[结论]东北黑土区沟蚀尚未形成完整的研究框架和全面的认识,在未来的研究中,需进一步注重东北黑土区沟蚀形成和发育过程及机理研究,并深入分析地质、地形、水文、人类活动等因素的影响。

东北黑土区保护性耕作的发展现状与成效研究

东北黑土区承担着国家粮食安全“稳压器”的重要责任。然而,由于长期超负荷开发利用导致黑土日益退化,黑土资源的永续利用受到严重制约。理论与实践证明,保护性耕作是保护黑土地、推动黑土耕地质量和耕作效益绿色增长的发展模式。综述了保护性耕作的基本内涵及其在东北黑土区的发展现状与技术概况,从保护性耕作在土壤保持、保墒效益、结构改善、固碳培肥和土壤生物多样性增加、节本增效等方面系统评估了东北黑土区实施保护性耕作后的生态与经济效益,提出黑土区实施保护性耕作存在的问题与未来发展方向,以促进黑土地保护与利用协调发展、推动保护性耕作高质量跨越式发展。

黑土区保护性耕作土壤有机碳动态的模型模拟研究

【目的】保护性耕作是恢复和提高土壤肥力的重要措施,土壤有机碳在保持土壤肥力、维持作物生长与保护土壤环境方面具有非常重要的作用。然而,目前国内仍然缺少研究长期耕作的监测平台,因此采用模型的方法有助于研究长期保护性耕作下土壤有机碳的动态。【方法】依托东北黑土地保护性耕作长期定位试验地,选取免耕(NT)、秋翻(MP)、垄作(RT)3种处理下的土壤为研究对象,优化过程模型(RothC、AMG模型)与统计模型(MLPNN模型)的结构与参数,对比模拟长期保护性耕作下土壤有机碳储量的动态变化,评估不同模型对保护性耕作土壤有机碳动态模拟与预测的效果,并揭示东北黑土有机碳对保护性耕作的长期响应及其影响因素。【结果】优化有机碳在模型中各碳库的分配系数后,RothC与AMG模型模拟误差显著降低。保护性耕作实施的前11年(2001—2012),RothC与AMG过程模型对土壤有机碳的动态变化模拟效果没有显著差异,说明过程模型复杂的结构对持续时间相对较短的试验模拟效果没有显著影响,统计模型MLPNN的模拟结果与过程模型相似,验证了统计模型在田块与样地等小空间尺度内的应用效果。未来100年RothC与AMG模型预测的MP处理土壤有机碳变化趋势相同,但RothC模型预测结果得出,NT与RT处理土壤有机碳表现出先增长后达到平衡的趋势,但AMG模型模拟的结果却是有机碳一直处于增长趋势,这可能与土壤碳饱和效应与耕作处理的影响有关。RothC与AMG模型对碳投入都具有很高的灵敏度,但对气候因素与土壤因素变化的响应却存在差异。【结论】模型模拟长期保护性耕作土壤有机碳动态时需要因地制宜选择合适的预测模型。在预测保护性耕作土壤有机碳的短期变化时可以采用结构较为简单的AMG过程模型;在进行长期预测时,可以采用结构较为复杂的RothC模型。在特定条件下,统计模型MLPNN在田块与样地等小空间尺度上对土壤有机碳的模拟与过程模型具有相近的效果。

东北黑土区中部海伦地区大豆品种生育期组归属研究

为了实现大豆不同栽培区域间的科学引种,以13个分属于MG(maturity group)000-I的北美大豆生育期标准品种的生育期表现为参考,在海伦试验站,通过4年的对比试验,对14份的东北黑土区中部海伦市的主栽品种和新近选育品种的生育期组进行鉴定和划分。结果表明:除了PI548596在2011年未能正常成熟以外,其余12个北美标准品种和所有的13个北美标准品种在2011-2014年均能够正常成熟。参试的14份大豆品种的生育期组介于MG00-MGI之间,其中主栽品种和新选育的品种有84%属于MGI组,而国家及省级区域试验对照品种绥农14在2011和2013年属于MG0组,而在2012和2014年则属于MGI组。

