太行山前平原农田生态系统氮素循环与平衡研究

在中国科学院栾城生态农业试验站1公顷小麦—玉米轮作农田,运用乙炔抑制—原状土柱培育法、微气象学法和陶土头多孔杯—水量平衡法分别定量测定了氮素硝化—反硝化损失、氨挥发、NO3--N淋溶损失等氮素循环转化途径。研究结果表明,每年因氨挥发而造成的肥料氮损失量为N 60 kg/hm2,占施入肥料氮的15%;NO3--N淋溶损失量为N 68~4 kg/hm2,占肥料施用量的1.4%2~0.3%;每年因硝化—反硝化过程造成的肥料损失量为N 2.021~0.49 kg/hm2,占肥料施入量的0.51%1~.37%。氨挥发、NO3--N淋溶和硝化—反硝化损失主要发生在施肥灌溉/降雨之后,玉米季肥料损失明显高于小麦生长季节。氨挥发和NO3--N淋溶损失是本区域农田氮素损失的主要途径,是氮肥利用率低的重要原因。在当地农民所采用的常规农业管理措施下,小麦—玉米轮作农田氮素平衡处于盈余状态,小麦季盈余N+115.5^+124.5 kg/hm2,明显高于玉米季;由于玉米季氮素损失严重,氮素盈余较少,甚至出现亏缺,玉米季氮素平衡状况为-54.6^+14.3 kg/hm2。

农田土壤主要温室气体(CO_2、CH_4、N_2O)的源/汇强度及其温室效应研究进展

气候变化是当今全球面临的重大挑战,人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因。大气中CO2、CH4和N2O是最重要的温室气体,对温室效应的贡献率占了近80%。据估计,大气中每年有5%～20%的CO2、15%～30%的CH4、80%～90%的N2O来源于土壤,而农田土壤是温室气体的重要排放源。本文重点阐述了农田土壤温室气体产生、排放或吸收机理及其影响因素,指出土地利用方式和农业生产力水平等人为控制因素通过影响土壤和作物生长条件来影响农田土壤温室气体产生与排放或吸收。所以,我们可以从人类活动对农田生态系统的影响着手,通过改善农业生产方式和作物生长条件来探索温室气体减排措施,达到固碳/氮增汇的目的。对国内外关于农田温室气体排放的源/汇强度及其综合温室效应评估的最新研究进展进行了综述,指出正确估算与评价农田土壤温室气体的源/汇强度及其对大气中主要温室气体浓度变化的贡献,有助于为温室气体减排以及减少气候变化预测的不确定性提供理论依据。

华北太行山前平原农田土壤水分动态与氮素的淋溶损失

通过采集土壤溶液并分析其硝态氮（NO3^--N）含量，结合水量平衡方法，研究了华北太行山前平原小麦-玉米轮作农田在当前农民普遍采用的农业管理措施下土壤NO3^--N迁移、累积特征，计算了深层土壤水分渗漏与NO3^--N淋溶损失量。结果表明，土壤水分渗漏、NO3^--N的分布及其淋溶损失存在着明显的时空变异性，土壤水分的深层渗漏和NO3^--N的淋溶损失发生在玉米生长期间施肥灌水或降雨之后。在1998／1999和1999／2000两个作物轮作年中，土壤水分的深层渗漏损失分别为33～48mm（平均39mm）和90～92mm（平均90.7mm），分别占降水＋灌溉总量的10％和19％；淋溶到根区之下的NO3^--N量（包括来自土壤和肥料的N）分别为N12kg hm^-2（范围N6～17kg hm^-2）和N61 kg hm^-2（范围N30～84kg hm^-2），分别占施入肥料量的1．4％～4．1％和7．3％～20．3％。在玉米生长期间有较大潜力可调控灌溉与肥料用量，以提高水肥利用效率。

