季节性冻融对典型黑土区土壤团聚体特征的影响

以东北典型黑土区耕地土壤为研究对象,通过对不同水分补充条件下、不同频度和程度的冻融交替处理后土壤干筛团聚体和水稳性团聚体组成、破坏率（PAD_0.25、PAD_1.0）、平均质量直径（D_mm）、平均质量比表面积（SA_mm）和分形维数（D）等特征指标的测定与分析,研究季节性冻融对典型黑土区表层土壤团聚体特征的影响.结果表明：无水无冻融及无水冻融显著增加了＞5 mm干筛团聚体和＞0.25 mm水稳性团聚体的含量,干筛和水稳性团聚体的D_mm分别较冻融前增加了7.98%～29.41%和36.11%～44.44%,SA_mm、D的变化规律也表现为促进大团聚体的团聚作用.少水冻融和季节冻融则显著增加了＜2 mm干筛团聚体和0.25～1 mm水稳性团聚体的含量,D_mm、SA_mm、D均表现出加剧风干团聚体拆分的趋势,水稳性团聚体的SA_mm和D分别降低了10.88%～25.52%和1.02%～3.40%（P<0.05）,团聚作用有所增强.季节性冻融后PAD_0.25降低了33.45%（P<0.05）,PAD_1.0无明显变化,典型黑土区季节性冻融增强了土壤团聚体的水稳定性.     

冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征

冻融交替是改变黑土结构、加剧土壤侵蚀的重要因子。以典型黑土区耕作土壤为研究对象,采用野外季节性冻融循环与室内模拟冻融循环相结合、X射线计算机断层摄影(CT)与扫描电子显微镜(SEM)相结合的方法,通过水分物理性质、团聚体破坏率、孔隙数目、孔隙面积、孔隙成圆率、孔隙Feret直径的测定与分析,研究了冻融交替后0—40 cm、40—80 cm和120—160 cm3个土层以及田间季节性冻融环刀、室内模拟冻融CT扫描和室内模拟冻融SEM3种方式下黑土结构特征的变化规律。结果表明:冻融交替能够对不同土层和不同尺度的耕地黑土结构产生不同程度的影响。季节性冻融后,表层土壤容重升高,非毛管孔隙度和持水能力显著降低(P0.05),40—80 cm土层团聚体破坏率增加40.97%(P0.05),土壤抗蚀性有所削弱,120—160 cm土壤没有受到季节性冻融的显著影响。CT扫描尺度上,3个土层均以1—2 mm径级的孔隙数目为最多,形状也相对规则、接近圆形;冻融循环没有对表层土壤大孔隙结构产生影响,却能够显著降低40—80 cm土层范围内大孔隙面积以及Feret直径(P0.05)。SEM扫描显示冻融后土壤表面粗糙度增加,颗粒松散、脱离,孔壁断裂,证明了冻融交替对土壤微结构的破坏作用;同时结合电子能谱的元素分析可知冻融交替能够改变土壤颗粒表面化学特征。     

基于同步辐射显微CT研究冻融循环对黑土团聚体结构特征的影响

在我国东北地区,土壤不同程度的受到季节性冻融的影响。冻融作用会改变土壤微观结构,团聚体作为土壤结构的基本单元,其结构特征的改变反映了冻融作用对土壤微观结构的影响。同步辐射显微CT可以无损获取高分辨率、强对比度的内部结构图像,是研究土壤团聚体三维微结构的有效手段。采集了室内冻融循环试验下不同冻融循环次数的土壤团聚体样品,应用同步辐射显微CT扫描获取了3.25μm分辨率的团聚体内部结构图像,然后应用CT图像处理方法和Image J软件观察并定量分析了团聚体微结构特征。结果表明:随着冻融循环次数的增加,土壤孔隙度不断增大,瘦长型孔隙度占比与100μm的非毛管孔隙度不断增大;当冻融循环次数达到7次以上,团聚体孔隙连通度随冻融循环次数的增加而变大。冻融循环对黑土团聚体孔隙度、孔隙形状、孔隙分级、连通性等结构特征影响显著。该研究为春季解冻期土壤侵蚀机理的研究及水土流失的防治提供理论依据。     