东北黑土区降水特征及其对土壤水分的影响

水分是东北黑土区农业生产的主要限制因子,为了探讨东北黑土区可持续的土壤水分管理方式,该研究以中国科学院海伦农田生态系统野外科学观测研究站内为基础,利用SPI(standard precipitation index)值(标准降水指数)研究了该地区1952-2008年的大气降水情况,同时分析了土壤水分对大气降水(1999-2008年)的响应。1952-2008年平均年降水量为540 mm,标准差为121 mm,生长季内平均降水量为473 mm,占年平均降水量的87.60%。利用标准降水指数(SPI)将1952-2008年大气降水划分为7个不同的干/湿状态,分别是极端干旱,严重干旱、中等干旱、平常年份、中等湿润、非常湿润和极端湿润。分析近10 a(1999-2008)大气降水的SPI值发现极端干旱的年份有增加的趋势,同时对生长季末期土壤含水量的影响表现为湿润的年份(2003年,SPI值=1.5)能够显著增加土壤含水量(639.70 mm),而在极端干旱的年份(2004年,SPI=-2.6)土壤含水量达到了最低值(512.21 mm)。年际间降水量的差异也影响了土壤的供水特征特,同时肥料的施用增加了作物对土壤中水分的消耗。根据降水合理地管理东北黑土区的土壤水分对农业的可持续发展具有重要意义。

东北黑土区大豆生长、结瘤及产量对氮、磷的响应

氮肥和磷肥显著影响大豆的结瘤和产量。然而在土壤肥力较高、速效养分有效性差的东北地区,有关氮肥和磷肥施用量对大豆结瘤和产量影响的研究较少。本试验采用裂区田间试验,设置3个氮(N)水平(0、20和50kg/hm2)和3个磷(P)水平(0、20和40 kg/hm2),研究氮、磷及其交互作用对大豆生长发育、结瘤特征及产量的影响。结果表明:单施氮肥大豆生物量和产量随着施氮量的增加而增加,而根瘤数量、干重、大小和结瘤指数呈逐渐下降的趋势。单施磷肥促进大豆生物量、产量、根瘤数量、干重、大小和结瘤指数的增加,但其增幅低于施氮处理下的增幅。氮×磷对大豆生长和产量促进作用高于单施氮和单施磷处理,但差异不显著;氮×磷处理下的根瘤数量、干重、大小和结瘤指数低于单施磷处理;氮×磷处理下N2(N 50 kg/hm2)处理下的大豆根瘤数量、干重、大小和结瘤指数高于N1处理(N 20 kg/hm2)下的,随着施磷量的增加大豆根瘤数量、干重、大小和结瘤指数增加,施磷能够抵消氮对大豆根瘤产生和形成的抑制。氮、磷及其交互作用对大豆根瘤的影响都是直接的,并且不是通过促进大豆生长间接促进的。因此氮和磷均是限制东北地区大豆结瘤和产量的因素,但氮是主导因素。若要获得大豆高产,氮肥施用量需要控制在50 kg/hm2,磷肥在40 kg/hm2;但若想最大的发挥大豆的结瘤固氮功能,那么应该不施或者减少氮肥的施用量到20 kg/hm2,磷肥仍在40 kg/hm2。

东北黑土有机质组分与结构的研究进展

在全球气候变化背景下研究土壤有机质的转化过程对于评价陆地生态系统碳截获潜力具有重要意义,而土壤有机质的循环特征及其稳定性与土壤有机质的组成和结构密切相关。东北黑土区是我国重要的商品粮基地,近年来,黑土有机质含量呈显著下降趋势,造成黑土肥力和质量的严重退化。本文通过文献资料的整理,总结了不同农田管理措施下黑土土壤有机质的消长动态、组分变化以及结构特征的研究现状,并探讨了研究中存在的问题。开垦和耕作导致土壤有机质总量、活性组分以及腐殖物质含量的显著降低,而平衡施用化肥和有机肥是维持和提升土壤有机质数量和质量的有效途径,长期有机无机配施使土壤有机质结构趋于简单化,有利于土壤肥力的保持。黑土有机质组分化学结构变化的驱动机制是值得人们长期探索的问题。

