不同耕作方式对砂姜黑土孔隙结构特征的影响

砂姜黑土黏闭僵硬问题突出,耕作是改良其结构的重要措施之一。基于安徽龙亢农场砂姜黑土耕作试验基地,采集免耕(No-tillage,NT)、旋耕(Rotarytillage,RT)和深翻(Deepploughing,DP)处理的原状土柱(高20cm,直径10cm),利用X射线CT扫描技术和ImageJ软件等对土壤孔隙结构进行三维重建和可视化处理,定量分析不同耕作方式对土壤孔隙度、孔径大小分布、孔隙形态特征、网络特征以及土壤饱和导水率的影响。结果表明:(1)与免耕相比,旋耕和深翻下土壤的大孔隙度分别增加了192.7%和261.1%(P<0.05);与旋耕相比,深翻下土壤大孔隙度增加了23.4%;(2)相较于免耕,旋耕和深翻显著增加了土壤孔隙的水力半径、紧密度、分形维数和全局连通性(P<0.05),显著降低了各向异性程度和欧拉数(P<0.05),土壤饱和导水率得到显著提升,且深翻的改良效果总体优于旋耕;(3)相关分析表明土壤饱和导水率与除水力半径外的孔隙结构特征参数均存在显著相关(P<0.05),其中与连通性最大孔隙度的相关性最高(r=0.833**,P<0.01)。综上所述,深翻扩大了土壤孔隙的水力半径,改善了连通性,提升了复杂程度,从而构建了相对良好的土壤孔隙形态和网络结构,提高了导水能力,消减砂姜黑土结构性障碍效果显著。

基于稀土氧化物示踪法探究冻融循环对黑土团聚体周转的影响

为区分土壤团聚体形成和破碎过程,阐明冻融循环对黑土土壤结构的影响,本文利用稀土氧化物(REOs)示踪技术,通过室内模拟试验,探究不同初始含水量(50%田间持水量(T50)vs.100%田间持水量(T100))和冻融循环次数(0次、3次、6次、12次和20次)对团聚体粒径分布、平均质量直径(MWD)以及团聚体周转过程的影响。结果表明:同一初始含水量下,随着冻融循环次数的增加,MWD、>0.25mm和<0.053mm团聚体含量显著降低,0.25~0.053mm团聚体含量显著增加(P<0.05)。6次冻融循环后,T50处理下的MWD显著高于T100处理(P<0.05),5~2mm和<0.25mm团聚体含量无显著差异。除5~2mm团聚体外,冻融循环处理下,相邻粒级团聚体之间周转更为激烈。在同一冻融循环次数下,5~2 mm团聚体向0.25~0.053 mm团聚体的破碎量在T100处理下显著高于T50处理(P<0.05)。冻融循环促进了>0.25 mm团聚体的破碎和<0.053mm团聚体的团聚,表现为0.25~0.053mm团聚体的累积。冻融循环过程中,MWD与各粒径团聚体相对形成量呈显著正相关,与其相对破碎量呈显著负相关(P<0.05)。随着冻融循环次数的增加,各粒径团聚体周转时间显著增加(P<0.05)。同一冻融循环次数下,>0.25mm团聚体的周转时间高于<0.25mm团聚体,T100处理下的团聚体周转时间显著高于T50处理(P<0.05)。综上所述,冻融循环次数和土壤初始含水量通过影响团聚体形成和破碎过程改变土壤结构的稳定性。本研究结果可为进一步探究冻融循环下黑土土壤结构变化提供理论依据。

