东北典型黑土区坡耕地涝渍地土壤持水性和导水性研究

中国东北典型黑土区是我国重要的商品粮生产基地,对我国粮食安全和国民经济的稳定起到举足轻重的作用。作为土壤退化的一种特殊形式,涝渍地严重影响着垦区的农业生产。在东北典型黑土区坡面涝渍地及其周围正常耕地中布设采样点,测定了土壤剖面质地分布情况及土壤水分特征曲线,以揭示东北黑土区坡面涝渍地土壤水分过大的根本原因。结果表明,涝渍地土壤剖面中细质地土壤类型所占比例为90%,质地较粘重。涝渍地土壤具有较高的进气值,水吸力较大,保持在中小孔隙中的水分只有在较大吸力范围内才能缓慢释出,这造成涝渍地土壤具有极强的持水能力,不容易失水,再加上极弱的导水能力,水分饱和但不会被释放。以上这些土壤特性导致了涝渍地土壤长期处于湿度过大的状态。本研究结果可为涝渍地治理提供依据。

典型黑土区坡耕地土壤微生物群落数量的空间分布研究

选取土壤侵蚀较严重的黑龙江省宾县宾州河流域为研究区,通过采集流域上、中和下游6个典型坡面的坡上、坡中和坡下部土壤样品,分析了坡耕地土壤微生物群落数量在流域和坡面尺度上的分布规律,并比较了土壤微生物群落数量空间分布与土壤侵蚀空间分布的关系。结果表明,在流域尺度上,土壤微生物总数量和细菌数量均表现为:下游>中游>上游;土壤真菌数量表现为:上游>下游>中游;土壤放线菌数量表现为中游最大,而上游和下游数量相当。在坡面尺度上,土壤微生物总数量和细菌数量均呈现:坡中部<坡上部<坡下部,土壤真菌数量呈现:坡下部<坡中部<坡上部,土壤放线菌数量呈现:坡中部<坡下部<坡上部。研究表明,流域土壤微生物总数量和土壤细菌数量的空间分布皆与侵蚀—沉积速率的空间分布相对应,反映出侵蚀—沉积速率是影响该流域土壤微生物群落数量的主要因素。

黑土区农田氮磷淋溶消减措施

黑土是我国重要的土壤资源,承载了全国50%以上的玉米产量。但过量的化肥施入和不合理的农业管理造成黑土土壤氮磷大量残留,氮磷淋溶风险增强。相关研究表明,尽管黑土区旱地农田氮磷淋溶损失相对较低,肥料残留效应仍致使其潜在淋溶风险增强。因此,本研究综合分析了环境因子和农业管理措施对黑土区农田氮磷淋溶特征的影响规律,明确了黑土氮磷淋溶消减措施,并针对玉米农田和蔬菜地提出消减策略。具体结果如下:施肥和降水是影响黑土农田氮磷淋溶的重要因素,灌溉是影响蔬菜地氮磷淋溶的关键农田管理措施;按需施肥、有机无机配施、避免雨热同期追肥、节水灌溉、免耕秸秆覆盖、不同作物轮作和添加生物炭等均是适合于当地气候和土壤条件的氮磷淋溶阻控措施。建议玉米农田采用一次性基肥施入,有机肥占比50%~70%,采用免耕秸秆覆盖技术;蔬菜地在常规施肥和灌溉频次下分别降低20%的施肥量和灌溉量,推荐蔬菜秋季收获后秸秆粉碎深埋等管理措施。本研究明确了黑土区农田氮磷淋溶消减策略,有助于实现黑土区农业绿色可持续发展和绿色生态环境的构建。