冻融交替对黑土团聚体稳定性的影响

应用Le Bissonnais法分析冻融循环(0、1、3、5和9)对3～5 mm黑龙江省黑土团聚体稳定性的影响,采用蜡封法分析黑土孔隙度的变化.结果表明: 不同粒径团聚体含量随冻融循环次数增加均呈波动状态,团聚体含量变化系数随冻融循环次数的增加逐渐趋于稳定;快速湿润、慢速湿润、预湿润震荡3种处理土壤中>0.25 mm团聚体含量有明显差异;孔隙度随冻融循环次数的增加而增大,变化范围在32.4%～41.4%.随冻融次数的增加,不同破碎方式下团聚体含量变化程度较低,团聚体平均重量直径与孔隙度呈负相关,表明冻融条件下孔隙度是影响团聚体稳定性的重要因素.     

东北黑土水稳性团聚体及其结合碳分布特征

以东北黑土区32对自然和耕作黑土为研究对象,对比研究了两种土壤水稳性团聚体及其结合碳的分布特征.结果表明：自然土壤0～30 cm水稳性大团聚体（>0.25 mm）质量分数及其结合碳均高于微团聚体;随着土层深度的增加,大团聚体及其结合碳逐渐降低,而微团聚体（<0.25 mm）及其结合碳显著增加（P<0.01）.耕作土壤团聚体分布特征与自然土壤相反,与自然土壤相比,耕作土壤大团聚体数量及其结合碳急剧降低,且>1 mm的大团聚体降低幅度远大于其他粒级团聚体.自然土壤大团聚体质量分数与土壤有机碳（SOC）存在明显的正相关关系（P<0.01）,尤其是>1 mm大团聚体;耕作土壤>1 mm大团聚体质量分数与土壤总SOC相关不显著;自然与耕作土壤总SOC与各级团聚体结合碳呈极显著正相关（P<0.01）.与自然土壤相比,耕作土壤大团聚体结合碳明显降低,而微团聚体结合碳增加了37.1%,总SOC含量下降了29.5%,表明大团聚体在总SOC变化中起主要作用.水稳性大团聚体对管理措施响应迅速,可以作为评价农业管理措施转变对土壤肥力和土壤质量影响的指标.     

大机械作业对黑土区耕地土壤结构性特征的影响

以东北典型黑土区耕地土壤为研究对象,通过对不同（大、中型）机械作业前后土壤硬度、容重和非毛管孔隙度/毛管孔隙度比值（NCP/CP）等结构性特征指标的测定和分析,研究了机械作业对土壤物理性质的影响.结果表明：机械作业后,土壤硬度在垂直梯度上均存在3个明显交替变化的层面,自上而下依次为耕作区、压实积累区和无影响区,中机械作业的土壤各层变化范围相对较浅,在17.5～30 cm范围内形成了新的土壤板结.大机械作业对黑土区耕地土壤结构性特征的影响以疏松作用为主,尤其对表层土壤的改良效果显著（P＜0.05）,与收获前相比, 收获和深松作业后土壤容重分别降低了3.5%和7.2%,深松后NCP/CP提高了556.6%,这对增加入渗、削弱水土流失的潜在威胁极为有利;中机械作业则以压实作用为主.     