华北山前平原农田土壤肥力演变与养分管理对策

通过对2000年、2008年栾城县农田土壤养分与1979年土壤普查资料的比较,分析了养分肥力指标的变化程度,研究了30年间该县农田土壤养分演变趋势及其原因,提出了养分资源管理的相应对策。研究结果表明,2008年土壤肥力状况较2000年和1979年发生了明显变化,土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量均有显著提高(P<0.01),碱解氮含量增加尤为显著。土壤碱解氮平均含量由1979年的56.7 mg.kg-1增加到2000年的80.0 mg.kg-1和2008年的109.1 mg.kg-1,1979-2000年间土壤碱解氮以每年1.1 mg.kg-1的平均速度增长,年均增长率1.9%,增幅41.1%;进入21世纪后,增长速度明显加快,2000-2008年间以每年3.6 mg.kg-1的平均速度增长,年均增长率4.5%,增幅为36.4%。土壤有机质由1979年的11.6 g.kg-1增加到2008年的18.8 g.kg-1,平均每年以0.24 g.kg-1的速度增长,年均增长率为2.1%,增幅为62.1%。30年间土壤有效磷含量由17.5 mg.kg-1增加到24.7 mg.kg-1,增加幅度为41.1%。由于受到"北方石灰性土壤不缺钾"的观点影响,20世纪该区域农民很少施用钾肥,1979-2000年间土壤速效钾含量呈下降趋势,由140.6 mg.kg-1下降到111.4 mg.kg-1,下降幅度20.8%;进入21世纪,由于秸秆还田措施的实施和含钾肥料的施用,至2008年全县土壤速效钾平均含量又回升到149.5 mg.kg-1。栾城县农田土壤肥力水平较高,生产潜力大,该区域农田养分管理应以氮素的精确管理为核心,以实现作物持续高产稳产与环境保护相协调为目标,氮肥管理推行实时诊断与推荐施肥技术,磷钾肥实施恒量监控储备施用技术,推广秸秆直接还田,实行有机无机相结合的培肥措施。

不同深度土壤水分对黄淮海封丘地区小麦的贡献

作物水源是土壤—植物—大气连续体(Soil Plant Atmosphere Continuum,SPAC)中水分循环及节水农业的重要研究方面。传统方法很难确定不同水源对作物的贡献。本研究通过封丘地区冬小麦田间试验和稳定性氢氧同位素技术,建立了线性混合模型和δD-δ18O曲线的耦合模型,并采用该耦合模型计算了各水源对各生育期冬小麦的贡献。结果表明:各水源对冬小麦的贡献随着生育期的变化而变化。分蘖、返青和拔节期冬小麦的主要水源为表层土壤水,且对各层土壤水分的利用随着深度的增加而减少;在孕穗期,冬小麦对80 cm处土壤水利用最多;开花期80和180 cm处土壤水是冬小麦的重要水源;乳熟期40和80 cm土壤水分分别贡献了47.5%和39.5%。地下水在孕穗期和开花期对冬小麦的贡献较大,分别为9.0%和16.4%。

水肥耦合对华北高产农区小麦-玉米产量和土壤硝态氮淋失风险的影响

在封丘农田生态系统国家试验站,通过多组水肥组合试验,研究了冬小麦-夏玉米轮作下,水、肥对作物产量、硝态氮在土壤剖面中的分布特征及其淋失风险的影响。结果表明,适宜灌溉情况下,氮磷配施是提高作物产量的关键,氮钾配施与磷钾配施增产效果不明显。统计结果表明,各因素对小麦产量影响次序依次为氮肥≥磷肥>灌溉>钾肥,对玉米产量的影响次序为氮肥>磷肥>钾肥>灌溉,只有氮磷对作物产量的影响达到统计学上的显著性差异。随着施氮量和灌溉量的增加,硝态氮累积峰峰值增加,峰厚度加厚,出现位置加深,且根区外硝态氮含量亦显著增加,极大地提高了硝态氮的淋失风险。适宜氮肥用量与适宜灌溉是减轻硝态氮淋失风险的关键,氮磷配施可有效降低深层土壤硝态氮累积。研究区域适宜氮肥用量为每年400 kg(N).hm-2,适宜磷肥用量为每年225 kg(P2O5).hm-2,一般降雨年型全年灌溉量以280 mm左右为宜。

