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。

土壤水分时间稳定性研究进展

土壤水分是陆地生态系统中不可或缺的组成部分,在地表水文过程中起着关键作用,连接着一系列的水文、生态、气候和地质学过程,是陆地生态系统健康运行的关键。以土壤水分时间稳定性概念为主线,从时间稳定性概念、研究方法、应用和影响因素等方面,系统阐述了土壤水分时间稳定性近年来的研究进展,探讨了代表性测点的选取标准以及土壤水分时间稳定性的影响因素。结合目前的研究进展,提出了未来的研究重点:加强多因素综合作用对土壤水分时间稳定性的研究;结合"3S"技术、计算机模拟和野外实测来研究时间稳定性的尺度问题;如何高效选择代表性测点;探讨时间稳定性概念在植被恢复区和气候敏感区的研究与应用。

干旱区山地森林生态水文研究进展

在全球气候变化背景下,干旱区山地森林及其与水的关系和水文功能表现出较强的敏感性,引起了学术界和管理部门的高度关注。从森林空间格局、生态水文过程及其对气候变化的响应等方面,系统阐述了干旱区山地森林生态水文的研究进展,辨析了森林斑块格局的形成与稳定机理、森林与流域产水量的关系以及森林生态水文对气候变化的响应。此外,结合目前的研究进展,提出了未来的研究重点:加强植被格局与水文过程的耦合研究;借助遥感技术和模型解决尺度问题;提升森林水文功能的认识水平;确定兼顾水文和其他生态效应的适宜森林规模。

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。

冬灌对冻融期干旱区荒漠绿洲农田土壤水热状况的影响

冬灌可显著改善土壤水热状况,对缓解"春旱"和促进农作物生长发育具有积极的影响。文章通过探究冻融期干旱荒漠区不同开垦年限的农田土壤水热变化特征,揭示冬灌对土壤水热变化及农田水量平衡的影响,为荒漠绿洲农田水分管理提供理论借鉴。研究选取了黑河中游荒漠绿洲过渡带新垦绿洲农田土壤和老绿洲农田土壤(灌耕风沙土和灌耕灰棕漠土),利用土壤温湿度监测仪(ECH_2O)测定的土壤含水量和土壤温度及模拟土柱测定的渗漏损失量,分析了冻融期土壤水热动态变化过程及冬灌对深层渗漏损失的影响。结果表明:老绿洲农田消融历时(26 d)显著长于新垦绿洲农田(12 d),新垦绿洲农田消融历时短不利于春季土壤水分的保持;且翌年土壤完全融化后,新垦绿洲农田浅层(0～40 cm)贮水量低于老绿洲农田;此外,160 mm的冬灌事件导致新垦绿洲农田深层渗漏量为老绿洲农田的4.1倍。新垦绿洲农田需考虑补充灌溉以保证春播作物正常出苗,老绿洲农田"蓄水保墒"生态效应优于新垦绿洲农田。因此,在干旱区荒漠绿洲过渡带农田水分管理中,需综合考虑深层渗漏和"冻后聚墒"效应,针对土壤质地差异实施动态的冬灌策略以保证灌溉水资源优化利用。

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。