秸秆还田方式对砂姜黑土有机碳组分和孔隙结构的影响

砂姜黑土容重高、土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)含量低是限制作物产量的关键因子,秸秆还田能有效改善土壤结构,提高土壤有机碳含量。为探明砂姜黑土区适宜的秸秆还田方式,进一步培肥改良耕地地力,该研究利用砂姜黑土连续6 a耕作与秸秆还田定位试验,探究不同秸秆还田方式(免耕还田、旋耕还田、深翻还田)对砂姜黑土不同土层(0~10、>10~20、>20~40 cm)有机碳及其组分颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)、矿物结合态有机碳(mineral-associated organic carbon,MAOC)和孔隙结构的影响。研究结果表明:在0~10 cm土层内,3种还田方式下SOC及其组分、土壤总孔隙度和大孔隙度(>50μm)均无显著性差异(P>0.05)。与旋耕还田相比,免耕还田使>10~20和>20~40 cm土层SOC含量分别降低了14.1%、23.7%(P<0.05),对>10~40 cm土层内孔隙结构特征参数无显著影响(P>0.05);与旋耕还田相比,深翻还田使>10~20和>20~40 cm土层SOC含量分别提高了12.7%、44.1%(P<0.05),使>20~40 cm土层POC和MAOC含量分别提高了116.0%和42.4%,显著提高了>10~40 cm土层内>200μm孔隙度、孔隙水力半径、最大连通网络孔隙度和全局连通性(P<0.05)。相关分析表明,POC含量与土壤大孔隙度(>50μm)(R^(2)=0.643,P<0.01)、全局连通性(R2=0.488,P<0.05)、最大连通网络孔隙度(R2=0.564,P<0.05)以及水力半径(R2=0.749,P<0.01)之间呈显著正相关关系(P<0.05)。综上所述,深翻还田促进了砂姜黑土>10~40 cm土层有机碳积累与大孔隙的形成,为该区较适宜的秸秆还田方式。

覆盖作物种植对砂姜黑土团聚体稳定性及其有机碳组分的影响

为探究覆盖作物种植对淮北平原砂姜黑土团聚体稳定性和有机碳组分的影响,本研究以淮北平原砂姜黑土为研究对象,研究不压实及压实处理下不同覆盖作物类型(休闲、苜蓿、油菜、萝卜+毛苕子混播)对表层土壤(0~10 cm和10~20 cm)团聚体稳定性及其有机碳组分的影响。结果表明:与休闲相比,种植不同覆盖作物(苜蓿、油菜、萝卜+毛苕子)均能显著提高两种压实处理0~10 cm土层有机碳(SOC)含量,其中苜蓿处理增幅最大(14.3%);在10~20 cm土层,仅苜蓿处理显著增加了SOC含量(9.17%~10.8%)。在0~10 cm和10~20 cm土层,各覆盖作物处理土壤水稳性团聚体平均质量直径(MWD)的变化规律与土壤有机碳完全一致,均表现为苜蓿处理显著提高了两个土层的MWD。与休闲相比,3个种植覆盖作物处理均能显著提高0~10 cm土层水稳性大团聚体(≥2000μm)的含量;10~20 cm土层中仅苜蓿处理在两种压实处理下水稳性大团聚体(≥2000μm)含量较休闲处理有显著提升。种植覆盖作物使不同粒级团聚体SOC含量均呈现出增加的趋势,其中苜蓿处理显著增加了0~10 cm和10~20 cm土层≥2000、250~<2000μm和53~<250μm团聚体SOC含量。与休闲处理相比,苜蓿、油菜和萝卜+毛苕子处理均显著增加了0~10 cm和10~20 cm土层土壤颗粒有机碳(POC)含量,其中苜蓿处理的增幅均为最大(25.2%~34.5%)。覆盖作物对土壤矿物结合态有机碳(MOC)含量无显著影响。与不压实处理相比,压实处理对SOC、POC和MOC含量以及水稳性团聚体MWD均无显著影响。研究表明,种植覆盖作物尤其是苜蓿可以显著提高砂姜黑土总有机碳和颗粒有机碳含量以及水稳性团聚体的稳定性,从而改善砂姜黑土质量并提升其生产力。

