利用热脉冲-时域反射技术测定土壤水热动态和物理参数 Ⅰ.原理

由于土壤特性的时空变异性 ,对土壤含水量、温度、热特性以及其它物理参数的动态监测是土壤学研究的重要课题。本文以热脉冲技术和时域反射技术的理论为基础 ,介绍了利用热脉冲技术 时域反射技术 (Thermo TDR)连续定位测定土壤含水量、电导率、温度和热特性的原理 ,并利用土壤热特性与容重和含水量的关系 ,导出了土壤容重、饱和度和通气孔度的计算公式。

轮作、耕作及行距对麦田土壤温度动态的影响

研究了加拿大南部冬小麦田在轮作、耕作和行距共同作用下的土壤温度动态。田间裂区试验主区为3个轮作（冬小麦连作、冬小麦／油菜轮作和冬小麦／夏休闲），副区包括两种耕作技术（免耕和常规耕作），小裂区包括两种种植行距（等行距和大小行）。结果表明，免耕处理下秸秆覆盖有效地降低了冬季土壤的冻结深度。在1993－1994年度，连作小麦免耕土壤的－5℃等温线要比常规耕作浅22cm。免耕秸秆覆盖的温度效应在冬小麦连作和冬小麦／油菜两种轮作上比在冬小麦／夏休闲上更为明显。在冬小麦连作和冬小麦／油菜轮作下，免耕土壤2．5cm的春季温度连续4个月显著低于常规耕作土壤。1994年4月8日，免耕和常规耕作农田2.5cm处的温差在冬小麦连作处理上达到4．1℃。对于冬小麦／夏休闲处理，由于秸秆覆盖量较少，耕作措施对土壤温度的影响不太明显。在1994年春季，大小行种植的土壤温度显著高于等行距种植的土壤温度。因此，免耕主要通过秸秆覆盖来改变土壤的温度状况。通过轮作、耕作和行距等措施，可以在一定程度上实现土壤温度的人为调节。

一种热惯量估算土壤水分含量的通用方法

遥感是一种有前景的获取地球表面信息的技术。遥感热惯量已经被证明可以用于绘制土壤水分含量。然而．利用遥感热惯量估算土壤水分含量需要得到土壤热惯量和水含量的通用关系。我们以土壤热惯量与水分含量之间的函数建立了一个新模型。该模型需要有效的土壤特征，如土壤结构和气泡密度。热惯量的热脉冲量是以水分含量为变量的函数．通过九种不同结构的土壤的分析产生一个通用Kerstan方程。

长期施用化肥和有机肥对土壤有机碳和容重的影响

在长期定位试验的基础上,探讨了施用化肥和作物秸秆对土体土壤容重和有机碳空间变异的影响。研究结果表明,化肥的施用不仅影响耕层肥力性状,而且会使耕层以下的土壤容重降低和有机碳增加,从而立体地促进土壤肥力的提高,而施用秸秆则只能改善耕层范围的土壤肥力。不同施肥措施造成土壤肥力性状的立体差异主要是由于不同施肥对作物生长和土壤根系的影响差别造成的。化肥对土壤根系的促进作用要比作物秸秆大许多倍,从而使耕层以下有大量残根分布,这些残根促进了深层土壤容重的降低和有机碳的提高。