东北黑土区耕作措施对地表节肢动物多样性的影响

【目的】调查不同耕作措施下东北黑土地表节肢动物群落类群多样性以及营养功能群结构,有利于揭示地表节肢动物多样性对土地管理措施的响应。【方法】本研究于2012年7-9月在黑龙江海伦中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站采用陷阱法对东北典型黑土区免耕、少耕、平翻、旋耕和组合5种耕作措施长期定位试验区的地表节肢动物群落组成、类群多样性以及功能群结构进行调查,计算各处理地表节肢动物类群相对多度、类群丰富度、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Simpson优势度指数、Cody指数和Srensen指数。【结果】本次调查共收集黑土农田地表节肢动物个体数为2 942,隶属7目18科。免耕样地收集节肢动物15科,占所有类群83.34%;少耕和组合样地均为11科,占61.12%。所有耕作措施下鞘翅目和蜘蛛目类群相对多度最高,步甲科为黑土农田优势地表节肢动物类群。免耕样地节肢动物类群丰富度和多样性指数最高,少耕样地最低。除旋耕样地外,其他耕作样地地表节肢动物功能群均以捕食性为主。群落相似性指数分析表明,不同耕作措施间群落相似性不同,免耕与组合之间相似性较高,而平翻与组合之间较低。【结论】步甲科是黑土农田地表节肢动物群落中的优势类群。不同耕作措施影响近地表土壤以及植被微生境,进而影响地表节肢动物群落组成、数量和营养功能群。免耕样地具有较高节肢动物类群丰富度和捕食性动物类群,有利于维持黑土农田地表节肢动物多样性。

东北黑土区沟道侵蚀现状及其防治对策

沟道侵蚀是土地退化最严重的表现形式,东北黑土区是中国除黄土高原外沟道侵蚀最为严重的区域,沟道侵蚀严重威胁东北区域农业生产和生态环境。该研究基于多年的研究积累,结合国家侵蚀沟治理专项调查和国家重点研发计划项目研究成果以及已有文献,系统总结归纳了东北黑土区沟道侵蚀特征、发展演变趋势及其危害;梳理出现有侵蚀沟治理措施的成功经验及失败教训,凝练提出区域侵蚀沟防治目标及4种主要侵蚀沟治理模式,并给出了适用范围及条件;同时提出了新时代东北黑土区侵蚀沟防治对策建议。该研究为区域现代农业发展和生态文明建设决策以及沟道侵蚀治理工程的实施提供了科技支撑。

松嫩平原黑土区农田土壤肥力评价研究

通过对松嫩平原农田土壤采样和调查、化验分析得到土壤养分各项指标,综合区域实际情况采用特尔斐模型确定10项评价指标。在Model Builder建模平台上综合运用模糊数学法、层次分析法、加法模型,结合Python脚本建立了土壤肥力评价模型,实现了土壤肥力评价的定量化、自动化、模型化。评价结果表明:研究区域土壤肥力综合指数介于0.57～0.84之间,空间分布呈现出明显西南低东北高的条带状分布特征,哈尔滨周边地区高而双城市较低的主要分布趋势,结果与实际情况相符。开展松嫩平原黑土农田土壤肥力评价可以为指导该区域农业生产及制定有效的农田生态环境保护措施提供科学依据。

施肥管理对东北黑土区玉米耗水量的影响

以东北黑土区长期定位试验为基础,选取2000、2003、2005和2007年为研究时段,分析不施肥(CK)以及化肥(NP)和化肥+有机肥(NPM)施用对玉米耗水量和土壤供水量的影响。结果表明,玉米的耗水高峰出现在拔节—抽雄期和抽雄—成熟期,这2个阶段的耗水模数分别为24.41%和47.07%,全生育期的平均耗水强度为3.64mm.d-1。降水量和降水的分配显著影响玉米的耗水特征。肥料的施用可明显增加玉米在干旱年份和生长季某干旱时期的耗水量,并显著增加玉米的水分利用效率,其中以NPM处理的效果较好。各处理土壤供水量由高到低依次为NPM、NP和CK处理。因此在东北黑土区,有机肥和化肥配施是提高玉米的水分利用效率以缓解季节性干旱胁迫的有效途径。

东北黑土氨基糖研究与展望

氨基糖作为土壤微生物来源物质的定量指标和重要标识物,经过微生物周而复始的生长-代谢-死亡的循环过程,不断地在土壤中积累,对评价土壤有机质转化和积累的微生物作用过程具有独特的意义和价值。本文重点阐述了氨基糖在我国东北黑土中的稳定机制、对养分管理措施和土地利用方式的响应,分析了土壤氨基糖研究技术的优缺点,建议未来应侧重结合稳定同位素示踪技术,以期为指导黑土农田质量恢复,深入认识农田黑土碳氮转化过程和调控机理提供参考。

