旱区连作砂田土壤质量和土地生产力演变与调控研究进展

砾石覆盖在改变旱区水文循环和物质转化方面有着至关重要的作用。然而,长期连作给砂田土壤质量及土地生产力带来危机和不确定性。以连作砂田为研究对象,归纳总结了连作年限对砂层质地结构、土壤物理结构、土壤水盐热效应、土壤养分状况、土壤酶活性、土壤微生物特性、作物生长发育以及产量品质的影响效应和可能机制,发现砂田土壤生态环境和土地生产力在人类活动及自然侵蚀的扰动和破坏下整体呈现退化态势,但对不同覆盖条件、施肥水平和种植结构等农田管理措施的响应过程表现出差异性。继而,基于土壤质量和土地生产力的协同和互作效应深入揭示了砂田性能逐年退化机理,并简述了生物、农业及工程调控措施在砂田退化阻控和修复方面的应用进展。在此基础上,提出了砂田退化进程中急需解决的关键科学问题和未来发展方向,主要包括土壤质量演变的基本过程及其发生机制、“砾石-土壤-微生物-植物”系统的叠加和互作效应及其分子机理、土壤改良与生物防治措施的定量化及其调控机制三个方面。在气候变化、植被演替和土地退化背景下,废弃风化砾石的劣化增肥机制及其环境效应将是今后研究的重点。

宁夏北部引黄灌区玉米生长季气候变化及其对气候产量影响

【目的】为明确气候变化对宁夏北部引黄灌区玉米产量的影响,合理有效利用气候资源提供科学依据,保障粮食安全。【方法】选取1961—2020年气象站点数据和产量数据,结合气候倾向率,M—K趋势分析,自回归分布滞后(ARDL)模型等数理统计方法,分析玉米生长季气候变化特征,研究了引黄灌区玉米生长季各气候要素与玉米产量的关系。【结果】1)各个区域最高温、最低温、平均温均呈现明显上升趋势。除陶乐呈下降趋势外,其他地区大气压均呈升高趋势。风速和日照时数大致呈现西南高东北低。各地区降雨量变化趋势均不显著,除中宁、惠农呈减少趋势外,大部分地区降雨量呈升高趋势。各地区的相对湿度均呈显著下降趋势。2)引黄灌区各个市(县)玉米单产总体均呈上升趋势,用5年滑动平均法拟合出的趋势产量能较好地反映出引黄灌区各市(县)玉米产量增长特征,从而进一步反映因生产力和国家政策变化等因素引起的实际产量变化情况。在空间分布上,产量中心虽有部分年份出现南移现象,但整体仍保持向东北方向移动的趋势。3)最高温、最低温、平均温、相对湿度是影响引黄灌区玉米产量的重要因素,风速次之。【结论】宁夏北部引黄灌区各气象因素对不同地区玉米产量的影响效应有正有负,程度也各不相同,因此,应根据当地实际情况,制定科学的增产对策,以达到增产目的。

砾石覆盖下的农田土壤环境效应:研究进展与展望

砾石覆盖是旱区特有的一种保护性耕作模式。长期的农业生产实践已经证明,地表覆砂能够很好地适应旱区严酷、恶劣的自然环境,并为当地农业发展和效益提升带来极大助力。然而,砾石覆盖农田退化所带来的一系列负面效应愈加凸显,成为当地农业发展的障碍因子。文章以砾石覆盖的土壤环境效应为脉络,归纳总结了砾石覆盖对土壤水热环境、土壤盐分、土壤有机质、土壤微生物和酶活性,以及水土保持等方面的影响效应和相关机制。同时,进一步指明旱区砂田当前所面临的问题与挑战,并提出该领域未来可持续深化和拓展的方向,主要包括:(1)砾石覆盖农田退化过程中土壤环境的综合演变机制;(2)“砾石-土壤-作物”系统间的协同作用机制;(3)应对砂田退化的农业修复模式及可持续发展路径;(4)砾石覆盖对局部区域气候的影响机制。