东北典型黑土区坡耕地涝渍地土壤化学性状

中国东北典型黑土区是我国重要的商品粮生产基地,对我国粮食安全和国民经济的稳定起到举足轻重的作用。作为土壤退化的一种特殊形式,涝渍地严重影响着垦区的农业生产。在东北典型黑土区坡面涝渍地及其周围正常耕地中布设采样点,测定了土壤氧化还原性及相关指标,以揭示坡耕地涝渍土壤与其周围耕种土壤化学性质的差异,得出涝渍土壤所具有的特殊化学性状。结果表明:涝渍土壤与耕种土壤化学性质差异显著。涝渍土壤属于酸性土壤,pH值为5.53,显著低于耕种土壤,有机质含量较高,且越接近涝渍地中心土壤有机质含量越高。涝渍土壤Eh显著低于耕种土壤,空间变异范围较大,但还没有达到强度还原状态。涝渍土壤在长期淹水条件下,大量的Fe3+、一部分高价锰被迅速还原,与耕种土壤相比,涝渍土壤还原性物质总量较高,高出20倍多,亚铁含量高出12倍还多,二价锰含量高出约10倍。

东北黑土区农林混合利用坡面土壤水分空间异质性及主控因素

针对黑土区坡面尺度上土壤水分在土地利用结构(从坡顶到坡脚,即沿着坡长方向,不同土地利用类型的排列方式)、土地利用类型(农地和林地)及地形要素的协同作用下的空间分异规律及影响机制尚不清楚的现状,以黑龙江省黑土区的农林混合利用典型坡面(克山县)为研究对象,应用植被数量生态学中的冗余分析方法(RDA)分析0~20、20~40、40~60 cm土壤水分剖面变异特征、不同土地利用结构下(农地-农地-农地-农地-农地,农地-农地-林地-林地-农地,农地-农地-林地-林地-林地,林地-林地-农地-林地-农地)坡面土壤水分异质性及其与环境因子的定量关系。结果表明:研究区坡面土壤含水率介于5.77%~45.57%,农地土壤含水率显著高于林地(P<0.05),纵向上不同土地利用类型层间土壤含水率差异均不显著;土壤水分呈中等变异,纵向上农地各土层的变异系数(35.9%~39.6%)均高于林地(30.0%~36.5%),农林混合利用加强了土壤水分的空间变异程度;4种土地利用结构下,坡面土壤水分沿坡长方向呈不同的变化趋势,与土地利用镶嵌分布规律有关;冗余分析结果显示土地利用类型是影响黑土区坡面土壤水分异质性的主控因素,坡度次之,坡位和海拔高度对坡面土壤水分异质性也有影响。对于黑龙江黑土区坡面,需要结合土地利用结构配置等土地管理措施与不同的农业措施来防止坡面土壤侵蚀、提高东北区土壤肥力,实现经济效益、生态效益的协调统一。

松辽平原高产农田土壤孔性对冻结的响应及机理研究

为了进一步深入系统研究松辽平原玉米带黑土耕作区高产田(平面型)土壤质量的管理与评价提供理论支持和借鉴,并且对黑土资源的利用与保护、为粮食的丰产增收在土壤结构理论方面具有重要的现实意义,并且对黑土资源的利用与保护、为粮食的丰产增收在土壤结构理论方面的探索,以松辽平原玉米带耕作区高产田(平面型)与低产田(波浪型)0～20cm耕层土壤为研究对象采用田间季节性冻融过程与室内模拟冻融试验相结合的方法,研究松辽平原玉米带高产田土壤的结构性对冻结的响应,包括影响范围较深和程度,进一步阐明高产田土壤对冻结的响应机理。采用高产田与低产田对比的方法,在不同的冻结条件下,设置含水量接近5%、10%、15%、20%、25%;设置冻结频率0、2、4、6次进行室内模拟冻结实验。通过对容重、孔隙度、孔隙面积、Feret直径等指标的测定与分析,研究了不同冻结频率不同含水量,对高产田和低产田0～20cm耕层的土壤孔隙特征的影响。结果显示:冻融循环能够显著增加松辽平原玉米带高产田与低产田0～20cm耕层土壤孔隙的数目,高产田增加百分比为32.58%;低产田增加百分比为17.95%。显著降低了低产田0～20cm土层范围内Feret直径和土壤的平均孔隙面积以,Feret直径由冻结前的2.31mm降低到冻结后的1.92mm,降低百分比为16.88%,低产田土壤的平均孔隙面积由冻结前的8.91mm2降低到冻结后的4.65mm,降低百分率为47.81%(P<0.05)。除了土壤孔隙的成圆率外,冻融循环对高产田与低产田不同径级团聚体的孔隙数目、平均孔隙面积、平均Feret直径均有不同影响程度的差异(P<0.05)。高产田>5mm团聚体平均孔隙面积由冻结前的37.08mm2降低到冻结后的23.84mm,降低百分比为38.40%,变化差异显著(P<0.05),这是高产田与低产田相比特有的变化规律。而高产田其他粒级团聚体和低产田所有粒级团聚体的平均孔隙面积对冻结的响应不明显。高产田与低产田都有>5mm团聚体的孔隙成圆率变化显著,高产田由冻结前的0.36降低到0.27,变化百分比为25%;低产田由冻结前的0.25增加到冻结后的0.34,变化百分比为36%,差异显著(P<0.05),这两者的变化规律截然相反,也体现高产田大粒径团聚体孔隙成圆率对冻结的响应规律有别于低产田的特殊性,以上研究结论对系统研究松辽平原玉米带黑土耕作区高产田(平面型)土壤质量的管理与评价提供理论支持有一定的意义。