长期施肥对红壤性水稻土团聚体稳定性及固碳特征的影响

施用有机肥是提高土壤有机碳（SOC）含量、促进土壤团聚体形成和改善土壤结构的重要措施。本研究旨在探讨长期作物残留和投入有机物料对水稻土团聚体分布及稳定性的影响,分析不同粒级团聚体的固碳特征及其与团聚体形成的相关性,以及土壤和不同粒级团聚体对累积碳投入的响应。长期定位施肥试验始于1986年,设不施肥（CK）、单施化肥（CF）、秸秆化肥混施（RS）、低量粪肥配施化肥（M1）和高量粪肥配施化肥（M2）5个处理。2009年采集0-10 cm土壤样品,测定总土以及大团聚体（LM,〉2 mm）、较大团聚体（SM,0.25-2 mm）、微团聚体（MA,0.25-0.053 mm）和黏粉粒（S＆C,〈0.053 mm）的质量比例及其SOC浓度,并分析闭蓄于SM内部的颗粒有机物（POM）、微团聚体（MA-SM）和黏粉粒（S＆C-SM）的质量含量和SOC浓度。结果表明,与CK和CF比较,有机肥混施化肥处理（RS、M1和M2）均显著提高了LM和SM的质量比例和平均当量直径（MWD）,降低了S＆C质量含量;两个粪肥配施化肥处理（M1和M2）的效果优于秸秆化肥混施（RS）,但是M1和M2间差异不显著;单施化肥则降低了稳定性团聚体的比例。团聚体的SOC浓度没有随粒级增大而增加,各处理均为LM和SM结合的SOC浓度最高,其次为S＆C,最小为MA。与CK比较,有机肥混施化肥处理均显著提高了各粒级团聚体的SOC浓度。总土SOC的增加主要取决于SM的SOC含量,而MA-SM组分决定了SM固持SOC的能力。总土、LM和SM的SOC含量以及从SM分离出的POM、MA-SM和S＆C-SM的SOC含量均与累积碳投入量呈显著正相关,但总土分离出的MA和S＆C的SOC含量对累积碳投入量反应不敏感,表现出碳饱和迹象。因此,尽管长期大量施用有机物料促进了红壤性水稻土大团聚体的形成和团聚体稳定性,增加了其SOC的固持,但有机质可能不是该土壤水稳性团聚体形成的最主要黏结剂。

多针热脉冲技术测定土壤热导率误差分析

土壤热导率是研究土壤热传输、水热耦合运移的基本物理参数。为了探知多针热脉冲技术的误差,该研究以能够准确测定热导率的单针法作为参比,在4种质地土壤上,对多针热脉冲技术在不同体积质量、含水率和气压条件下测定的热导率进行了分析。结果表明,多针热脉冲技术的热导率结果与单针法总体符合较好,其热导率测定值的平均误差为0.074W/(m·K)。干土热导率随气压增大呈现对数增长,这是由于气体分子平均自由程下降的原因。多针热脉冲技术的测定误差主要出现在中等含水率区域,关键问题是加热针的温度升高偏大,促进了水汽潜热传输。另外,土壤与探针之间的热接触阻力、探针导致的土壤体积质量改变、温度梯度引起的液水流也影响测定结果的准确性。该研究可为农业水土工程中的土壤热导率模拟提供依据。

保护性耕作对太行山前平原土壤质量的影响

保护性耕作被认为是华北平原农业可持续发展的重要措施,但目前缺乏这些措施对土壤质量影响的系统报道。本研究以长期定位试验为基础,探讨了太行山前平原两熟制高产农田不同耕作措施对麦田土壤质量的影响。试验始于2001年,设置翻耕玉米秸秆不还田(非保护性耕作对照,CK)、翻耕玉米秸秆粉碎还田(CT)、旋耕玉米秸秆粉碎还田(RT)和免耕玉米秸秆直立还田(NT)4个处理。2007年冬小麦收获后分层测定土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)含量、容重(ρb)、水稳性团聚体、水分特征曲线、饱和导水率(Ks)和微生物量碳氮。2008年测定了剖面SOC含量、ρb和蚯蚓数量。结果表明,连续多年保护性耕作后土壤剖面的SOC储量无显著变化,但保护性耕作(RT和NT)下SOC的层化比率(1.74-2.04)显著高于翻耕处理(CK和CT,1.37-1.45);保护性耕作显著提高了表层微生物量碳、氮含量以及单位面积土壤中的蚯蚓数量。NT处理导致耕层(0-20 cm)土壤ρb增加,但提高了土壤团聚体的稳定性。CK和CT处理显著增加了0-5 cm土层裂隙(>500μm)和传输孔隙(500-50μm)的比例,而NT处理则增加储水孔隙(50-0.5μm)的含量。另外,保护性耕作提高了土壤的Ks、田间持水量和有效水含量。对土壤质量指标S的分析结果表明,实施保护性耕作后,太行山前平原地区土壤质量总体上得到改善。

