冻融交替对小麦秸秆降解特性的影响

针对未来星球基地中植物类固废的资源化循环利用问题,以受控生态生保系统中的主要固废小麦秸秆为实验材料,探究了冻融交替对其降解特性的影响。选取冷冻温度、冷冻时间、冻融次数3个影响因子,开展了三因素三水平正交实验L_(9)(3~4)。测定秸秆冻融前后可溶性总碳、总氮含量的变化,根据结果选取部分组别进一步开展微观形貌观察、纤维素结晶度以及化学结构特性的测定。结果表明:冻融交替会提高小麦秸秆的可溶性总碳、总氮含量,改变秸秆表面的微观形貌,提高纤维素结晶度,打断秸秆中的-OH、C-H、C-O等键。此外,在冷冻温度-80℃,冷冻时间4 h,冻融次数3次的条件下,小麦秸秆中可溶性总碳、总氮含量最高,比对照组分别提高了51.4%和74.4%,说明在此条件下小麦秸秆各降解特性改变最大,更有利于其后续的生物降解。

冻融交替对复配土壤团粒结构和有机质的交互作用

为了研究冻融交替作用下复配土壤团粒结构和有机质之间的关系,采用室内模拟冻融试验方法,分析冻融周期以及团粒结构含量对复配土壤有机质的影响。结果表明,冻融交替经过1,2,5,10周期时各个粒级团粒结构的分配比例有明显变化,<0.5mm的小粒径团粒结构含量增加,>1mm的大粒径团粒结构含量减少;冻融循环对复配土壤有机质含量产生极显著影响,1∶1,1∶2,1∶5复配土壤有机质含量均表现为随冻融周期先增加后减少的趋势,2周期时达到峰值,与冻融前相比,分别增加68%,55%,59%;冻融循环与土壤团粒结构的交互作用显著影响复配土壤有机质含量,冻融交替作用下3种比例复配土壤小团粒结构(粒径<0.5mm)与有机质呈现出较为明显的正相关关系。因此,利用冻融交替作用对砒砂岩与沙复配土壤的团粒结构形成、有机质的影响以及二者之间的交互作用,进行改良土壤结构,提高土壤有机质含量,使土壤结构和有机质得到持续不断的改善和发展。

冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征

冻融交替是改变黑土结构、加剧土壤侵蚀的重要因子。以典型黑土区耕作土壤为研究对象,采用野外季节性冻融循环与室内模拟冻融循环相结合、X射线计算机断层摄影(CT)与扫描电子显微镜(SEM)相结合的方法,通过水分物理性质、团聚体破坏率、孔隙数目、孔隙面积、孔隙成圆率、孔隙Feret直径的测定与分析,研究了冻融交替后0—40 cm、40—80 cm和120—160 cm3个土层以及田间季节性冻融环刀、室内模拟冻融CT扫描和室内模拟冻融SEM3种方式下黑土结构特征的变化规律。结果表明:冻融交替能够对不同土层和不同尺度的耕地黑土结构产生不同程度的影响。季节性冻融后,表层土壤容重升高,非毛管孔隙度和持水能力显著降低(P<0.05),40—80 cm土层团聚体破坏率增加40.97%(P<0.05),土壤抗蚀性有所削弱,120—160 cm土壤没有受到季节性冻融的显著影响。CT扫描尺度上,3个土层均以1—2 mm径级的孔隙数目为最多,形状也相对规则、接近圆形;冻融循环没有对表层土壤大孔隙结构产生影响,却能够显著降低40—80 cm土层范围内大孔隙面积以及Feret直径(P<0.05)。SEM扫描显示冻融后土壤表面粗糙度增加,颗粒松散、脱离,孔壁断裂,证明了冻融交替对土壤微结构的破坏作用;同时结合电子能谱的元素分析可知冻融交替能够改变土壤颗粒表面化学特征。

土壤冻融交替生态效应研究进展

土壤冻融作用是高纬度和高海拔地带性土壤热量动态的一种表现形式。国际上关于冻融的研究多集中在北方高纬度地带,特别是苔原、泰加林和北极生态系统,越来越集中在全球变化对冻融生态系统土壤过程的效应方面。已有研究表明冻融作用会引起土壤团聚结构破坏并导致冻融侵蚀、土壤溶液中养分浓度升高而导致土壤养分流失、土壤解冻后还可能导致土壤呼吸和N素矿化以及一些痕量气体短时间释放增加等,这些研究表明了冻融过程对土壤物理、化学、生物等各方面的效应。我国有大面积北方季节性地带冻土和青藏高原高海拔冻土,而在土壤冻融作用及生态效应方面的工作较少,值得关注和深入研究。