耕层调控与有机肥处理下麦田土壤和小麦冠层结构特性及其相互关系

本研究基于5年的耕作定位试验,设置深耕(DT)、深耕有机肥(DTF)、浅耕(ST)、浅耕有机肥(STF)、免耕(NT)和免耕有机肥(NTF)处理,以期通过改良耕层土壤结构,优化小麦冠层结构特性.结果表明: 同一耕作处理下,增施有机肥可降低土壤容重、提高土壤孔隙度,提高20～40 cm土层2～5和0.25～2 mm粒级土壤团聚体含量,降低>5 mm粒级团聚体含量、>0.25 mm粒级团聚体的平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD).与其他处理相比,NTF处理改善了0～20 cm土层土壤容重、增加土壤孔隙度;DTF处理降低了40～60 cm土壤容重和>0.25 mm粒级机械团聚体的稳定性,增加了土壤透气性.花后各时期,有机肥处理的叶片角度指数降低,叶面积指数(LAI)和旗叶净光合速率(P_n)提高.STF处理的角度指数最低,DTF处理的P_n最高,显著大于其他处理.通径分析表明,自变量容重、孔隙度、>0.25 mm粒级团聚体的数量(R_0.25)和MWD对因变量角度指数、LAI和P_n的直接通径系数均达到极显著水平.0～20 cm土层,MWD值增大有利于P_n和LAI的提高;20～40 cm土层,土壤容重在一定范围内的增加可优化叶夹角,提高冠层透光率;40～60 cm土层,高的土壤容重和低的孔隙度限制了LAI和P_n的增加.综上,豫中补灌区增施有机肥下的深耕或浅耕处理有利于改良土壤结构、增加土壤通透性,优化冠层结构,提高冠层受光率、叶面积指数和光合速率.     

深翻-旋耕轮耕与有机肥配施对农田黑土团聚体内酶活性的影响

东北黑土区耕作方式单一、化肥施用偏重，导致耕层结构变差、犁底层加厚上移、土壤养分有效性下降。研究深翻-旋耕轮耕模式对松嫩平原南部农田黑土区土壤结构和酶活性改善的效果，以期为区域耕作施肥等管理技术的创新提供理论依据。试验基于农田黑土全量秸秆还田条件，设置连年旋耕、深翻-旋耕轮耕2个耕作处理和化肥、化肥+有机肥2个培肥处理，分析0～20 cm土层中2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5和<0.25 mm等各级团聚体特征及其过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性。结果表明：轮耕的两个培肥处理土壤团聚体以2～5 mm粒级为主，其含量显著高于其他粒级团聚体，占总质量比的26.8%～31.3%;且轮耕处理的2～5、1～2、0.5～1 mm粒级团聚体比例显著高于连年旋耕处理，而其他粒级结果相反；过氧化氢酶、脲酶和酸性磷酸酶活性均呈现深翻-旋耕轮耕处理整体较高于连年旋耕处理，有机肥的施用对土壤大粒级团聚体酶活性具有积极促进作用；过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性随着粒级的增大而增强，脲酶和蔗糖酶活性以2～5 mm粒级团聚体最高；酸性磷酸酶活性随着粒级的减小而增强，<0.25 mm粒级团聚...     

川南坡地不同退耕模式对土壤团粒结构分形特征的影响

运用分形模型,研究了川南坡地及其退耕成慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹混交林和弃耕地5年后土壤团粒结构分形维数,探讨了分形维数与土壤理化性质之间的关系.结果表明：退耕后,不同退耕模式样地＞0.25 mm的土壤团聚体和水稳性团聚体含量均显著增加,团粒结构分形维数介于1.377～2.826,为慈竹林＜杂交竹林＜桤木+慈竹混交林＜弃耕地＜农耕地,并随＞0.25 mm的土壤团聚体及水稳性团聚体含量的增加而降低;土壤自然含水量、毛管孔隙、有机质、全氮、碱解氮、全磷和全钾含量增加,而土壤容重、非毛管孔隙和通气度降低.退耕后的慈竹林、杂交竹林、桤木+慈竹混交林和弃耕地的土壤团粒结构分形维数与土壤理化性质相关性较好.农耕地退耕对增加＞0.25 mm的土壤团聚体及水稳性团聚体含量和提高土壤结构稳定性具有较好的作用;土壤团粒结构分形维数可以作为坡地退耕后土壤肥力变化的理想指标,在研究区坡地退耕种植慈竹具有较好的培肥改土效益.     