基于热分析技术的土壤有机质含量和稳定性分析

土壤有机质（soil organic matter,SOM）含量及其稳定性是评价土壤质量的重要指标。传统的化学氧化技术测定SOM时可能氧化不完全,费时费力,容易污染实验室环境;干烧法（例如,元素分析法）分析成本高,而且化学氧化法和干烧法都难以提供SOM稳定性的信息。该文探讨应用热分析技术测定SOM含量及热稳定性的可行性。土壤样品采自位于湖南省宁乡县的稻田施肥长期定位试验,采用湿筛法将耕层土壤样品分为〉2、〉0.25-2、〉0.05-0.25以及≤0.05 mm 4个粒级团聚体,利用热重分析（thermogravimetry,TG）和差示扫描量热分析（differential scanning calorimetry,DSC）技术测定土体及团聚体中SOM含量和稳定性。结果表明：1）土壤中存在2类热稳定性不同的SOM：一类为热易分解型,分解温度为200-350℃;另一类为热稳定性型,分解温度为350-550℃;2）热分析技术测定的土体和团聚体中SOM质量分数范围为4%-8%,而元素分析仪得到的SOM质量分数范围约为3%-6%,热分析法结果比元素分析法的结果平均高估2.10百分点,但二者存在显著线性相关（r=0.88,P=0）。因此,可以利用该系数（2.10%）将热分析技术测定的SOM含量校正为元素分析法测定的结果;3）SOM的热稳定性可以用热易分解SOM占总SOM的比例（Exo1/Exot）和SOM分解一半时的温度（TG-T50）来表征,Exo1/Exot和TGT50呈良好的负相关（r=-0.95,P=0）,但Exo1/Exot对SOM的热稳定性更加敏感,因此用Exo1/Exot表征SOM的热稳定性可能更为合理;4）Exo1/Exot与碳水化合物、烷烃类、芳香族的傅立叶转换红外线光谱吸光度以及土壤基础呼吸和微生物代谢熵q CO2呈显著正相关,说明SOM的热稳定性与化学稳定性、生物稳定性存在良好的一致性;5）长期有机肥和化肥配施显著提高了土体及各粒级团聚体的SOM含量,秸秆还田也具有较好的效果,但单施化肥无明显效果;〉0.25-2 mm粒级的团聚体是贮藏SOM的优势粒级,其次为〉2和≤0.05 mm的团聚体;6）对于同一粒级团聚体或土体,与单施化肥和不施肥相比,有机肥配施化肥和秸秆还田下的SOM热稳定性有降低趋势;尽管SOM热稳定性在各粒级团聚体和土体中存在一定差异,但是各施肥处理中没有一致规律。利用热分析技术测定SOM含量和热稳定性具有可行性,可以应用于研究农田管理措施对SOM含量和稳定性的影响和综合评价土壤质量。

土壤物理学研究的现状、挑战与任务

根据新近土壤物理学研究进展,论述了土壤物理学在土壤学中的定位和在自然科学和社会可持续发展中的地位;从研究的对象、内容、尺度、理论、方法和测定技术方面,阐述了土壤物理学的研究现状;分析了新形势下土壤物理学面临的挑战;提出了我国土壤物理学研究未来10年5个方面的主要任务,即:农业可持续发展中的土壤物理问题,土壤结构形成过程及其稳定性,土壤中能量传输和物质运移过程,土壤性状及过程的时空变异与尺度转化,土壤物理过程与土壤化学、土壤生物过程的耦合。