冻融交替对砒砂岩与沙复配土壤团粒结构的影响

为研究冻融交替对砒砂岩与沙复配土壤团粒结构的影响,采用室内模拟冻融实验方法,研究了不同冻融周期和黏粒含量对复配土壤团粒结构的影响.结果表明:冻融周期、黏粒含量及二者的交互作用对复配土壤各级团粒结构组成均具有显著或极显著的影响.复配土壤黏粒含量越高,团粒结构的稳定性越高;在冻融作用下,随着复配土壤中沙比例的增大,大团粒结构含量总体呈降低趋势,降低速率先减小后增大,且砒砂岩与沙比例为1∶1时大团粒结构降低的速率最小.结果说明冻融交替作用降低了土壤团粒结构的稳定性,将较大颗粒团粒结构崩解破碎成小粒级颗粒,更易于砒砂岩和沙复配成土.

冻融交替对黑土氮素转化及酶活性的影响

以黑土为试验材料,通过室内培养实验,研究了不同冻融循环(-25—5℃、-10—5℃)对黑土氮素转化速率和土壤酶活性的影响。结果表明:随着冻融频次的增加,铵态氮含量和硝态氮含量均逐渐增加。除了中强度冻融(-10—5℃)的土壤铵态氮在培养第1周期内的含量最低外,剩余培养周期内,铵态氮含量均表现为中强度冻融(-10—5℃)>高强度冻融(-25—5℃)>对照组(5℃);硝态氮含量对不同冻融温度的响应差异显著。与对照组相比较,冻融循环整体上降低了土壤的矿化速率和硝化速率,但实验末期有促进硝化的趋势,不同强度冻融对矿化速率和硝化速率影响显著。受土壤温度和冻融交替的影响,土壤的脲酶活性和转化酶活性均低于对照组,且脲酶活性和转化酶活性均表现为中强度冻融>高强度冻融(第1周期除外)。综上,冻融作用对黑土的供氮能力和土壤酶活性具有重要影响。

冻融交替对农田棕壤氮素转化过程的调控效应

通过室内培养模拟试验,研究了农田棕壤可溶性氮(可溶性无机氮,DIN;可溶性有机氮,DON;可溶性全氮,DTN)含量、微生物生物量氮(MBN)含量和净氮矿化速率(NNMR)对不同冻融温度和冻融频数的响应。结果表明:冻结温度和冻融频数是影响农田棕壤氮素转化过程的主要因子。随着冻结温度降低,土壤NO3–-N、NH4+-N、DIN、DON、DTN和NNMR均显著增加,而MBN先降低后增加。随着冻融频数增加,土壤NO3–-N、NH4+-N、DIN和DTN均显著增加,这与NNMR的变化趋势正好相反;MBN则呈现降低–增加–降低的变化趋势,这与DON的变化正好相反。可见,冻融交替显著促进非生长季农田棕壤的氮素转化,增加土壤无机氮含量,提高土壤供氮能力。

冻融交替对不同施肥水平的黑土中氮磷元素含量的影响

为探究冻融交替对不同施肥水平的黑土中氮磷元素含量变化的影响,对东北地区的黑土进行了模拟冻融处理,并分析其氮磷指标(总氮磷、有效氮磷)的变化。结果表明,冻融交替处理后黑土中全氮的含量会降低,而有效氮和有效磷的含量会提高。单独施加无机肥会加剧冻融交替造成的土壤全氮流失(P<0.05),5次冻融交替后有效氮含量的增长率降低,有效磷含量的增长率升高。5次冻融交替后,施加有机肥的土壤全氮和全磷含量无显著变化,有效氮和有效磷含量增长率均显著提高(P<0.05)。在寒冷地区冻融条件下的农业生产实践过程中,应适当提高有机肥的施用量,以抑制黑土中氮元素的流失,增强氮磷元素的可用性,保持土壤肥力并降低水体富营养化的风险。