不同覆盖作物对砂姜黑土剖面硝态氮动态的影响

为探究不同覆盖作物整个生育期内[覆盖作物播种后(2021年11月5日)、营养生长期(2022年3月12日)和生殖生长期(2022年5月5日)]砂姜黑土剖面中硝态氮的动态变化,本研究在安徽省龙亢农场典型砂姜黑土区设置压实(Compacted,C)与不压实(Non-compacted,NC)处理,并裂区设置冬季休闲(Con)、苜蓿(Alf)、油菜(Rap)、萝卜+毛苕子混播(Rhv)4个处理,动态监测0~120 cm土层中土壤硝态氮含量、储量和植株地上地下生物量及其氮素积累量。结果表明:整个覆盖作物生长季,Alf、Rap、Rhv处理土壤硝态氮含量持续下降,各处理0~120 cm土层平均分别下降43.3%、53.9%、57.5%。营养生长期与生殖生长期3个覆盖作物处理(除生殖生长期不压实条件下Rhv处理)硝态氮储量均较Con处理降低(P<0.05),且营养生长期的平均降幅(压实52.7%,不压实60.7%)高于生殖生长期(压实40.2%,不压实35.6%)。营养生长期,不压实条件下Alf处理土壤硝态氮储量是Rap和Rhv处理的1.41倍(P<0.05)。生殖生长期,压实与不压实条件下3个覆盖作物处理土壤硝态氮储量间无显著差异。营养生长期,Alf处理地上部生物量和氮素累积量低于Rap处理(P<0.05),地下部生物量和氮素累积量低于Rhv处理(P<0.05);但生殖生长期,Alf处理地上和地下部氮素累积量均显著高于Rap和Rhv处理(P<0.05)。相关分析表明,土壤中硝态氮储量与覆盖作物生物量以及氮素累积量呈负相关(P<0.05),表明覆盖作物对氮的吸收利用是土壤硝态氮下降的主要原因。综上,与Con处理相比,Alf、Rap和Rhv处理均可以有效降低土壤剖面中残余硝态氮,但Alf处理在前期生长缓慢,降低土壤剖面硝态氮的能力低于Rap与Rhv处理。因此,在砂姜黑土区种植油菜或萝卜+毛苕子更有利于降低覆盖作物生长期的硝态氮淋溶风险。

土壤裂隙及其优先流研究进展

土壤在干燥脱水的过程中易收缩产生裂隙。裂隙的产生是土壤性质与外界条件等多种因素综合作用的结果,其形态结构也非常复杂,难以准确描述。裂隙能够作为优先流的路径,增加农田水分和养分的流失以及地下水污染的风险。本文总结和归纳了裂隙产生的影响因素、裂隙的表征指标与测定方法、裂隙导致的优先流的研究方法、裂隙对优先流的影响和模拟等方面的研究进展。今后应进一步加强裂隙产生机理的全面深入的研究;构建和完善裂隙三维指标体系及其测定方法;推进裂隙导致的优先流的定量化和数学模拟研究;加大田间原位裂隙及其优先流的研究。

基于同步辐射微CT研究不同利用年限水稻土团聚体微结构特征

同步辐射微CT(SRμ-CT)可以无损获取高分辨率、强对比度的内部结构图像,是研究土壤团聚体三维微结构的有效手段。本研究采集了种植水稻20a和40a后表层土壤团聚体样品,应用SRμ-CT扫描获取了9μm分辨率的团聚体内部结构图像,然后应用CT图像处理方法和3DMA-Rock软件观察并定量分析了团聚体微结构特征。随着种植水稻年限的增加,土壤有机质含量和全氮含量显著增加,团聚体孔隙数量和孔隙度显著增加,比表面积显著增大。种植水稻20a的土壤团聚体呈现致密的黏闭结构,而种植水稻40a的土壤团聚体具有由团粒状小团聚体构成的复杂多孔微结构。结果表明随着种植年限的增加,团聚体微结构和土壤质量明显改善。

新时代中国土壤物理学主要领域进展与展望

在近20年的发展中,我国土壤物理学得到迅速发展,在国际土壤物理学期刊发文量占比从5%上升到30%,主要研究聚焦在土壤水文过程与尺度转换、土壤物理质量与可持续农业、水热盐迁移与生态调控、以及污染物迁移与模型模拟等领域。本文综合分析这些领域的研究现状与进展,指出这些进展既有国家需求的驱动,也有新技术新方法的应用,以及与相邻学科交叉融合,最后展望了这些领域的研究重点。论文还指出我国土壤物理学面临科研原创性不足、仪器设备研制滞后等挑战,同时也面临粮食安全和生态环境安全等国家需求迫切解决的机遇。