原状土与装填土热特性的比较

土壤热特性是研究土壤—植物—大气系统中能量传输的必要参数。目前的研究集中在室内装填土柱上热特性与含水率、质地、温度和体积质量(容重)等因素的关系,田间条件下土壤结构对热特性影响的报道很少。该研究通过比较2种质地土壤田间原状土和室内装填土热特性的差异,初步探讨了不同含水率范围内结构形成对土壤热特性的影响。采集田间原状土,在室内利用热脉冲技术测定其热容量、热导率和热扩散率;然后将样品磨碎、过2mm土筛,填装后得到相同体积质量和含水率的装填土壤样品,并测定其热特性。结果表明,装填土和原状土的热容量基本一致;在中等含水率区域(砂壤土:0.07～0.24m3/m3;壤土:0.15～0.31m3/m3),重新装填后砂壤土和壤土的热导率分别降低了9.7%和9.8%。另外,结构形成增加了土壤热扩散率,在中等含水率区域尤其明显;在接近饱和区域,原状土与装填土的热扩散率趋于一致。因此,土壤结构形成对土壤热容量没有显著影响,但提高了中等含水率区域土壤的热导率和热扩散率。

不同肥力农田玉米产量构成差异及施肥弥补土壤肥力的可能性

【目的】农田基础土壤肥力和肥料的投入共同决定着农田的养分供应以及影响作物的生长与产量。明确不同肥力土壤和低肥力农田增施氮肥对玉米生长及产量形成的影响差异,是科学评价土壤培肥和施肥的基础。【方法】本研究设置两个玉米田间试验,试验一选取三块具有基础肥力和产量差异的农田,按土壤肥力由高到低依次命名为农田A、B和C,采用完全统一施肥管理;试验二在土壤肥力水平最低的农田C上设置了常规施氮量N 210kg/hm^2,以及在此基础上拔节期增施N 40和80 kg/hm^2共3个处理。测定了各农田土壤基础性质,以及0—20 cm土层硝态氮含量,调查了不同生育期玉米的干物质和叶面积,产量和产量构成。【结果】不同肥力水平农田中土壤的潜在矿化氮量与产量的相关性最好。不同肥力水平农田的土壤硝态氮含量没有显著性差异;低肥力农田增施氮肥处理在拔节期施肥后土壤中的硝态氮含量要大幅度高于常规施肥处理,在抽雄期该差异达到最大值,然后逐步降低。不同肥力水平农田的玉米产量、每公顷穗数、穗粒数、千粒重均随土壤肥力升高而显著增加,其中肥力最高的农田A的玉米产量、每公顷穗数、穗粒数和千粒重较肥力最低的农田C分别高20.3%、5.7%、5.2%和7.8%。低肥力农田C在拔节期增施氮肥显著提高了产量、每公顷穗数和穗粒数,对千粒重影响很小,同时降低了收获指数。其中增施氮肥80 kg/hm^2处理较常规施氮处理的产量、公顷穗数和穗粒数显著分别增加了17.1%、9.2%和4.6%,收获指数降低了8.2%。【结论】高肥力土壤能够持续矿化出更多的无机氮供玉米利用,通过全面提升玉米每公顷穗数、穗粒数和千粒重来提升产量。低产田在拔节期增施氮肥能够大幅度提高拔节期至抽雄期土壤的硝态氮含量,提高每公顷穗数和穗粒数,进而增加作物产量,但通过增施肥料得到的产量依然达不到高肥力农田的产量水平,而且降低了收获指数。因此,培肥土壤是实现玉米高产高效的基础。

利用基于偏微分方程的图像滤波技术研究土壤孔隙结构

利用自主研发的土壤切片数字图像处理分析系统软件，采用3种滤波方式，即BMO滤波（boundarymeanoscillation有界平均振荡模型）、PM滤波（Perona-Malik偏微分方程模型）和中值滤波，对免耕、翻耕和旋耕3种耕作方式下不同深度土壤切片的数字图像进行去噪增强，并对处理后的图像进行了孔隙特征参数提取与统计。在此基础上，探讨了几种图像滤波技术的效果以及耕作方式对不同土层土壤孔隙形态结构的影响，以期找到适用于土壤切片数字图像的滤波技术，为后期土壤孔隙信息的提取与统计提供工具。结果表明，采用BMO滤波后，从土壤切片数字图像得到的土壤孔隙度与试验结果最为接近；其中，孔径〈5μm的孔隙度显著大于其他图像滤波技术的结果，而5～50μm与〉50μm孔径的孔隙度与其他图像滤波技术的结果没有显著差异：与免耕相比，翻耕与旋耕提高了表层土壤的孔隙度，增加了传导孔隙的比例。