农田分子生态学科组10年来研究进展回顾及展望

农田分子生态学科组是东北地理与农业生态研究所从事农业生态研究的单元之一。值此东北地理所建所60周年之际,本文回顾了该学科组近10年来的研究工作,对结果进行梳理总结,对未来的研究方向进行展望,以期激励鞭策我们更好地做好科研工作,继续为黑土区农业健康发展做出贡献。

平坦黑土区田间尺度剖面土壤物理性质空间变异性的研究

土壤属性的空间变异性是土壤的重要性质之一。在平坦区黑土田块尺度上利用环刀取样测定20 cm^140 cm土层土壤的密度、孔隙度、田间持水量和饱和含水量,利用描述性统计的方法分析土壤物质性质的空间异质性。结果表明,土壤密度、孔隙度、田间持水量和饱和含水量在垂直方向上的变异系数均小于10%,属于弱度变异。除了20 cm^40 cm田间持水量在水平方向上的变异系数属于中度变异以外,密度、孔隙度、田间持水量和饱和含水量在黑土剖面20 cm^140 cm内的水平方向上的变异均属于弱度变异。因此,在平坦黑土区的田块尺度上剖面土壤物理性质具有比较大的稳定性,可以为做空间变异研究分析的采样工作提供一些参考。

降雨强度和坡度对东北黑土区顺坡垄体溅蚀特征的影响

坡耕地溅蚀特征研究可揭示和反映溅蚀的发生和发展机理,而以往研究大多在无垄作坡面进行,较少涉及顺坡垄体。为此,该研究基于野外人工模拟降雨试验,设计3个降雨强度(30、60和90 mm/h)和2个坡度(3°、5°),研究降雨强度和坡度对典型黑土(Mollisol)农田顺坡垄体溅蚀量、溅蚀过程和溅蚀分选特征的影响。研究结果表明:当降雨强度由30 mm/h增加到90 mm/h时,总溅蚀量增加2.5~17.9倍。当坡度由3°增大到5°时,总溅蚀量增加30.52%~74.08%。当降雨强度为30和60 mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势。当降雨强度为90 mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。整体而言,总溅蚀量随降雨强度和坡度的增加呈幂函数关系。各试验处理下,溅蚀分选水稳性团聚体中均以<1 mm粒级的团聚体为主,平均占总量的79.01%,以0.5~1 mm粒级最多,2~5 mm粒级最少,分别占总量的32.94%和3.36%。30和60 mm/h降雨强度下,分别为<0.25和<2 mm的各粒级团聚体在降雨后期达到波动稳定,其中<0.25 mm的团聚体均呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定的变化趋势。90 mm/h降雨强度下,1~5和<0.25 mm各粒级团聚体均呈线性平稳变化,其中<0.25 mm的团聚体呈线性减少趋势。研究可为东北黑土区水蚀防治提供科学依据。

典型黑土带玉米农田土壤微生物群落地理分布及驱动因素

探究东北黑土带土壤微生物群落的地理分布格局及其驱动因子,对于有效和可持续地管理这一宝贵的土地资源具有重要的学术价值。本文以东北典型黑土带玉米农田的耕层土壤为研究对象,采集了来自黑龙江省、吉林省和辽宁省24个样点72个土壤样本。利用磷脂脂肪酸(Phospholipidfattyacid,PLFA)技术定量描述土壤微生物群落结构,运用随机森林和层次分割分析等机械学习算法深入解析环境因子对微生物地理分布的相对贡献。研究发现,典型黑土带玉米农田土壤总微生物和各微生物类群的生物量呈现随纬度自南向北增加的空间分布格局;土壤有机碳(SOC)和土壤全氮(TN)不仅是驱动微生物生物量纬度分布格局的主要因素,也是影响微生物群落组成最重要的因素。SOC和TN还与其他环境因子,特别是与土壤粘粒含量(CC)之间存在耦合关系,共同影响东北黑土带土壤微生物群落组成。

东北黑土区玉米秸秆还田对土壤肥力及作物产量的影响

东北黑土区是我国重要的优质商品粮生产基地,在保障国家粮食安全中起着重要的作用。但是黑土开垦以来,由于高强度利用和不合理耕作出现了土壤肥力下降,理化性质恶化,水土流失严重和生态环境脆弱等一系列问题,已经成为影响粮食安全保障的潜在威胁。秸秆还田是一项能够提高土壤肥力、改善土壤物理性质和提高微生物活性的农业管理措施,但是也有研究发现秸秆还田对作物产量有一些负面的影响。本文综述了东北黑土区进行秸秆还田对土壤物理性质、有机质及养分含量、微生物活性和作物产量的影响,旨在为该区域内秸秆还田应用提供理论支撑。