金露梅灌丛草甸氧化亚氮排放特征及冻融交替的影响研究

在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位研究站地区,利用密闭箱-气相色谱法对金露梅灌丛草甸群落中的丛间草地(GC)、金露梅灌丛(GG)和裸地(GL)3种斑块的氧化亚氮(N2O)排放季节特征和冻融过程、降水事件的影响进行了初步研究。结果显示:GG年平均排放速率显著高于GC和GL(P<0.05),GC与GL差异不显著(P>0.05)。3种斑块N2O排放速率表现出明显的季节波动,生长季高于休眠季,其中GC和GG排放速率在8月出现明显峰值,2月最低;而GL的排放速率2004年最大值出现在3月,2005年在3月和8月出现了两个峰值,最低值均出现在1月。冻融交替过程中各斑块N2O平均排放速率白天高于夜间,并且除了2005年GL斑块外,均为封冻期土壤排放速率较低,而冻融期提高。2004-07GC和GG斑块在降雨时排放速率降低,降雨后迅速上升;而2005年时3种斑块在降雨时以及积雪融化时排放速率均大幅升高。各斑块排放速率与土壤5cm地温呈极显著(GC和GG;P<0.01)或显著正相关关系(GL,P<0.05)。金露梅灌丛草甸2004年和2005年平均排放速率分别为0.043和0.046mg/(m2.h),是大气N2O的一个源,粗略估算整个青藏高原高寒灌丛草甸N2O排放的辐射强迫约为0.125TgCO2,其在整个青藏高原温室气体收支中的作用不应忽略。

春季—冻融交替时期9种落叶及半常绿小灌木抗寒性综合评价

在春季—冻融交替时期,以北京地区迎春、金叶女贞、小花溲疏等9种落叶及半常绿小灌木一年生枝条为试材,通过人工模拟降温,测定其在4^-20℃低温胁迫下的6个生理响应指标,并对各指标进行相关性分析。结果表明,相对电导率、半致死温度、游离-脯氨酸含量和相对含水量这4个生理指标可作为9种小灌木抗寒性的评价指标。利用主成分分析、隶属函数法进行抗寒性综合评价,发现9种小灌木的抗寒性强弱顺序为:小花溲疏>紫叶小檗>太平花>红王子锦带>迎春>连翘>金叶女贞>棣棠>金山绣线菊。通过聚类分析可将9种小灌木分为3类,小花溲疏和紫叶小檗归为一类,其抗寒性相对较好;太平花、红王子锦带、迎春和连翘聚成一组,抗寒性一般;金叶女贞、棣棠和金山绣线菊聚在一起,抗寒性相对较差。

冻融交替对河岸缓冲带土壤无机氮和土壤微生物量氮的影响

辽宁东部山区土壤冻融交替强度和频次变化是土壤氮循环的重要影响因素,冻融温差和冻融循环次数影响微生物数量和群落的变化,进而影响土壤氮素生物地球化学循环。以大伙房实验林场小流域的河岸缓冲带生态系统为研究对象,通过分析冻融交替对河岸缓冲带土壤无机氮和土壤微生物量氮的影响,阐明非生长季土壤无机氮含量变化机制,为评估小流域氮素流失风险提供依据。研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,土壤无机氮含量呈增加趋势;不同温差的冻融循环对土壤无机氮影响不同,冻融条件为-5℃/+5℃和-20℃/+5℃时土壤无机氮含量分别为34.9±0.9 mg·kg-1和37.2±0.8 mg·kg-1,是处理前的1.21和1.41倍;冻融温差和冻融循环次数对土壤NH+4-N含量有极显著影响(P<0.01),土壤冻融后土壤NH+4-N含量是+5℃处理的4—10倍;土壤NO-3-N含量和土壤微生物量氮含量对冻融循环的响应显著(P<0.01),冻融交替显著增加了土壤无机氮含量。

冻融交替对高寒土壤轻组分有机质矿化影响的试验研究

为研究冻融交替对轻组分有机质(LFOM)动态的影响,设置不冻处理T(4℃恒温培养),长冻处理F(-10℃持续冻结)和冻融交替FT(-10℃和4℃各12h交替)3个模式,对轻组分有机质(LFOM)进行为期147d的试验培养,定期采样分析LFOM中物质累积释放总量、C、N、P、K、Ca、Mg元素的动态情况。结果表明:(1)与处理F和T相比,处理FT显著提高了LFOM中物质累积释放总量和C、N、P、Ca、Mg的累积矿化,处理FT和处理F的K累积矿化相近且高于处理T。(2)处理F与处理T比较,OM、P、Ca、Mg矿化量相近,但总量及N矿化量处理F高于处理T。(3)利用单室模型对不同处理分解动态的回归进行分析,表明不同处理分解动态间均达到显著水平,证实了有机质进行密度分组的合理性及LFOM内不同组分的共性,冻融交替下LFOM中C、N和P的平均存留时间(MRT)分别为700,875,133d,冻融交替次数减少(长冻、不冻)均延长了这些元素的MRT。因此,在全球变暖背景下,只有在高寒土壤冻融交替次数增加的情形下才加剧土壤LFOM中有机碳、氮和磷的矿化,如果仅是引起土壤解冻时间延长,并不会增加亚高山森林季节性冻土中LFOM的矿化。