保护耕作研究进展及前景展望

阐述了国内外保护耕作技术的研究进展,分析了保护耕作对作物产量、土壤性状、土壤水分利用的效应以及对作物病虫草害的影响和控制水土流失的作用,提出我国推行保护耕作应注意的关键问题。

不同温度下的土壤热导率模拟

土壤热导率是研究陆地表层水热盐耦合运动的基本物理参数。由于水汽潜热传热在高温下的显著作用,高温下的土壤热导率显著高于常温值。该研究的目的是建立能够有效预测高温下土壤热导率的模型。在气体扩散定律的基础上,该文结合常温土壤热导率模型,提出了一个计算高温土壤热导率的新方法。并利用热脉冲技术实际测定了不同温度、不同含水率下的土壤热导率,对新模型进行了测试验证。结果表明,Cass等的水汽运移促进因子参数依赖于土壤质地,且存在较大的不确定性。经过对该参数修正后,建立的热导率模型均能够较好地模拟出高温下的土壤热导率。

土壤剖面基础性质差异对农田水氮过程和作物产量的影响

【目的】华北平原地区是中国最重要的冬小麦和夏玉米生产基地,不同农田土壤基础性质差异是造成该地区农田生产力空间变异的基本原因。通过研究该地区冲积始成土冬小麦-夏玉米轮作农田土壤剖面性质对水氮过程以及作物产量形成的影响,以期为该地区高产农田的水氮利用与管理提供参考。【方法】选取位于山东省泰安市研究区3块具有不同土壤基础性质且产量存在显著性差异的农田,进行3年田间试验,测定土壤剖面的土壤基本性质,具体包括机械组成、饱和导水率、田间持水量、永久萎蔫点、有机碳、全氮;监测土壤剖面0—160 cm的水分和硝态氮的动态变化以及作物生物量、叶面积指数和产量等。运用根区水质模型(RZWQM)对各农田的水氮过程进行模拟计算。【结果】RZWQM模型在整体上可以很好地模拟2009年10月至2012年9月3年不同基础土壤性质农田水分、无机氮、作物产量、地上部生物量和叶面积动态特征,并计算各农田水氮平衡项。各农田土壤基础性质差异对水氮过程及产量形成的影响具体为:高产农田0—160 cm剖面的最大有效贮水量为223 mm,分别高出中产和低产农田28和56 mm,同时30 cm深度以下土层具有相对较低的饱和导水率。该基础性质差异使得高产农田年均水分损失(地表径流+深层渗漏)仅为150.3 mm,分别低于中产和低产农田5.7和26.4 mm,从而使高产农田作物受到相对低的水分胁迫。高产农田土壤表层土壤有机碳含量较中低产田高,而碳氮比则较低,使得高产农田具有更高的净矿化氮量(较中产和低产农田高52.0和82.6 kg·hm-2),且较低的氮损失(氨挥发+氮淋洗+反硝化作用),较中产和低产农田分别少6.9和10.9 kg·hm-2。高产农田的水分利用效率(WUE)为2.32 kg·m-3,分别较中产和低产农田高12.1%和6.8%,这是因为高产农田受到较低的氮素胁迫。在本研究区不同土壤基础性质农田的氮素利用效率(NUE)差异不显著。【结论】在华北平原冬小麦-夏玉米轮作区,理想的土体构型能够存储更多的有效水,高土壤有机碳含量和低的碳氮比能矿化出更多的无机氮,保障了充足的水氮供应,减缓作物受到的水氮胁迫,从而获得高产。