高温高压间歇灭菌对中国典型土壤性质的影响

以中国8种典型土壤（砂质潮土、壤质潮土、黄泥土、乌栅土、红壤、红黏土、赤红壤和砖红壤）为代表,首先比较土壤高温高压间歇灭菌前后细菌、真菌、放线菌的数量,以评估灭菌效果,其次评价灭菌前后主要土壤性质的变化,包括土壤有机质（OM）、比表面积（SSA）、pH、阳离子交换量（CEC）、游离铁铝氧化物（Fed、Ald）、电荷零点（ZPC）。结果表明,该方法可以达到理想的灭菌效果,对部分理化性质则会造成一定的影响。除砂质潮土和红壤高温高压灭菌后OM含量显著增加外,其他6种土壤的OM含量受该灭菌方法的影响不大;酸性和有机质含量高的土壤,pH受高温高压灭菌影响较大,而碱性和有机质含量低的土壤则影响不大;所有供试土壤的SSA均显著降低,而CEC和Fed,Ald没有显著变化;4种可变电荷土壤中,红黏土、赤红壤和砖红壤的电荷零点（ZPC）没有变化,而红壤的ZPC则显著降低,且未出现于本研究测定的pH范围内（pH2.5-8）。由于土壤是一个复杂的多物质体系,受高温高压灭菌导致其性质变化还有待进一步的研究。

土壤入渗特性的空间变异规律及其变异源

以封丘地区典型的4种土地利用类型(传统耕作地、免耕地、金银花地和杨树林地)为例,系统研究了不同土地利用方式下土壤入渗特性的空间变异强度、空间变异结构及其主要变异源。结果表明,频繁的耕作会降低土壤异质性,弱化土壤特性空间变异结构,扰动较小的免耕地和金银花地的土壤入渗特性则具有相对明显的空间变异结构,扰动最小的杨树林地土壤的入渗特性具有最为明显的空间变异结构和最小的变程。容重、有机质含量和初始含水量是耕作地入渗的最主要变异源,初始含水量则是金银花地入渗的唯一显著性变异源;杨树林地入渗变异的主要变异源是有机质和初始含水量;影响免耕地入渗特性变异的变异源并不显著。在有些情况下,水温也可能成为入渗特性空间变异研究的重要干扰因素。

不同施肥水平及玉米种植对土壤微生物生物量碳氮的影响

以裸地（不种植作物）和玉米种植的田间小区试验为平台，研究不同施肥水平及玉米种植对土壤微生物生物量碳氦的影响。结果表明，当不施肥时，土壤微生物生物量碳氮含量裸地平均值分别为175．98mg/kg和26．04mg／kg，种植玉米小区的平均值分别为161.65mg/kg和22.70mg／kg，土壤微生物生物量碳氮低于裸地；而施肥时，裸地的土壤微生物生物量碳氦平均值的变化范围分别为182．27—206．27mg／kg和27．41～31．22mg／kg，种植玉米小区的变化范围分别为194．70～235．58mg／kg和35．76—44．66mg／kg，土壤微生物生物量碳氮高于裸地，可见土壤碳氮的平衡对于土壤微生物生物量碳氮极为重要。裸地和玉米种植小区土壤微生物生物量碳氮均随着施肥量的增加呈现出先增加后降低的趋势，其施氮水平拐点分别为70kg／hm2和150kg／hm2，表明施肥水平对土壤微生物生物量碳氮具有显著影响。另外，玉米各生育期间土壤微生物生物量碳氯也存在着显著差异，其中，土壤微生物生物量碳氮含量在拔节期处于最低。变动范围分别为154．46—229．09mg／kg和18．84—31．44mg／kg；抽雄期处于最高，变动范围分别为171．71～242．48mg／kg和30．01～50．54mg／kg。