冻融交替环境下道面聚丙烯腈纤维混凝土的抗冻性能试验

在冻融交替环境下,研究了道面聚丙烯腈纤维混凝土的抗冻性能,结果表明,采用高效减水剂的C45组试件,经300次冻融循环,掺有0.10%纤维的试件比未添加试件质量损失率要高,试件A—2、A—3抗压强度与抗弯强度均比冻融前要高。采用普通减水剂的C55组试件,经180次冻融循环,未添加纤维试件A—0质量损失率要高与添加的试件,经300次冻融循环,掺加纤维的3个试件质量损失率相差较小,相对动弹性模量均大于93.0%,且抗压强度均出现下降,抗折强度均比未添加试件的要高,循环250次,试件A—0已破坏严重。SEM照片表明,纤维表面平行刻痕非常多,有大量水化产物附着在上面,纤维空间网状协调效应得到充分发挥。掺入高效减水剂的混凝土抗冻融性能要好于普通减水剂。

冻融交替对不同年代排水造林湿地土壤微生物活性及有机碳密度的影响

以小兴安岭湿地土壤为研究对象,基于室内分析和冻融实验,分析了冻融作用下不同年代排水造林湿地土壤微生物量、酶活性以及有机碳密度的变化趋势,探讨了不同年代排水造林湿地土壤微生物活性与有机碳密度之间的相关关系,以期为深入认识冻融期间高寒高纬度地区土壤碳循环过程提供参考依据。结果表明:(1)冻融次数对土壤微生物量碳、氮含量影响显著(P<0.05),经历9次冻融循环后,土壤微生物量碳、氮含量比冻融前明显减少;在三种不同年代排水造林的湿地中,排水时间越短,土壤微生物量碳、氮含量下降幅度越大,表明长时间的反复冻融交替可能导致土壤微生物量的进一步减少。(2)冻融前后,土壤蔗糖酶和淀粉酶活性均表现为下降趋势,且多次冻融交替后,-25~5℃冻融处理比-5~5℃冻融处理酶活性更低,表明较大的冻融温差更能降低土壤酶的活性度。(3)随着冻融次数和冻融温度的变化,四种湿地的土壤有机碳密度基本保持稳定,但其与土壤微生物量、酶活性却存在着高度的正相关性,通过探究微生物活性所调控的土壤过程,可以直接或间接了解土壤有机碳密度的变化趋势,便于从本质上验证其响应机制。

冻融交替对农田氮磷淋溶影响的研究进展

农田施肥过量导致氮磷养分淋溶引发的水体污染问题日益突出,冻融交替是中高纬度、高海拔和部分温带地区的自然现象,对冻土区农田生态系统的土壤生物地球化学过程有重要影响。了解冻融交替如何影响土壤氮磷养分淋溶,对建立阻控养分淋溶的措施至关重要。本文对国内外已有的研究结果进行归纳和梳理,从土壤物理、化学和生物学角度阐述了冻融交替对农田土壤氮磷淋溶的作用机制和影响因素。冻融交替主要是通过以下几个方面影响养分淋溶:1)土壤水的相变对土壤颗粒、孔隙结构、微生物细胞的破坏作用;2)对土壤微生物群落组成、结构及其参与的养分循环的影响;3)最终导致土壤对养分和水分固持能力、可淋溶养分的含量和形态以及淋溶通道的改变。此外,气候因素包括气温和积雪覆盖对冻融模式的影响以及土壤自身的性质决定着冻融期间养分淋溶损失程度。基于冻融对养分淋溶的影响机制,阐述了增施生物炭、种植覆盖作物、采用免耕秸秆覆盖等耕作方式在减缓养分淋溶方面的研究进展和潜在机制,为今后相关研究工作提供了理论依据。最后简要指出当前研究的不足之处,提出未来相关研究的方向。