冻融作用对土壤理化性质及风水蚀影响研究进展

冻融侵蚀在我国分布范围广,是主要土壤侵蚀类型之一,而冻融作用与其他营力复合进行侵蚀的分布范围比单纯的冻融侵蚀更广,所造成的危害也更大.本文基于国内外已有研究成果,总结评述了冻融作用对土壤理化性质及风蚀和水蚀影响的相关研究进展.冻融条件下,土壤水分发生运移,结构被破坏,土壤孔隙度、容重、抗剪强度、团聚体稳定性和有机质等理化性质均发生变化,其变化趋势和幅度与土壤质地、冻融程度有关.冻融作用通过改变土壤理化性质,增加土壤可蚀性,从而影响土壤风蚀和水蚀发生及过程,导致侵蚀强度增大.目前,冻融研究以室内模拟为主,与野外实际冻融过程差异较大,且由于试验条件不同,得到的结论无法统一,甚至相反.因此,通过室内模拟与野外实测相结合,加强冻融条件下土壤侵蚀机理研究是下一步的重点,这对季节性冻融区解冻期侵蚀预报和防治具有重要意义.     

东北黑土结皮发育过程

基于模拟降雨试验,从微结构、容重、抗剪强度角度分析了降雨过程中东北黑土结皮的发育过程特征,并探讨了黑土结皮的发育对土壤入渗的影响.结果表明：随着降雨的进行,东北黑土的表层结构逐渐致密,容重、抗剪强度不断增加,入渗能力下降;120 min降雨历时内,黑土发育了厚约3～4 mm的稳定结皮层,结皮发生层孔隙度下降6.45%、容重增加14.13%;消除雨滴打击后（盖网处理）,结皮发育强度减弱,120 min降雨历时内,结皮发生层孔隙度下降3.27%、容重增加7.11%,均小于无盖网处理,但累积入渗量较后者高41.1%.东北黑土结构稳定,雨滴打击是其结皮发育的主导因子,降雨过程中未发现明显的颗粒淋移现象.     

稻草易地还土对丘陵红壤有机质和主要物理性质的影响

选取新垦坡地和熟化旱地2种典型土地利用类型,研究了稻草易地还土对丘陵红壤有机质含量和主要物理性质的影响,并探讨了土壤有机质、田间持水量、容重、孔隙度间的相关性.结果表明稻草易地还土可提高丘陵红壤有机质含量,改良土壤物理性质,增强土壤蓄水性能.与不施肥或化肥处理相比,稻草易地还土提高了耕层(0～20 cm)土壤有机质含量5.8%～28.9%和＞0.25 mm水稳性大团聚体含量;降低了亚表层(10～15 cm)土壤容重,降低幅度为4.5%～7.5%,提高了亚表层土壤的田间持水量和孔隙度,提高幅度分别为6.8%～16.2%和4.8%～7.7%(P＜0.05).相关分析表明,土壤有机质含量(0～20 cm)与亚表层土壤容重(r=-0.799)、孔隙度(r=0.803)、田间持水量(r=0.844)呈极显著相关(P＜0.01);表层、亚表层土壤田间持水量与土壤容重(r=-0.638)、孔隙度(r=0.664)呈显著相关(P＜0.05).     