直立作物残茬和整株秸秆覆盖对麦田土壤湿度及温度的影响

在河北黑龙港地区主要土壤类型（壤质潮土）上进行了连续４年的耕作与秸秆还田配合的小麦田间试验，试图探讨一种适合当地自然特点的节水管理模式。结果表明，不同耕作方式对土壤保水性没有实质性影响，与秸秆直接翻入土壤和无秸秆还田者相比，（１）整株秸秆覆盖显著（Ｐ＜０．０５）提高了土壤温度，缩短了出苗时间；（２）直立作物残茬和整株秸秆覆盖均能显著（Ｐ＜０．０５）增加土壤的含水量，进而提高了小麦对干热风的抵抗能力。

保护性耕作对太行山前平原土壤热水解和酸解有机碳的影响

【目的】研究传统耕作转为保护性耕作后土壤热水解碳(HWC)和酸解碳(AHC)的分布和积累特征。【方法】2001年在河北栾城设置翻耕+玉米秸秆不还田(CK)、翻耕+玉米秸秆粉碎还田(CT)、旋耕+玉米秸秆粉碎还田(RT)和免耕玉米秸秆直立还田(NT)4个处理。2007年小麦收获后,采集0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土层样品,测定热水解有机碳(HWC,80℃水浴下提取24 h)和酸解有机碳(AHC,6 mol.L-1HCl,105℃下提取4 h)的浓度,分析两种活性碳的层化比率值(SR),并基于等效质量碳库储量计算方法,比较了不同耕作处理对土壤活性碳分布和储量的影响。【结果】连续6年保护性耕作后,HWC和AHC在土壤表层积累,具有较高的层化比率值。在0—10 cm土层,保护性耕作(RT和NT)系统HWC的SR值(1.68—1.98)显著高于传统翻耕(CK和CT)处理(1.30—1.50),保护性耕作下AHC的SR值(1.62—1.83)亦高于传统翻耕(1.12—1.63)。与传统翻耕CT相比,保护性耕作系统0—30 cm剖面的HWC储量无显著变化,但免耕显著增加了AHC的储量。【结论】在太行山前平原地区,保护性耕作导致土壤剖面中HWC和AHC在表层积累,呈现高度层化特征,可能会潜在影响土壤质量和农田固碳速率。

农田土壤碳饱和机制研究进展

农田土壤有机碳是土壤肥力的核心,与全球碳循环和气候变化密切相关。然而,土壤有机碳水平并非无限度增加而是存在一个最大容量,或称之为碳饱和水平。本文综述了土壤有机碳的稳定机制、碳饱和理论及其关联性,总结了土壤碳饱和概念模型和饱和亏缺预测等方面的研究进展,分析了我国农田土壤碳饱和效应研究现状,并对未来研究方向进行了展望。

耕作及残茬管理对作物产量及土壤性状的影响

在河北低平原的壤质潮土上进行了保护耕作长期定位裂区试验 ,研究了深浅轮耕、浅耕、少耕、免耕以及残茬管理对作物产量及土壤性状的影响。结果表明 ,连续少耕和免耕处理的前 3年对作物产量没有影响 ,之后小麦产量显著降低 (最大降幅达到 31 83% ) ;连续免耕对玉米产量并没有明显影响 ;深耕并不增加作物产量 ;秸秆覆盖有时影响小麦生长 ;免耕处理的土壤有机质和全氮含量增加 ,但速效氮含量降低。

保护性耕作小麦—玉米农田生态系统能流特点的研究

通过在黑龙港地区主要土壤类型壤质潮土上连续3年的耕作试验,研究在不同耕作条件下农田生态系统的能流特点与能量分配的合理性。结果表明,与传统耕作制度相比,保护性耕作(免耕)能够明显提高小麦—玉米一年两作农田生态系统的能量转化率,能量投产比间的差异显著(P<0.01);不同耕作农田生态系统的熵变和自由能绝对值的差异均无统计学意义,但在一定程度上表明免耕增强了农田生态系统的有序性,从而提高了系统的相对生产力。