东北黑土区耕地资源遥感动态监测与驱动因素分析

土地利用变化是人类活动影响自然环境程度的重要反映。在遥感和GIS技术的支持下,分析了东北黑土区1986～2000年耕地资源变化特征与空间格局。结果表明,东北黑土区耕地比例为78.14%,耕地已成为该区的本底景观。1986～2000年期间,耕地和城镇工矿地面积在增加,林地、草地、未利用地和水域面积有所减少。在研究时段内,耕地开发占用林地和草地是造成本区土地利用变化的主要原因。同时,建设用地对耕地的占用达到84.81 km2,应引起足够的重视。东北黑土区耕地资源变化受自然因素(气温显著上升)和人文因素(人口增加、粮食需求和区域经济发展)的综合影响。

不同土地利用方式下典型黑土区土壤微生物群落演替规律

利用先进的分子生态学技术,针对中国科学院海伦农业生态试验站长期定位实验,研究了典型黑土区经过长期(32年)裸地、农田和草地三种土地利用后,土壤微生物区系的演替规律及其环境驱动机制。结果表明:与裸地相比,32年玉米-大豆-小麦轮作种植或自然草地恢复后,土壤有机质含量从52.07 g·kg^(–1)显著增加至54.83 g·kg^(–1)和61.54 g·kg^(–1),增幅分别为8.0%和27.5%,土壤氮磷钾养分有效性也显著增加。同时,每克干燥土壤中微生物丰度从2.25×10^(7)拷贝数增加至8.08×10^(7)拷贝数和1.69×10^(8)拷贝数,分别增加了2.58倍和6.51倍。裸地、农田和草地土壤的优势微生物菌门均为变形菌、酸杆菌和放线菌,其相对丰度均高于19%,且三者无显著差异(P>0.05)。然而,所有检测到的228个微生物属中,高达54个微生物属有显著差异(P<0.05),但绝大多数为相对丰度较低的微生物。分析表明土壤养分含量是微生物群落分异的主要环境驱动力,Granulicella微生物属可作为指示类群评估黑土环境的变化。上述研究结果表明,植被覆盖是土壤微生物群落演替的重要影响因素,未来应深入研究原位条件下黑土微生物的功能及其农业环境意义,为维系土壤养分元素循环和发展可持续农业生态管理模式提供理论参考。

