河西边缘绿洲荒漠沙地开垦后土壤性状演变及土壤碳积累研究

【目的】土壤养分变化及碳积累过程是评价绿洲农田生态系统结构、功能和生产力演化的重要指标。本研究的目的是通过了解西北干旱区自然荒漠开垦为灌溉农田后该指标的变化,揭示干旱区新垦农田土壤发育及演变规律,为新垦沙地持续利用提供指导。【方法】选择河西走廊中段临泽边缘绿洲0—46年开垦时间序列的沙地农田,取样分析0—60 cm土壤剖面的物理、化学性状变化及碳积累特征,通过比较2008年与2014年的耕层土壤(0—20 cm)测定结果,分析近几年土壤性状的变化。【结果】耕层土壤砂粒含量随开垦利用年限的增加而逐渐降低,但显著的变化发生在开垦16年后的农田,且最近10年土壤粒级组成变化不明显;在沙地开垦后的最初20年,耕层土壤有机碳(SOC)及全氮含量呈线性增加,20年后增加趋势减缓。开垦46年后,SOC、全氮、碱解氮、速效磷含量分别增加了9.0倍、6.3倍、6.3倍和13.5倍,耕层土壤无机碳(SIC)含量增加了77.1%;速效钾随开垦年限的增加呈先降低而后增加的趋势。20—40 cm和40—60 cm土层SOC及氮、磷、钾养分含量随开垦年限延长而逐渐增加,但变化幅度小于耕层土壤。2008—2014年的6年间,不同开垦年限的同一地块耕层土壤粒级组成未发生变化,但SOC及氮、磷、钾养分有明显的积累。沙地开垦46年后0—60 cm土层SOC、SIC和全碳的年平均固存量分别为0.75、0.79和1.47 kg·hm-2·a-1;SOC的积累主要发生在0—20 cm耕作层,而SIC的积累在40—60 cm土层。荒漠沙地转变为灌溉农田后有巨大的碳固存潜力;土壤黏粉粒增加对SOC及养分的积累和保持起重要作用。【结论】沙地开垦为灌溉农田后,随利用年限的增加,土壤肥力显著改善,但开垦46年后土壤肥力仍处于较低水平。对新垦沙地农田,要实现土地可持续利用和生产力持续提高,须采取提升土壤肥力水平的农田管理措施。

生物炭施加垄沟集雨种植对水土流失及紫花苜蓿草产量的影响

为缓解我国黄土高原区干旱胁迫和控制水土流失,本研究采用裂区设计,生物炭施加模式(生物炭施加和无生物炭施加)为主区,耕作模式(打结垄、开敞垄和平作)为副区,研究不同生物炭施加模式和耕作模式对土壤水分、径流、泥沙流失、养分流失、紫花苜蓿(Medicago sativa L.)干草产量和水分利用效率的影响。试验结果表明,在2019和2020年紫花苜蓿生育期,与平作处理相比,开敞垄和打结垄处理的径流量、泥沙、全氮、全磷、有机质流失量分别减少20.1%~37.7%和60.1%~64.7%,54%~75.5%和77.1%~87.6%,44.4%~65.5%和49.0%~81.8%,36.7%~75.3%和48.6%~87.3%,48.2%~72.9%和58.6%~85.4%,土壤贮水量、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率分别增加39.5~52.1和31.2~60.5 mm,26.2%~31.7%和26.5%~35.2%,10.07~14.86和12.14~16.55 kg·hm^(-2)·mm^(-1)。与无生物炭施加处理相比,生物炭施加处理的径流量、泥沙、全氮、全磷和有机质流失量分别减少48%~69%,94%~125%,12%~24%,28%~46%和35%~48%,土壤贮水量、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率分别增加42.93~26.09 mm,106%~111%和1.96~6.90 kg·hm^(-2)·mm^(-1)。本研究表明,生物炭施加打结垄沟集雨种植是该区域适宜耕作模式。

荒漠绿洲湿地水分来源及植物水分利用策略

水分是干旱区不同景观界面间的水分循环过程与水力联系的主体,维持着干旱区湿地生态系统的结构与功能。为量化水分来源及其对植物水分的贡献率,以河岸灌木湿地和草地盐沼湿地为研究对象,通过测定降水、径流、地下水、土壤水和植物水中δD、δ^(18)O组成,利用多源线性混合模型分析水分来源对荒漠植物水分利用的贡献率。结果表明:(1)黑河流域荒漠绿洲湿地年均降水量104.6 mm,约占蒸散量(604.47 mm)的17.03%,具有明显的季节性分布特征。地下水位与土壤含水量的波动取决于河流距离,离河道较近的河岸灌木湿地地下水深度及土壤含水量随季节波动较小,而离河道较远的草地盐沼湿地则变化很大。(2)当地大气降水线δD=6.33δ^(18)O+4.04(R2=0.931),斜率和截距均略小于全球大气降水线则符合黑河流域湿地整体降水少而蒸散量大的特点。黑河径流δD和δ^(18)O均值分别为-43.80‰±12.09‰和-8.65‰±23.33‰,地下水为-50.98‰±13.18‰和-9.74‰±25.49‰,土壤水为-42.07‰±6.89‰和-7.22‰±2.49‰,植物水为-51.84‰±14.46‰和-8.50‰±24.13‰。(3)地表蒸发是荒漠绿洲湿地土壤氢、氧同位素富集的主要原因。地下水和河水分别是草地盐沼湿地与河岸灌木湿地的主要水分来源,贡献率分别约为61%和50%,表明湿地植物相比于干旱区脉冲式降水更依赖较为稳定的水源。(4)植物根系深度和毛细根分布是决定荒漠绿洲湿地植物水分利用策略的重要因素。

黑河中游土地利用/覆被变化及其对碳储量影响的预测

准确预测未来土地利用/覆盖变化及其对区域碳储量的影响对土地利用决策和气候变化研究具有重要意义。以黑河中游流域为研究对象,基于2000年和2012年两期土地利用解译数据,运用CA-Markov模型,并依据《IPCC 2006指南》提供的清单方法,在对研究区2024年土地利用变化特征进行预测分析的基础上评估了2000-2024年黑河中游土地利用/覆被变化对碳储量的影响。结果表明:2000-2012年,研究区耕地、建设用地、林地和草地面积呈增加趋势,未利用土地和水域面积呈减少趋势,土地利用/覆被变化导致碳储量增加3.22×10^6 t;预测2024年黑河中游土地利用变化同2012年相比,耕地、建设用地、林地占研究区比例分别增加3.18%、0.84%和0.77%,未利用土地、草地和水域占研究区比例分别减少3.32%、1.13%和0.33%;2012-2024年土地利用/覆被变化导致碳储量增加7.55×10^6 t,各土地利用类型变化导致碳储量变化更加明显,其中林地和耕地增加是碳储量增加的主要原因,建设用地增加是碳储量减少的主要原因。总体来看,2012-2024年耕地、建设用地、林地将继续呈增加趋势,未利用土地和水体将继续呈减少趋势;2012-2024年较2000-2012年土地利用变化导致碳储量增加4.33×10^6 t,固碳能力表现出较明显的提高。