利用X射线CT研究多尺度土壤结构

土壤结构是土壤水、气等贮存和运输的场所。定量获取土壤内部结构信息，是认识土壤水、气运动规律，进而准确模拟和预测土壤中各种物理过程的前提,然而由于土壤组成物质的复杂性以及土壤结构的易破碎性，直接研究土壤结构非常困难。利用传统的土壤微形态方法虽然可以得到二维土壤结构信息，

红壤丘陵岗地区坡地产流产沙特征及影响因素研究

分析了2011年1月至2013年12月南方红壤坡地花生地和橘园2种土地利用方式下的产流产沙特征,并对其影响因素进行了探讨。结果表明:径流量与泥沙侵蚀量均表现为花生地极显著大于橘园(p<0.01),径流量年际变化和季节变化与降雨量变化表现基本一致,花生地泥沙侵蚀量年际变化不大,而橘园泥沙侵蚀量逐年降低,橘园的保水保土效果明显。花生地和橘园产流降雨量阈值的估算值分别为13.9mm和14.9mm,最大60min雨强(I60)阈值分别为8.0mm/h和12.0mm/h。降雨是坡面产流的主控因子,橘园产流的最大影响因子是降雨量,而花生地产流受I60的影响比降雨量大。前期土壤水势与径流系数的指数或对数关系,表明研究区产流机制主要以蓄满产流为主。多元回归分析显示,花生地泥沙侵蚀量与径流量呈极显著正相关(p<0.01),橘园泥沙侵蚀量与径流量、I60、前期土壤水势(或初始含水量)无显著相关性(p>0.1)。

红壤丘陵岗地区坡地地表径流氮磷流失特征研究

农业非点源污染是水质恶化的主要贡献者,研究坡地农田生态系统N、P流失特征及其影响因素对提高土壤生产力和水环境质量具有重要意义。本研究基于2011年3月至2013年12月花生地(158场)和橘园地(152场)降雨–产流事件中N、P流失的监测数据,探讨南方红壤坡地农田生态系统N、P流失特征及其与降水特征、径流量的关系。结果表明:花生地N、P流失量明显大于橘园地,N流失浓度则是花生地小于橘园地。N、P流失量的季节变化和年际变化均与地表径流量的变化规律一致,养分流失量与地表径流量呈显著正相关关系(P<0.01),流失高峰出现在每年的雨季4—6月。两种土地利用方式,P素流失显著低于N素流失,NO3–-N是可溶性养分流失的主要形态。降雨强度(I60)和径流量是影响养分流失的两个主要因素,均与养分流失量呈显著的幂函数关系(P<0.01)。红壤坡地果园比坡耕花生地的水土和养分保持效果好,但在降雨产流高峰期仍需加强肥料施用管理和相关阻控措施的实施。

半干旱区科尔沁沙地土壤水分时空特征研究

采用经典统计和地统计学的方法，分析了2013年半干旱区科尔沁沙地（1．5hm2）不同植被类型下0～160cm剖面土壤水分的时空变异特征。结果表明：土壤含水量在剖面上的变异系数在18％～177％之间，属于中等或强变异水平；土壤水分状况影响其变异性，湿季的变异性低于干季。草本植被和灌木通过截留降雨和根系吸水，加剧了土壤水分在空间上的变异。在同一时期，土壤水分的空间自相关性随着深度的增加而不断减小；相同深度的空间自相关性为湿季大于干季。在湿季各层土壤含水量具有较好的空间连续性，而干季各层土壤水分变化均较为剧烈，土壤水分的破碎化程度较高。降雨有促使土壤水分分布趋于均匀及增强空间相关性的效果。