青海南部高寒草地土壤冻融交替期水热特征分析

为进一步了解高寒草地土壤冻融交替过程及其对水热因子的响应机制,通过2014年8月1日至2015年8月1日不同土层土壤温度和水分观测资料的对比分析,较为系统地探讨了青南高寒草地土壤冻融期不同深度土层土壤温度和水分的变化特征。结果表明,青南高寒草地土壤冻融阶段大体可分为初冻期、稳定冻结中期、稳定冻结后期和消融期4个时期;不同土层土壤温度随气温的变化呈周期性波动,且随着土层的加深变幅减小;不同冻融期表层和亚表层土壤温度和水分波动幅度较大,下层土壤对水热因子的敏感性较小;土壤完全冻结的天数达44~115d,日冻融交替过程主要发生在表层和亚表层土壤。土壤冻融交替增强了土壤的保水性,对该区草地植被提前返青和初级生产力的提高具有促进作用。

冻融交替对土壤氮素循环关键过程的影响与机制研究进展

冻融交替是由于季节或昼夜热量的变化,在表土及以下一定深度形成的反复冻结和解冻的过程,是普遍存在于中、高纬度及高海拔地区的一种自然现象。在全球变暖的背景下,部分地区的土壤环境将经受更广泛和频繁的冻融交替作用,这将对土壤氮素循环关键过程产生深远的影响。冻融交替主要通过改变土壤的理化性质使土壤微生物量、微生物群落的组成和结构发生改变,进而影响氮素在土壤中的迁移与转化,是陆地生态系统氮循环的重要影响因素。目前,关于冻融交替对土壤氮素循环关键过程影响的研究结果还不尽一致,其影响机制尚不明晰,研究方法也还有待进一步创新。重点论述了冻融交替对土壤氮素循环各个关键过程的影响效应,归纳总结了冻融交替对土壤氮素循环的影响机制,简要指出了目前研究过程中存在的一些不足,并对未来研究中值得重点关注和深入研究的科学问题进行了探讨与展望。

冻融交替过程对黑土中氧化亚氮释放特性的影响

通过人工模拟冻融过程,研究了不同冻融条件对黑土中N2O释放特性影响。结果表明,在含水量一定的前提下,黑土N2O的释放量随着施氮量的增加而增大,主要表现为,高氮处理的N2O排放通量比低氮处理增加了20.4%,常氮处理比低氮处理增加了16.1%,而高氮处理比常氮处理的增加了8.1%,两者差异并不显著。在施氮量一定的前提下,黑土中N2O的释放量随含水量的增大而增大。在含水量为15%、20%、25%的黑土中,N2O累积排放通量分别为2644、2930和3640μg·(m2·h)-1;土壤粒径也影响黑土中N2O的释放,但是影响并不显著;土壤酸化加剧黑土中N2O的释放。

冻融交替作用对黄土高原三种典型土壤可蚀性影响

为研究冻融交替作用对黄土高原北部土壤可蚀性的影响,选取黄土高原北部季节性冻融区的三种典型土壤(灌淤土、黄绵土和风沙土)作为研究对象,设计室内冻融模拟试验,利用基于机械组成和有机质含量的EPIC模型与Dg模型估算土壤可蚀性K值,系统分析冻融交替作用对土壤机械组成、有机质含量及土壤可蚀性K值的影响。结果表明:(1)冻融交替作用使三种供试土壤粘粒含量显著减少(P<0.05),土壤质地粗化;(2)土壤有机质含量随冻融交替次数的增加总体呈先增加后减小再增加的趋势;(3)相同冻融条件下,利用EPIC模型与Dg模型估算出的土壤可蚀性K值具有显著差异(P<0.05),利用EPIC模型估算时,土壤可蚀性K值大小表现为风沙土>灌淤土>黄绵土,利用Dg模型的估算结果与之相反。

冻融交替对高寒草甸N_2O排放速率的影响

采用室内培养方法,分析了高寒矮嵩草草甸土壤N_2O排放速率对土壤冻融交替作用的响应特征。结果表明:随着冻结时间增加,-10℃和-5℃冻结土壤N_2O排放速率均明显降低,且前者的降低速率显著高于后者、均低于对照土壤N_2O排放速率;随着冻结土壤的融化,-10℃和-5℃培养土壤N_2O排放速率急剧增加,融化2h出现排放峰值,而后逐渐降低,但均高于对照样地,在冻结21d时,各处理高寒草甸土壤N_2O排放速率达到最低值。随着冻融交替循环次数从1次增加到12次,高寒草甸土壤N_2O排放速率明显增加,从最初的1.23±0.05g/(kg·h)增加到3.34±0.59g/(kg·h)。从第12次到第24次冻融循环时,高寒草甸土壤N_2O排放速率显著下降(P<0.05),降低幅度达到31.7%。土壤冻融过程会显著激发高寒草甸N_2O排放速率,有助于科学估算高寒草甸N_2O排放量。