短期增温与秸秆还田量对东北黑土有机碳组分的协同影响

秸秆覆盖还田保护性耕作已成为提升黑土有机碳的有效措施之一。随着全球气候变暖,土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)矿化增加,秸秆覆盖还田是否可以弥补因矿化而损失的有机碳量,对应的合理还田量也成为亟待回答的问题。已有研究表明,与土壤总有机碳相比,有机碳组分可以更好地表征农田管理措施与气候变化协同对土壤有机碳周转及稳定性的影响,对预测气候变暖下东北黑土有机碳的固存有着重要意义。研究基于开顶式气室(Open Top Chamber,OTC)田间原位模拟实验,分析了增温与不同秸秆还田量下SOC及其组分的变化,包括土壤活性碳组分,即可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)、微生物量碳(Microbial biomass carbon,MBC)、颗粒态有机碳(Particulate organic carbon,POC),以及土壤稳定性碳组分,即矿物结合碳(Mineral-associated organic carbon,MAOC)。结果表明,单一因素作用下,增温对SOC含量无显著影响,但显著降低了DOC和POC含量,并且显著增加了MBC和MAOC含量,其中POC组分变化量大于MAOC;秸秆还田量对SOC和MAOC含量影响不显著,秸秆覆盖还田后POC含量降低,但不同还田量之间无显著差异。增温后秸秆的添加对SOC含量无显著影响,增加了MBC含量,降低了DOC含量,增温后30%秸秆还田量对MAOC含量的促进效果最为显著,POC含量在增温后随着秸秆还田量的增加而增加;增温对不同秸秆还田量下SOC的解释度高达12.8%,同时也是各组分的主要影响因素,并且增温主要是通过影响秸秆还田土壤中POC组分,进而改变SOC含量,且POC变化量对SOC变化量解释度达39.9%。短期环境变化下SOC及其组分主要受增温的影响,其中POC作为对环境更敏感的组分,对SOC的变化影响更大。

中国不同地区土壤有机质特征比较研究

土壤有机质是土壤的重要组成部分,既能为植物提供生长所需的各种营养成分,也能维持土壤生态系统的稳定。土壤有机质是陆地生态系统表层最大和最活跃的碳库,其微小波动会影响全球碳库的源汇效应。中国幅员辽阔,碳储量巨大,其在全球碳汇中具有举足轻重的地位。因此,在全球变化背景下研究我国土壤有机质的数量、组分和结构特征对于评价陆地生态系统碳循环有重要意义。本文对全国范围内具有代表性的东北、华北、西北、东南、西南和中部地区的土壤有机质数量、组分和结构特征进行了对比、分析、归纳和总结,阐述各个地区土壤有机质的特征,解析气候因素对土壤有机质地区间差异的影响,期望通过对我国主要地区土壤有机质特征论述,为未来各个地区的有机质研究和应对未来气候变化的策略提供参考资料。

黑土区农地集水区次降雨径流与输沙特征研究

水力侵蚀是诱发黑土区侵蚀发生发展的首要因素,研究次降雨条件下产流、产沙特征对水力侵蚀的防控具有重要意义。本文通过野外实地监测,分析农地集水区次降雨径流与输沙特征。结果表明:观测期内,有径流记录的降雨事件为12次,降雨等级主要为中雨、大雨和暴雨。初始产流时间随降雨等级表现不同,中雨时初始产流时间大多出现在降雨后期,而大雨和暴雨时,初始产流时间大多出现在降雨过程中的初始期和中期。不同降雨等级下累积径流深、径流系数和累积输沙量表现不同,累积径流深和径流系数表现为:大雨>暴雨>中雨,累积输沙量表现为:大雨>中雨>暴雨。集水区内大部分泥沙由6场降雨事件产生,对总径流量和总输沙量的贡献分别为90.6%和87.0%。基于12次有径流的降雨事件,不同降雨等级对径流的贡献表现为:大雨>暴雨>中雨,对输沙量的贡献表现为:大雨>中雨>暴雨。偏最小二乘回归分析显示,径流相关变量最大径流率Q max是对总径流量和总输沙量贡献最大的因子,变量权重系数VIP值分别达1.490和1.629。