冻融干湿循环条件下粒径及盐分对土壤粗颗粒风化速率的影响

【目的】探究冻融干湿循环条件下,土壤粒径及盐分对土壤粗颗粒风化速率的影响。【方法】以土壤粗颗粒(灰绿板岩)为研究对象,设置粒径(10、20、30mm)、盐分浓度(3、6、10g/L及蒸馏水作对照)两因素,开展冻融干湿循环随机试验,分析不同循环次数下土壤粗颗粒风化速率的变化规律。【结果】(1)在水盐溶液处理下土壤粗颗粒风化速率均比单纯水处理大,10g/L盐分处理下的土壤粗颗粒风化速率大于其他处理。在20~60次冻融干湿循环之间,10 mm土壤粗颗粒的风化速率随盐分浓度的增加而增大。(2)土壤粗颗粒风化速率随粒径的增大呈减小趋势,且10 mm的土壤粗颗粒风化速率大约是30 mm的2倍。(3)土壤粗颗粒风化速率随冻融干湿循环次数的增大而增大,A1B4(10 mm 10 g/L)组合下的土壤粗颗粒风化速率最大。【结论】在冻融干湿循环影响下,小粒径的土壤粗颗粒风化速率大于大粒径,且水盐作用对土壤粗颗粒风化速率的影响大于单纯水作用。

覆砂和灌水量对退耕压砂地生态枣林土壤水热及枣果产量的影响

为探明覆砂和灌水量对退耕压砂地生态枣林土壤水热及产量的影响,在宁夏中部干旱带开展大田试验,通过设置2种覆盖方式[覆砂(M)、裸土(N)]和3个灌水量[低水180 mm(W1)、中水210 mm(W2)、高水240 mm(W3)],研究覆砂和灌水量对土壤温度、土壤贮水量以及枣果产量和水分利用效率的影响。结果表明:与裸土相比,覆砂使0~10 cm土壤温度提高0.8~3.1℃。覆砂后土壤升温时段(10:00—14:00)明显滞后于裸土(8:00—14:00),升温速度比裸土处理快0.4℃·h^(-1)。覆盖方式及灌水量对枣树全生育期0~80 cm土壤贮水量影响显著(P<0.05),覆砂处理较裸土处理平均提高10.97%,且在土壤含水率较低的萌芽展叶期增幅最高,达14.54%。覆砂条件下枣树生长指标、产量和水分利用效率均高于裸土,不同灌水量下枣果产量从高到低表现为W3>W2>W1,分别较裸土处理增加5.99%、10.54%、26.79%,其中MW2处理水分利用效率最高,为1.55 kg·m^(-3)。综上,MW2处理(覆砂、灌水量210 mm)可作为宁夏中部干旱带退耕压砂地生态枣林适宜的种植模式。

宁夏中部干旱带粗颗粒土裂化过程研究

为探究压砂地粗颗粒土裂化过程,以粗颗粒砾石(灰绿板岩)为研究对象,通过开展室内模拟试验,测定冻融干湿作用下粗颗粒砾石理化性质,利用电镜扫描观测不同处理下粗颗粒砾石细观形貌,初步分析粗颗粒砾石在冻融干湿交替循环作用下裂化进程。结果表明,随循环次数增加,粗颗粒产生明显裂化行为,2 mm粗颗粒砾石其破碎程度越大产生岩屑越多,并伴随矿物质元素释放。淋溶液中电导率EC值随循环次数增加呈递增趋势,说明粗颗粒中矿物离子释放,溶解于淋溶液。文章从宏观和微观角度分析粗颗粒裂化规律,揭示粗颗粒裂化机理,为进一步研究土壤粗颗粒成壤化提供理论支持。