激发式秸秆深还对土壤养分和冬小麦产量的影响

针对目前黄淮海平原潮土区普遍实施的覆盖式秸秆还田所存在的主要问题,本研究提出了基于氮肥激发的秸秆深埋还田技术,并通过连续4年(2011—2014)的大田定位试验进行检验。系统比较了秸秆移除、秸秆覆盖还田、激发式秸秆深还(秸秆与无机氮肥或有机氮肥配施进行深埋,并于行间种植作物)的3种秸秆还田方式对土壤养分和冬小麦产量的影响。结果表明:激发式秸秆深还在各项土壤养分指标和冬小麦产量方面均有显著优势,该处理能够显著增加土壤有机质、微生物生物量碳、微生物生物量氮、土壤全氮和土壤硝态氮含量,并显著提升冬小麦产量。其中无机氮肥激发秸秆深还处理能显著增加土壤硝态氮含量和冬小麦有效穗数,从而显著提升冬小麦产量。而有机氮肥激发的秸秆深还处理主要通过提升土壤有机质,增加冬小麦千粒重来增加产量。所有处理中16%无机氮肥激发的秸秆深还冬小麦产量最高。

基于GIS的黄淮海平原典型潮土区土壤重金属积累研究

以黄淮海平原典型潮土区——河南省封丘县为例,基于GIS数据统计分析方法和地统计学空间插值方法,其目的是为了:(1)明确土壤重金属Cr、Hg、As、Cu、Zn的当前含量水平及其历史变化趋势;(2)通过与潮土自然背景值(背景值)、国家土壤环境质量标准一级标准(一级标准)和绿色食品产地环境质量标准(绿色标准)的比较,阐明各重金属元素符合不同标准的土壤面积及其空间分布;(3)在上述研究基础上采用内梅罗综合指数法定量评价基于一级标准的土壤重金属综合环境质量及其县域分布。结果表明,5种重金属含量平均值除Hg与背景值相当外,其余均略高于背景值而远低于一级标准,除As外,土壤Cr、Hg、Cu、Zn含量均有随年限增加的趋势;占全县土壤总面积98%以上的Cr、As、Zn含量,100%的Hg含量,91%以上的Cu含量符合一级标准,超过99%以上的土壤符合绿色标准;基于一级标准的内梅罗综合指数进一步表明封丘地区土壤综合环境质量良好,仅有不足3%的土壤受到轻度污染。表明就重金属污染角度,当前状况下的封丘土壤适宜种植各类农作物,但个别超过绿色标准的地点应引起重视并及时采取防治措施。

土壤对病毒的吸附行为及其在环境净化中的作用

病毒在土壤上的吸附行为在很大程度上决定着其对饮用水的污染威胁。通过一次平衡法实验,比较研究噬菌体MS2和X174在6种不同性质土壤上的吸附行为的差别,同时阐述土壤中本身存在的微生物对土壤吸附行为的影响。总体趋势为土壤对X174的吸附能力高于对MS2的吸附能力;红黏土对病毒的吸附能力最强,而沙质潮土最弱;土壤中本身存在的微生物对土壤吸附病毒的影响依不同类型的土壤和病毒而异,除了红黏土外,灭菌土壤显著增加其对MS2的吸附;但对X174来说,灭菌后显著降低其在红黏土上的吸附,其他5种土壤的灭菌处理对X174的吸附行为没有显著影响。说明红黏土或与红黏土类似性质的材料在净化被病毒污染的水域时可能是一比较理想的病毒吸附剂;而在沙质潮土地区,病毒通过被土壤吸附而达到过滤净化的可能性则比较小。土壤中可能存在某一种或一类特殊微生物,它们可能可以控制病毒在土壤中的吸附行为,因而进一步研究其机理十分必要。