黑土区垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果

[目的]分析黑土区不同垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果,为该区土壤侵蚀防治提供科学指导。[方法]在5°和10°坡耕地开展人工模拟降雨试验,降雨强度为50,100 mm/h,垄作方式包括:横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟,对照处理为传统顺坡垄作。[结果]试验条件下,与顺坡垄作处理相比,横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟处理均可有效调节径流、降低土壤侵蚀量,但不同垄作方式对径流和侵蚀的调控效果随着降雨强度和坡度的增加而减小。在5°坡耕地,横坡垄作方式对径流和侵蚀的调控效果最佳,产流率和土壤侵蚀速率分别稳定在15.0 mm/h和0.2 kg/(m^(2)·h)以下。在50,100 mm/h降雨强度下,与顺坡垄作处理相比,其径流量分别降低92.3%和83.9%,土壤侵蚀量分别降低96.8%和94.6%;而垄向区田方式对径流和侵蚀的调控效果略大于顺垄+底部横垄处理。在10°坡耕地,横坡垄作方式在降雨前期具有较好的蓄水保土作用,但在降雨后期垄体易损坏,造成土壤侵蚀量剧增;横垄+排水沟方式在降雨前期能够蓄水保土,在降雨后期能够较好地进行排水。[结论]在坡度平缓的坡耕地,应该优选横坡垄作和垄向区田方式;在坡度较大的坡耕地,应该优选横垄+排水沟方式。因此,建议根据地形坡度和降雨特征筛选适宜的垄作方式。

典型黑土区坡耕地土壤碱性磷酸酶和有机质空间分布研究

以东北黑土侵蚀严重区宾州河流域为研究区,通过采集流域上游、中游和下游6个典型坡面及各坡面不同坡位的土壤样品,分析坡耕地土壤碱性磷酸酶和土壤有机质在流域和坡面尺度的空间分布特征及其与土壤侵蚀的关系。结果表明,在流域尺度上,坡耕地土壤碱性磷酸酶活性和土壤有机质含量均表现为下游>中游>上游,坡面尺度上总体表现为坡面上部<坡面中部<坡面下部的趋势,且坡位对土壤有机质分布的影响较其对土壤碱性磷酸酶活性的影响更为明显。土壤碱性磷酸酶活性与土壤有机质间存在极显著的正相关关系。流域土壤碱性磷酸酶活性和有机质空间分布与土壤侵蚀空间分布相对应,反映出土壤侵蚀是影响该区耕层土壤碱性磷酸酶活性和土壤有机质含量的主要因素。

彰武县黑土区坡耕地治理措施效益分析

根据多年水土保持观测和田间观测的结果,分析计算彰武县黑土区坡耕地采取水平梯田、等高垄作和地埂植被3种水土保持措施后所获得的保水、保土和经济效益。结果表明,3种措施均具有较好的水土保持效果,其中以水平梯田效果最好,等高垄作和地埂植被带次之。

2000—2020年东北黑土地土壤侵蚀时空演化特征

【目的】东北黑土地是全国重要的商品粮基地,土壤侵蚀是造成土地退化和粮食产量下降的重要原因,已成为该地区不容忽视的问题。开展东北黑土地土壤侵蚀研究,对控制该地区水土流失、阻控黑土退化、保障国家粮食安全具有重要意义。【方法】本文基于RUSLE和RWEQ模型,对东北黑土区耕地2000—2020年水蚀和风蚀进行了模拟,分析了水蚀和风蚀的空间分布、时空演化特征以及受耕地变化的影响。【结果】(1)东北黑土区耕地水蚀和风蚀程度均以微度侵蚀为主,水蚀是主要侵蚀类型。长白山和辽河平原水蚀较为严重,而辽河平原、大兴安岭和松嫩平原风蚀较为严重。(2)东北黑土区耕地20年来水蚀总体呈现减缓趋势,辽河平原水蚀缓解较为明显。水蚀在前后两个10年表现为先增后减的趋势,水蚀状况得到一定程度的缓解。(3)东北黑土区耕地20年来风蚀整体呈现减缓趋势,辽河平原和风蚀区的黑土地风蚀减少较为明显,风蚀年际变化趋势在前后两个10年表现为先大幅减少、后小幅增加。(4)东北黑土区20年来耕地变化对水蚀和风蚀变化影响明显。退耕、开垦地区水蚀有所缓解,水旱田转换地区水蚀加重;退耕和城镇扩张对缓解风蚀有积极作用。前10年耕地变化对水蚀和风蚀变化的影响比后10年更明显。【结论】土壤侵蚀是气候、地形、土壤、人类活动等多因素共同作用的结果,本文可为东北黑土区耕地土壤侵蚀防治和管理提供科学依据,建议在辽河平原、大兴安岭等土壤水蚀和风蚀侵蚀严重的区域,可以针对该地区土壤侵蚀特点,相应地采取免耕、横坡垄作、秸秆覆盖等措施,有效减缓土壤侵蚀。