砂土混合覆盖下的土壤水分蒸发特性及其因子分析

为明确不同砂土混合物覆盖对土壤蒸发过程的影响,基于土壤蒸发分阶段理论及微型蒸渗仪田间试验,深入探析了6种砂土混合覆盖模式(1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,分别为M1~M6)下的土壤蒸发动态变化及其作用机制。结果表明:土壤蒸发分阶段理论能够真实刻画砂土混合覆盖下的土壤水分蒸发状况,其累计蒸发量可用砂土混合比与蒸发时间进行定量表征。当砂土混合比≥0.8时,土壤蒸发过程仅存在2个明显阶段,抑蒸效果显著;当砂土混合比<0.5时,M3~M6处理的土壤蒸发稳定高峰期明显,且集中于前2.53~2.66天,水分主要散失历时则分别较M1增加6.49,6.49,6.49,7.09天;而当砂土混合比介于0.5~0.8时,覆盖层易诱发且能够更早地形成结构致密的覆盖干层,整体保墒效果反而凸显。受土壤蒸发阶段特性及覆盖模式的影响,蒸发第1阶段主要受下垫面净辐射通量供应的限制;而在蒸发第2,3阶段,砂层结构的作用凸显,土壤水力特性调控效应逐渐占优。总之,砂层结构恶化将加快土壤失水过程,增加农田水分的无效损失,当砂土混合比<0.5时,其抑蒸保墒功效将逐渐丧失,这对西北旱区砂田退化机理的揭示及压砂地可持续健康发展具有现实意义。

干旱胁迫下植物根系适应性机制研究进展与热点分析

随着极端天气和水资源短缺现象的加剧恶化,干旱已成为限制植物生长的最严重的非生物胁迫之一。根系作为植物吸水的关键器官,具有较强的可塑性,通过基因差异表达调控自身生长发育形成不同的根系构型和渗透物质等对干旱产生适应性。为了解干旱胁迫下植物根系的适应性机制,通过收集中国知网(CNKI)和Web Of Science(WOS)数据库中2001—2021年近20年已发表的核心期刊内容,采用VOSviewer软件对干旱胁迫下植物根系适应性机制的相关研究内容和热点趋势进行聚类分析,依照研究热点演进顺序综述了植物根系形态特征、生理特性和分子机理3个方面的适应机制,并建议开展植物根系适应性阈值确定以及联合微观和宏观系统明确植物抗旱机理的相关研究,以期为水资源的高效合理利用以及干旱地区的生态恢复提供帮助。

基于文献计量的土壤溶质运移可视化分析

【目的】系统分析国内外土壤溶质运移领域的研究现状,探究其研究热点与未来发展趋势。【方法】基于Web of Science核心数据库(WoS)和中国知网数据库(CNKI),借助CiteSpace和VOSviewer可视化软件,从发文数量、发文国家、发文机构、文献来源、学科分布和关键词着手,对2003-2022年国内外土壤溶质运移研究进行可视化分析。【结果】①国内外土壤溶质运移研究总体呈上升趋势,且英文的发文数量多于中文。其中,中国和美国在该领域占据主导地位。②在发文量前10的机构中,中国仅有中国科学院,美国则有4家。此外,国内机构间的合作较为松散,而全球相关机构间的国际合作较为紧密。③该领域刊出的主要英文期刊有《Journal of Hydrology》《Vadose Zone Journal》《Water Resources Research》,主要中文期刊则为《灌溉排水学报》《水土保持学报》《节水灌溉》。④土壤溶质运移研究主要聚焦环境科学、水资源学和农业学等学科领域,且各学科间的知识内容具有交互性。⑤国内在该领域研究的主要关键词为“重金属”、“水盐运移”和“重金属迁移”,国外则为“solute transport”、“transport”和“water”。【结论】土壤溶质运移仍然是未来的研究热点,今后可从以下几点入手:生态系统中重金属或污染物的迁移转化;土壤溶质运移的尺度效应;农田灌排和耕作模式下的生态环境效应;考虑多因素影响的土壤溶质运移和作物生长耦合模型建立;土壤改良剂的筛选和集成应用示范。

冻融干湿条件下压砂砾石元素淋溶规律研究

通过室内冻融干湿循环试验,宁夏中部干旱带夏秋季干湿和冬春季冻融的自然条件,设置温差与粒径两个因素探究压砂砾石(灰绿板岩)元素淋溶规律。结果表明,温差对灰绿板岩元素累积淋溶总量影响极显著(P<0.01),促进灰绿板岩元素淋溶释放的最佳温差为48℃,在灰绿板岩淋溶释放的所有元素中,贡献率大于0.1%元素顺序为S>Na>K>Mg>Ca>Si>N>Sr>B,其中S贡献率最大(34.86%)。灰绿板岩淋溶释放元素中包含有助于植物生长的部分元素,其中大量元素包括N、P、K、Ca、Mg、S,微量元素包括Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、B,有益元素包括Co、Si、Na。S、K、Na三种元素对灰绿板岩元素累积淋溶总量贡献率之和为70.94%,可将这三种元素的累积淋溶量作为表征灰绿板岩在冻融干湿条件下元素淋溶释放程度的评价指标。