确定Brooks-Corey土壤水力特性模型参数的垂直入渗方法

在水平入渗方法的基础上,提出了一种不需测定饱和导水率,仅利用一维垂直入渗试验即可确定Brooks-Co-rey模型参数的新方法。利用封丘县两种质地土壤的入渗资料,对所提出的方法进行了检验。结果表明,只要入渗历时足够长,基质势和重力势作用相当,垂直入渗方法确定的土壤水力参数与水平吸渗方法的预测结果相近;利用预测的参数,数值解和提出的近似解均能很好模拟土壤水分入渗过程。相对于水平吸渗方法和反推参数法,垂直入渗方法省时省力,且能避免数值弥散和参数不唯一问题。

土壤水吸力空间分布规律的时间稳定性研究

该文分析了潘店乡(PDV,32 km2)和封丘站(FQS,0.05 km2)两个尺度下的土壤水吸力的时间稳定性,潘店乡布设39个测点,封丘站布设44个测点。每个测点埋设两根张力计,深度分别为20 cm和40 cm。PDV于2004年3月至5月共测定19次;FQS于2004年3月至7月共测定27次。研究结果表明:在这两个尺度下土壤水吸力都具有一定的时间稳定性,FQS明显优于PDV。灌溉对时间稳定性影响很大,土壤水吸力的稳定性在干湿交替时最差。PDV土壤水吸力的时间稳定性只在一个灌溉周期内存在,而FQS的时间稳定性可在整个灌溉周期、不同作物条件下持续。

砂壤土中目标物的GPR图像解译及土壤含水量反演

通过砂壤土人工土槽试验,对探地雷达技术在土壤剖面特征探测和土壤含水量测定方面的应用展开了研究。结果表明:通过对雷达图像的合理处理和解译,可以很好地获取土壤中异常体的位置特征信息;分析雷达波在土壤中传播速度的变化,明确基于探地雷达的土壤剖面平均含水量测定方法的适用性和准确性。为探地雷达技术在土壤学领域的应用提供了依据。

前期土壤含水量对水文模拟不确定性影响分析

前期土壤含水量是影响洪水形成的重要流域物理因素,在该次水文模拟中土壤初始含水量采用新安江日模型计算得出.研究中,通过改变日模型模拟的时间长度TP,来研究初始时刻土壤含水量的变化对洪水模拟精度的影响.结果表明:初始土壤含水量对于洪水模拟的精度有显著影响,不同日模型计算时间可以使次洪初始土壤蓄水量W的变化达到42%,而相应的洪峰偏差达到57.7%.土壤和降雨观测数据分析显示,土壤体积含水量与前期累积降雨量有一定地相关关系.为有效解决传统模型与流域真实物理属性数据的融合问题,初步建立了实测土壤体积含水量数据与模型中土壤湿度参数及前期降雨的经验关系.

不同施肥长期定位试验地夏玉米冠层光谱特征研究

以黄淮海地区典型冬小麦-夏玉米轮作区的长期定位施肥试验为研究对象,筛选对氮、磷、钾三种营养元素及产量最敏感的波段和生育期,为监测不同时期作物营养胁迫情况和估产提供依据。系统分析了氮、磷、钾单一养分缺乏和两种或两种以上营养元素同时缺乏时典型生育期夏玉米冠层反射光谱特征、收获后秸秆和子粒氮、磷、钾及产量的变化规律。结果表明,缺素使冠层光谱反射率在可见光波段增加,在近红外波段降低。作物秸秆、子粒含氮量和含钾量及产量与可见光波段反射率呈负相关,与近红外区域7601~300 nm反射率呈正相关;秸秆含磷量与各反射率的相关性不明显,子粒含磷量与冠层光谱之间无明显规律。整体上,560和810 nm分别为收获期作物含氮量在可见光和近红外两个区域的敏感波段,开花期为夏玉米氮素诊断的敏感时期;夏玉米钾素在可见光和近红外区域的敏感波段分别为680和810 nm,拔节期为诊断钾素的敏感时期。整个生育期各单波段反射率与产量均呈极显著相关关系,拔节期关系最密切。说明在明确主导养分限制的前提下,利用作物冠层光谱来监测氮素和钾素的丰缺以及准确估产是可行的。