黑土区城郊耕地重金属污染空间扩散机制

城郊复杂环境条件下的耕地土壤重金属污染空间扩散机制是落实土壤污染源头防控和保障黑土地质量安全的基础.针对以往溯源研究中污染源头难定位和扩散趋势不明确等问题,以长春市城郊地区为例,以耕地土壤As、Pb、Hg和Cd元素为研究对象,采用近邻传播(AP)算法和空间自回归的扩散格局-驱动因素组合分析法尝试揭示黑土区城郊耕地重金属污染空间扩散机制.结果表明,ω(As)和ω(Cd)均值分别为39.35mg·kg^(-1)和0.183 mg·kg^(-1),累积水平较高.内梅罗指数显示研究区有52.38%的耕地已出现轻度污染.AP算法识别出As存在3个影响幅度相似的潜在污染源地,均位于远离城市的典型农耕区;Pb元素的2个潜在污染源地集中分布于范家屯镇附近的工业区;Hg和Cd元素的扩散格局复杂,尤其是Cd元素,呈现多地并发的污染扩散特征.空间滞后模型表明,As元素的空间扩散格局和农药施用强度有关;Cd元素主要受土壤类型和设施农业布局的制约;Pb元素受区域城镇化和工业化发展的影响;Hg元素和区域污染迁移条件相关.污染调蓄功能未对4种元素的空间扩散格局产生显著影响.研究丰富了耕地重金属污染的空间分析理论和方法,对落实城郊黑土地的污染源头防控具有科学意义.

土地利用方式对土壤细菌、泉古菌和氨氧化古菌丰度的影响

为评价微生物主要类群在土壤生态系统中的作用,本文以长期定位试验为研究平台,选取草地、农田(大豆、玉米和小麦)和裸地试验5个处理,采用实时荧光定量PCR技术,研究了黑土中细菌、泉古菌和氨氧化古菌(AOA)的丰度变化。结果表明:草地细菌、泉古菌和AOA的丰度显著高于农田和裸地。而农田土壤不同作物对细菌、泉古菌和AOA丰度影响不显著。草地土壤的细菌丰度比裸地、大豆、玉米和小麦分别增加了62.7%、29.0%、41.1%和18.8%,泉古菌的丰度分别增加了34.4%、30.7%、37.6%和33.7%,AOA的丰度增加了28.6%、42.6%、44.4%和53.6%。土壤细菌丰度与土壤pH值和有机碳含量均呈正相关(r=0.935,P<0.01;r=0.887,P<0.05);泉古菌的丰度与土壤pH值亦显著正相关(r=0.845,P<0.05);而土壤AOA的丰度与土壤pH值和有机碳含量相关性不显著。

农田黑土季节性冻融过程及其水分分布特征

秋冬、冬春季节转换过程中0~10 cm农田黑土温度日较差较大,土壤经历着反复的冻融交替过程,大于20 cm的土壤温度日较差逐渐减小,冻融作用对深层土壤的影响逐渐减弱。融冻期土壤融化过程是由地表向下和由季节冻结层底面向上两个方向同时进行;而冻融期土壤冻结过程由土壤表面向下单方向进行。冻融过程中土壤水分发生迁移而重新分布,冻结期上层土壤首先冻结并聚集水分;融化期冻层融化水分向冻结锋面迁移,越靠近冻结层水分含量越大。