南方红壤丘陵区不同土地利用方式土壤水力学性质研究

非饱和导水率是研究土壤水分和溶质运移的重要参数。本论文利用压力膜仪法以及FDR和Watermark(R)granular matrix田间原位测定数据,分别获得室内和田间的水分特征曲线,并利用van Genuchten模型间接推求非饱和导水率。同时,以原位的零通量内排水法直接测得的非饱和导水率作为标准,分析了不同方法所获得的非饱和导水率的异同。研究结果表明:在花生地,压力膜仪法测得的VG曲线参数推求非饱和导水率和实际非饱和导水率相近;而在橘园地由于根系空间分布异质性导致室内与田间所获得非饱和导水率差异性较大。同时直接法测得的非饱和导水率结果也说明在该地区两种不同土地利用方式下水分运动的特征存在差异。

添加有机物料对花生不同生育时期产流产沙的影响

采用野外实时监测的方法,研究不同有机物料施用对花生不同生育时期产流产沙的影响。结果表明,整个试验周期,30.4%~36.7%的径流深集中在开花下针期。此阶段径流系数高达0.323~0.400。除NPK＋Str和NPK＋BC处理外,径流深和降雨量,最大60min雨强均存在着极显著的正相关关系（P〈0.001）。而侵蚀主要集中在苗期。在花生生长后期,处理间才开始出现差异。仅NPK和NPK＋SM处理下,土壤侵蚀和径流深有显著的正相关关系（P〈0.05）。总体而言,NPK＋Str处理秸秆表施增加了地表粗糙度,降低了雨滴打击和泥沙迁移,减少了12.9%的径流和27.0%的泥沙。NPK＋SM处理下,花生地上部生长最旺盛,起到一定的截留降雨和增加入渗的作用。NPK＋BC处理虽然提高了团聚体稳定性（P〈0.05）,但是没有减缓水土流失。

桂林地区不同土地利用方式下土壤热容量空间变化的研究

以广西桂林市农业科学院大豆种植地、甘蔗种植地和梨树种植地为例,研究3种不同土地利用方式下干旱、中等和湿润土壤水分情况中土壤热容量的空间变化。通过对每个试验区面积为135 m×105 m的100个测量点进行土壤含水量测量,确定干旱、中等和湿润的土壤水分条件,并计算出土壤热容量。运用地统计方式,对土壤热容量进行空间变化分析。结果表明：在3种土壤水分条件下,土壤含水量的大小表现为梨树地〉甘蔗地〉大豆地,土壤热容量的大小同样是梨树地〉甘蔗地〉大豆地,可见土壤含水量是引起土壤热容量变化的主要因子。土壤热容量的地统计分析结果表明,在3种土壤水分条件下,土壤热容量整体的空间结构比均为25%～75%,属于中等的空间相关性。大豆地和甘蔗地的土壤热容量高阈值空间分布仅在中等和湿润条件下较为稳定,说明受到降水控制的土壤水分主导土壤热容量空间分布的稳定性,但耕作方式会在干旱时期打破其稳定性。而梨树地因受到长期免耕的影响,其空间分布稳定性较弱。结果说明土壤有保持其热容量空间稳定性的能力,但耕作方式等人为因素在一定程度上破坏土壤热容量的空间稳定性。

不同作物类型下土壤收缩变化研究

土壤在饱和-风干失水过程中会发生收缩,往往伴随着表面下陷和出现裂缝的现象。在桂林市农业科学院通过采样来测定甘蔗、梨树、大豆试验地的土壤收缩变化,并利用Soil Shrinkage Simulator(SSS)软件进行土壤收缩曲线的拟合和收缩变化的分析。结果表明:SSS软件能够较好地拟合实测数据(r>0.97),土壤的收缩曲线整体结构是呈现"S"型;但不同试验地的土壤收缩仍存在一定差异。因梨树地容重小,总孔隙度大,有机质含量高,以及免耕的耕作方式使其土壤结构疏松,含水量较高,从而导致它的土壤收缩程度最大;但甘蔗地和大豆地收缩程度较为接近,这与原假设的不同作物类型下甘蔗地土壤收缩大于大豆地相反。一方面由于甘蔗地垄沟种植使得部分表层土壤容重加大;另一方面,垄沟中存储的水分直接入渗到下层土壤,对表层土壤水分的贡献不大,这些均导致甘蔗地表层土壤收缩相较于大豆地不明显。因此,除了土壤自身性质外,耕作方式对土壤收缩也有着较大的影响。