不同提取方法对土壤中病毒回收率的比较

以MS2和ФX174作为指示病毒，系统比较了4种不同提取方法对4种不同性质土壤中的病毒回收率。最终选择含有0．04molL^-1焦磷酸钠的3％牛肉浸膏（pH9．4）作为最有效提取剂；提取剂与含有病毒的土壤充分混合后，离心前调节pH7．2-7．4，然后测上清液病毒含量为最优操作步骤。该提取方法在红壤土、红黏土、潮土上的回收率达到62．9％～97．7％，但在黄泥土上的回收率为30％左右，这可能与黄泥土较高的无定形Fe、Al氧化物含量有关。病毒类型对回收率结果没有显著影响。因此，该方法为研究病毒在我国大部分土壤上的去向和行为提供了平台。

区域土壤水分监测点布设方式探讨

试验在面积为32 km2的封丘潘店乡进行,共布设39个测点,采用烘干法测定土壤含水率来确定合理监测点,通过19次土壤水吸力的监测数据分析得到时间稳定点,并与传统均匀布点进行比较。结果表明,采用时间稳定点作为土壤水吸力的监测点,无论对于研究区平均土壤水吸力值的表征,还是对于其它未布设监测点区域土壤水吸力状况的预测,误差均小于传统的均匀布点方式。为今后墒情监测网的布设提供了一定的参考依据。

无机氮和葡萄糖添加对土壤微生物生物量和活性的影响

以黄淮海平原潮土为研究对象,通过室内恒温恒湿培养方法,比较研究了土壤中纤维素是否存在时,外源无机氮和葡萄糖添加对土壤微生物生物量及其活性的影响变化。实验设8个处理,包括不加任何物质的对照(CK)、添加无机氮(N)、葡萄糖(G)、纤维素(C)处理及葡萄糖和无机氮同时添加(G+N)处理,以及在纤维素存在基础上添加无机氮(C+N)、葡萄糖(C+G)、葡萄糖和无机氮同时添加(C+G+N)处理。在33天培养时间内,分别在不同的时间间隔内测定了土壤CO2累积释放量、微生物生物量碳(Cmic)、及脱氢酶(DHD)、β-葡萄糖苷酶(GLU)、过氧化氢酶(CAT)、碱性磷酸酶(APH)活性。结果表明,所有测定的微生物性质在CK与C处理间均没有显著性差异。与CK和C处理相比,其他所有处理的土壤CO2累积释放量均显著增加,其中C+G+N处理达最大值;G、G+N、C+G、C+G+N处理的土壤Cmic含量及DHD和APH活性显著提升,尤其在培养的前14天,而N和C+N处理则与CK处理相似,表示添加葡萄糖可显著增加上述处理生物活性水平,而添加无机氮则不能。添加无机氮和葡萄糖对GLU和CAT的影响不明显,大部分情况下它们在处理间没有表现出显著性差异。相关性分析表明,CO2释放速率始终与APH活性成显著正相关,但与Cmic和其他酶活性之间的相关关系则随着培养时间的不同而发生变化,这可能与不同培养时间的微生物组成或微生物利用底物的模式发生改变有关。聚类分析结果进一步表明,8个处理的土壤微生物活性水平可明显分成3组,其中活性水平最高的组只包含C+G+N处理,该结果提示在难分解纤维素存在时,无机氮和易利用有机碳的同时添加对提升土壤微生物活性的重要性。