不同水文年型下盐胁迫对白茎盐生草生长的影响

【目的】为明晰白茎盐生草在典型干旱区适宜生长的最佳水盐条件和耐盐阈值。【方法】采用室外桶栽控制试验,以当地土壤盐浓度3.2 g/kg(S1)为对照,分别设置4.5 g/kg(S2)、6 g/kg(S3)、10 g/kg(S4)、14 g/kg(S5)、18 g/kg(S6)和22 g/kg(S7)的土壤盐浓度,共7个盐分水平,研究特丰水年(W3)、平水年(W2)、特枯水年(W1)下不同程度盐胁迫对白茎盐生草不同生育期的生长特征、生理变化和生物量的影响。【结果】(1)土壤含盐量为14 g/kg以上时白茎盐生草将无法萌发及生长。(2)不同生育期白茎盐生草对水分和盐分胁迫响应的敏感性不同,水盐胁迫对其生长期的影响高于成熟期。生长期时,水分和盐分对其生长生理等指标均产生显著的影响(P<0.05),水盐交互作用对肉质化、叶片保水力、叶片相对含水量和质膜相对透性影响显著,但成熟期水盐交互作用对白茎盐生草的生理生长无显著的影响。(3)水分主要影响白茎盐生草的生理特征,而盐分对其生理生长特征均有显著的影响。在水分和盐分胁迫的交互作用下,白茎盐生草主要通过增大肉质化程度和质膜相对透性,降低叶片保水力和生物量等应对逆境。(4)由白茎盐生草地上鲜重和土壤盐分的回归方程(y=107.36+5.54x-0.92x^(2),R^(2)=0.97)求解得出,白茎盐生草的耐盐阈值为10.98 g/kg。白茎盐生草的耐盐生长综合评价模型结果显示,各处理按生长指标的隶属函数平均值从大到小排序依次为:W2S2(0.82),W3S2(0.78),W2S1(0.77),W3S1(0.72),W3S3(0.71),W2S3(0.67),W2S4(0.54),W1S2(0.38),W3S4(0.36),W1S1(0.34),W1S3(0.20),W1S4(0.13)。【结论】平水年下4.5 g/kg的土壤盐浓度(W2S2)是白茎盐生草的生长最佳水盐条件,且白茎盐生草属于耐盐能力强的植物,可用于盐碱地的改良和生态脆弱区的植被恢复。

不同水分对白茎盐生草(Halogeton arachnoideus)根区土壤水盐动态及其生长的影响

为研究不同水分条件下白茎盐生草根区土壤水盐动态变化及生长规律,采用桶栽试验,以水分和植被生长为控制因素;探索了白茎盐生草生长对土壤水盐动态的影响及土壤水分对白茎盐生草生长的影响。结果表明:土壤含水率随土层深度增加而增大,呈“反S”型分布,土壤剖面电导率随土层深度呈递减趋势,为“S”型分布。与裸土相比,植被生长条件下的土壤水盐动态变化更加复杂;水分不足条件时更容易产生盐分表聚现象。特枯水年下的白茎盐生草生长受到严重抑制,但特丰水年和丰水年对植物生长的影响差异并不显著。因此,与裸土相比,白茎盐生草生长显著影响其根区土壤水盐动态。

基于文献计量分析的土壤水盐运移研究进展

总结国内外土壤水盐运移研究领域的主要研究内容,并探索其发展前景。基于CNKI与WOS核心数据库,统计2000-2020年中关于土壤水盐运移的文献,利用VOSviewer可视化分析软件并结合CNKI和WOS中可视化分析功能,对国内外近21 a土壤水盐运移领域文献的发文量、关键词共现、作者合作等进行可视化分析。结果表明:2000-2020年,在土壤水盐运移领域的发文量总体呈攀升态势;该领域核心期刊刊出论文较多的主要期刊有《AGRICULTURAL WATER MANAGEMENT》、《灌溉排水学报》、《节水灌溉》等;该领域的发文国家数量较多,主要活跃在滴灌、微咸水灌溉、冻融等条件下的实验研究和数值模型的模拟,我国在该领域的高影响力发文机构也位于世界前列;未来关于土壤水盐运移的研究将主要集中在土壤结构、种植耕作与管理方式、模型预测、滨海盐碱地、耐盐性植被的盐分适应性等几个方面。近年来土壤水盐运移规律的研究将是治理土壤盐渍化的重要理论依据,不同耦合条件下的土壤水盐运移规律研究及模拟预测对于我国土壤盐渍化治理具有重要意义。