基于压差传感器的自记录盘式负压入渗仪设计

为了解决入渗数据人工观测过程中的劳动量过大和读数误差问题,设计了利用压差传感器与数据采集器联合运行,自动搜集入渗数据的自记录盘式负压入渗仪。对盘式负压入渗仪原理与各部件组成,压差传感器与储水管的联合运行机制,以及数据采集器采用的数学处理过程进行了研究。通过自由入渗、室内土柱入渗和田间入渗实验3种方式逐步校验了该仪器读数的准确性和应用的可靠性。

区域尺度地下水浅埋区拟二维水流数值模型

建立拟二维系统模型,在非饱和含水层采用沿平面积分得到的垂向一维方程,在饱和含水层采用沿侧向积分得到的垂向二维方程,推导了模型的动态耦合项,提出饱和-非饱和含水层迭代耦合算法,解决潜水面处网格变动问题。与SWMS_2D进行对比,采用垂向二维水分运动稳定流解析解算例验证拟二维模型的准确度,采用非稳定流算例验证拟二维系统模型对计算效率提升的显著性。

不同耕作方式对砂姜黑土物理性质和玉米生长的影响

砂姜黑土结构不良是影响其生产力的主要限制因子。为改良其土壤结构,基于安徽龙亢农场砂姜黑土耕作定位试验基地,设置免耕、旋耕、深松和深翻四种处理,研究不同耕作方式对砂姜黑土0~40 cm土层土壤物理结构、玉米根系发育及其产量的影响。结果表明:1)在玉米生育期内,免耕处理下0~40 cm土壤平均容重和紧实度分别为1.52~1.57 g·cm^-3和926~1748 kPa,高于其他耕作处理;0~10 cm土层有效水分库容和饱和导水率低于其他耕作处理,分别仅为0.12 cm^3·cm^-3和3.5×10^-5 mm·min^-1;根系发育受到明显抑制,根长密度和根干物质的量密度较其他耕作方式分别降低42.5%~117%、35%~73.9%;2016—2017周年作物产量较深松和深翻降低8%~12%。2)与旋耕和深松相比,深翻处理下10~20 cm土壤容重和10~30 cm土壤穿透阻力分别降低至1.39~1.51 g·cm^-3和725~1575 kPa,0~10 cm土壤饱和导水率显著提高至4.15×10^-2 mm·min^-1,0~20 cm土壤有效水分库容提高至17.9%~18.4%,促进了0~10 cm土层根系发育,具有较好的增产效果。3)相关分析表明根长密度与土壤容重(r=-0.74^**,P<0.01)和穿透阻力(r=-0.73^**,P<0.01)呈极显著负相关关系。综上所述,深翻改良砂姜黑土结构效果明显,有利于作物生长,为该区较适宜的耕作模式。

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,S_(5);2 mm,S_(2);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S_(5)和S_(2)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S_(5)和S_(2)处理的大孔隙度和孔隙连通性只在HM土壤中有显著差异,在CK和LM土壤中无显著差异。团聚体大小分布对土壤有机碳矿化量有显著影响。团聚体破碎增加了土壤有机碳矿化量。在CK土壤中,S_(0.5)的有机碳累积矿化量较S_(5)和S_(2)分别高64.2%和79.1%;在HM土壤中,S_(0.5)的有机碳累积矿化量较S_(5)和S_(2)分别高19.3%和14.1%。与之不同的是,在LM土壤中,S_(0.5)的有机碳累积矿化量与S_(5)无显著差异,可能是受到孔隙结构的影响。相关分析发现,土壤有机碳累积矿化量与16~30μm孔隙的孔隙度呈显著的正相关关系。团聚体大小分布的变化改变了土壤的孔隙结构,大团聚体破碎降低了填装土柱的大孔隙度。团聚体破碎促进土壤有机碳的矿化,一部分原因是释放出了被保护的有机碳。此外,团聚体大小改变导致的孔隙结构变化可能是影响土壤有机碳矿化的另一个重要因素。