不同入侵程度下飞机草对喀斯特地区土壤理化性质的影响

外来生物入侵威胁着全球的生物多样性和生态系统的功能,研究外来入侵植物对土壤理化性质的影响有助于理解外来入侵植物的入侵机制。以广西喀斯特地区飞机草（Chromolaena odorata）入侵生境为研究对象,比较分析了不同飞机草入侵程度下（对照、轻度入侵、中度入侵、重度入侵）土壤物理和化学指标变化特征。结果表明：随着飞机草的入侵程度加重,土壤容重显著增加,轻度入侵、中度入侵和重度入侵生境下土壤容重分别比对照增加了10.3%、16.7%、22.3%,土壤非毛管孔隙度、总孔隙度和土壤含水量显著降低,土壤毛管孔隙度无显著变化;飞机草入侵对土壤pH值无显著影响,随着入侵程度加重,土壤速效磷和速效钾的含量显著升高,在重度入侵生境下土壤速效磷和速效钾含量分别比对照增加了4.3倍、3.8倍,土壤全氮和有机质含量显著降低。飞机草入侵显著改变了土壤理化性状,导致喀斯特地区土壤物理结构退化,生态系统水土保持能力下降,同时飞机草通过改变土壤养分循环提高了土壤可直接利用养分的水平,创造对自身有利的土壤环境,进而促进其生长和扩散。     

土壤侵蚀与土地利用方式对黑土地土壤水气传输特性的影响

土壤侵蚀是东北黑土退化的主要原因之一,了解不同土地利用方式下土壤水气传输性质的差异,可以为黑土区水土资源的高效利用和保护提供科学依据。本研究选取东北黑土区典型的3种土地利用方式(农地、林地、撂荒地)进行0~5 cm土层原位土壤饱和导水率、导气率和相对气体扩散率的测定,探讨土壤侵蚀和土地利用方式对土壤水气传输性质的影响。结果表明:不同侵蚀程度农地之间以及不同土地利用方式之间土壤水气传输性质差异显著。重度侵蚀农地容重显著高于其他样地,未侵蚀农地容重显著低于其他样地。与未侵蚀农地相比,轻度、中度和重度侵蚀农地容重分别增加12.7%、17.6%和39.2%,饱和导水率分别降低84.4%、53.7%和12.7%,导气率分别降低94.6%、64.4%和14.0%,相对气体扩散率分别降低91.3%、82.6%和4.3%。松林地饱和导水率、导气率和相对气体扩散率较未侵蚀农地分别降低86.5%、83.0%和91.3%。沙棘林地饱和导水率、导气率和相对气体扩散率较未侵蚀农地分别降低51.7%、45.6%和82.6%,撂荒地饱和导水率、导气率和相对气体扩散率较未侵蚀农地分别降低16.2%、1.4%和73.9%。可以利用测得的土壤导气率、相对气体扩散率估算土壤饱和导水率。土壤侵蚀和土地利用方式显著影响黑土地土壤水气传输特性。     

土壤表面电场对黑土团聚体破碎和侵蚀的影响

通过定量调控土粒表面电场强度,采用湿筛法和模拟降雨试验,研究了土壤表面电场对东北黑土团聚体稳定性和土壤侵蚀的影响。结果表明: 1)随着土壤本体溶液电解质浓度的降低,土壤颗粒表面电位绝对值和电场强度均不断增加,宾县黑土和克山黑土表面电场强度均可达10⁸ V·m^-1数量级;2)随着土粒表面电场增强,土壤团聚体的破碎程度增大,平均重量直径表现为先急剧减小而后保持不变;3)通过人工模拟降雨试验可知,随本体溶液电解质浓度降低,颗粒表面电场增强,土壤流失强度增大。当电解质浓度＜0.01 mol·L^-1,对应宾县黑土和克山黑土的表面电位绝对值分别大于210和209 mV时,土壤累积流失量随时间的分布曲线较为接近,表明0.01 mol·L^-1是影响土壤侵蚀强度的电解质临界浓度值;4)土壤累积流失量与团聚体平均重量直径之间表现出良好的线性关系。综上,当雨水进入土壤,土粒表面电场增强,引发土壤团聚体破碎并释放大量细颗粒,最后在雨水冲刷作用下发生侵蚀。该研究结果可为深入理解东北黑土区土壤水蚀机理提供新的思路。