干湿循环对宁夏压砂砾石劣化的田间试验研究

【目的】探明宁夏中部干旱带压砂田砾石在干湿循环下的劣化情况。【方法】以压砂地常用覆盖砾石—灰绿板岩为研究对象,通过淋水实现干湿循环试验,得到不同劣化程度砾石试样。利用SEM及PCAS计算得到劣化后砾石试样的各种参数并监测各阶段砾石质量损失。【结果】①初始阶段大粒级砾石劣化程度总体高于小粒级,干湿循环下孔隙连通性增强,出现大量碎屑与絮状矿物;②干湿循环后砾石粒级同孔隙数量成正比,同砾石平均孔隙面积成反比,孔隙的均匀系数较初始大幅升高,最大增幅达129.4%。粒级越大吸水率越小,粒级0.5~2 mm压砂砾石在250、125 mL淋水下较初始增幅最高,分别增加75.05%、56.60%;③干湿循环后压砂砾石阶段质量损失率、累积质量损失量与粒级成反比,其中粒级0.5~2 mm压砂砾石在整个循环中受温度影响较敏感,其累积质量损失量在250 mL淋水量下比125 mL提高27.66%。【结论】在施加干湿循环影响下,小粒级压砂砾石劣化速度和程度总体大于大粒级,砾石首先要从大粒级劣化为小粒级,再劣化成壤。

冻融干湿交替下灰绿板岩矿质元素释放特征及释放模型

针对宁夏中部干旱带压砂地土壤肥力下降、灰绿板岩矿质元素淋溶释放规律不明等问题,通过室内模拟灰绿板岩冻融干湿循环交替试验,采用修正的Elovich方程、抛物线方程、双常数速率方程、一级动力学方程对各矿质元素的累积释放曲线进行拟合,研究不同粒径板岩在冻融干湿循环作用下的释放动力学特征及最优动力学方程。结果表明:两种粒径灰绿板岩淋溶液中矿质元素淋溶总量随循环次数增大而增大,1 cm粒径灰绿板岩矿质元素累积淋溶总量、淋溶速率在不同循环次数下均大于3 cm粒径。灰绿板岩矿质元素淋溶释放是多因素共同控制的物理、化学过程,其释放过程可大致分为快速反应阶段和反应趋于平衡阶段;压砂地土壤中Ca、K、Mg、P元素的供给量运用修正的Elovich方程预测结果较好,抛物线方程更适用于描述S元素的释放规律。研究结果可为宁夏中部干旱带旱作农田土壤肥力调控提供决策参考。

基于Hargreaves-Samani回归修正的作物参考蒸散发计算适用性研究

为提高Hargreaves-Samani(H-S)模型计算参考蒸散发的精度,利用西北黄河流域与长江中下游平原共128个气象站点1961—2010年的逐日气象资料对H-S模型进行回归修正,以Penman-Monteith(P-M)模型为标准,评价了H-S改进模型H-SCORR模型的计算精度,并且以第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)气候模式来对H-SCORR模型进行了未来适应性评价。结果表明:修正后,在验证期内,长江中下游平原4个分区的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)的平均值分别下降了6.21 mm·月^(-1)和6.38 mm·月^(-1);西北黄河流域4个分区的MAE和RMSE的平均值分别下降了9.26 mm·月^(-1)和9.23 mm·月^(-1),2个研究区域修正后的决定系数(R2)比修正前最少提高1%。在CMIP6气候模式的未来气候情景下R2均达到0.98以上,具有良好的适应性。该研究修正的模型方法可为仅有气温数据的地区提供较高精度的参考蒸散发估算方法,为高频灌溉提供较为准确的数据基础。