黑土坡耕地有机碳及其组分累积-损耗格局对耕作侵蚀与水蚀的响应

耕作与水蚀是黑土区坡耕地碳库退化的主导因素,为进一步探究土壤有机碳(SOC)及其组分对不同侵蚀驱动力(耕作、水力)的响应格局,基于该区耕作侵蚀与水蚀模型,在定量表达耕作侵蚀-沉积量与水蚀量的基础上,利用地统计学的方法,分析了东北黑土区典型漫岗地形坡面尺度SOC及其3种组分的空间分布特征.结果表明: 耕作侵蚀与沉积速率分别表现为坡上>坡下>坡中>坡脚和坡脚>坡下>坡中>坡上;水蚀速率表现为坡下>坡脚>坡中>坡上;坡下陡坡位置耕作侵蚀与水蚀协同引起严重的土壤流失.虽然耕作侵蚀速率(0.02～7.02 t·hm^-2·a^-1)远小于水蚀速率(5.96～101.17 t·hm^-2·a^-1),但耕作侵蚀在全坡面范围均可对SOC产生不同程度的影响,而水蚀则主要在坡下径流汇集区显著影响SOC的累积-损耗.受水蚀与耕作侵蚀-沉积作用影响,SOC、颗粒有机碳、水溶性有机碳在侵蚀点含量低于沉积点,而微生物生物量碳变化趋势相反;耕作侵蚀通过影响颗粒有机碳参与SOC的积累-损耗过程.     

添加秸秆后黑土力学行为特征——秸秆含量的影响

为探明秸秆还田量对黑土力学特性的影响,以典型黑土区未经开垦(高有机质低黏粒含量)以及耕作40年(低有机质高黏粒含量)的土壤为研究对象,在秸秆长度为15 mm条件下,采用室内固结和三轴剪切相结合的方法,通过压缩指数、回弹指数、黏聚力及内摩擦角的测定与分析,模拟研究了黑土压缩-回弹及抗剪切行为对不同小麦秸秆还田比例(0%、25%、50%、75%、100%)的响应规律.结果表明: 添加秸秆后黑土力学性能明显改善,以开垦多年有机质含量低的黑土改善效果更为显著.秸秆全量还田时,最不易被压缩且压实后恢复能力最强;秸秆50%还田时,土体抗剪强度最大;当秸秆还田比例为50%～100%时,黑土抗压与抗蚀效果较好.     

人为干扰对大兴安岭北坡兴安落叶松林粗木质残体的影响

比较了兴安落叶松天然林和两种不同干扰类型兴安落叶松林(一次干扰林、二次干扰林)之间活立木蓄积、粗木质残体(CWD)蓄积和组成的差异.结果表明：天然林、一次干扰林和二次干扰林的活立木蓄积量分别为161.6、138.3和114.8 m³·hm^-2,粗木质残体的蓄积量分别为69.77、36.64和32.61 m³·hm^-2.天然林粗木质残体大部分径级在20～40 cm,其中倒木、枯立木分别占总材积的72%和28%;一次干扰林和二次干扰林粗木质残体大部分径级在10～30 cm,其中倒木、枯立木和伐桩分别占各自总材积的70%、14%、16%和57%、15%、28%.人为干扰造成兴安落叶松林粗木质残体蓄积减少,改变了粗木质残体的组成.     

典型黑土区不同水土保持林表层土壤磷素形态及有效性

以典型黑土区人工营造的落叶松林、水曲柳林、樟子松林和美青杨林表层土壤(0~10 cm)为对象,研究不同类型水土保持林土壤磷素的形态和有效性.结果表明:水曲柳林和美青杨林土壤全磷、速效磷和磷各组分含量均显著高于落叶松林和樟子松林;4种林地土壤磷主要以有机磷形式存在,并且中活性有机磷NaOH-Po含量最高,占土壤磷素总量的58.9%;对植物有效性相对较高的H2O-Pi和NaHCO3-P含量较低,分别占土壤磷素总量的1.2%和6.6%;除NaHCO3-Po外,土壤中不同磷素形态之间以及磷各组分与土壤有机质、全磷和有效磷之间具有显著相关关系.表明研究区内阔叶林比针叶林能够显著地提高土壤磷的有效性.     

不同开垦年限黑土溅蚀与团聚体分选特征

分别以开垦年限为8 a、30 a、50 a的典型黑土耕地和未开垦的天然次生林林地表层土壤为对象,采用人工模拟降雨的方法,对比分析了不同开垦年限土壤的溅蚀规律及溅蚀过程中团聚体分选、分布特征,并通过析因分析研究了开垦对黑土溅蚀的影响机制.结果表明：不同开垦年限黑土耕地土壤的溅蚀量明显高于未开垦次生林林地土壤,且随开垦年限的延长而增加,变化范围为0.95～7.06 g·cm^-1;土壤溅蚀量与溅蚀距离表现出紧密的指数函数关系,而且随着水平空间距离的增加,小粒级水稳性团聚体比例逐渐增加;溅蚀对黑土团聚体产生富集作用与损耗作用的临界粒级为1.0 mm;粒级＞2 mm、＜0.25 mm水稳性团聚体及有机质含量是典型黑土土壤溅蚀量及其变化特征的主要影响因子.     

不同开垦年限坡地黑土耕层土壤有机碳库分配特征

因耕作和侵蚀的共同作用,农田坡地景观多为坡上侵蚀、坡下沉积的空间格局,同时伴随侵蚀区和沉积区土壤有机碳(SOC)含量及稳定机制的差异.为探明长期耕作的农田黑土有机碳库积累-损耗特征,采用Stewart物理-化学联合分组方法,以典型黑土区不同开垦年限坡耕地为研究对象,探讨基于侵蚀-沉积作用的不同稳定机制碳库(游离未保护碳、物理保护碳、化学保护碳、生物化学保护碳)的分配特征.结果表明: 长期耕作与侵蚀导致坡下沉积区显著富积SOC,4种碳库含量整体表现为沉积区显著大于侵蚀区;黑土区坡耕地SOC以化学保护碳库和生物化学保护碳库为主(>90%),侵蚀区主要积累化学保护有机碳(84.6%),沉积区主要积累生物化学保护有机碳(51.4%);随着开垦年限的延长,4种碳库积累速率随着碳稳定程度的增加而增加,为生物化学保护碳库(48%)>化学保护碳库(42.2%)>物理保护碳库(6.4%)>游离未保护碳库(3.4%);游离未保护有机碳库占比和积累速率最小,但其对外界干扰最敏感,在黑土管理过程中应引起足够重视.     

黑土坡耕地有机碳变化及固碳潜力分析

东北黑土区自开垦以来有机质含量逐渐降低,有机碳库长期处于亏缺状态,理论上也具有较大的固碳潜力。以典型黑土区长期传统作业的坡耕地(30—60 a)为研究对象,通过测定不同坡位(坡上侵蚀区和坡下沉积区)、不同土层(表土和底土)有机碳分布特征,估算不同开垦年限黑土固碳潜力及其恢复至固碳潜力所需的时间。结果表明:(1)总有机碳、有机碳密度以及碳饱和水平均表现为沉积区显著大于侵蚀区,表土显著大于底土,且均在开垦30a坡耕地达到最大值;(2)固碳潜力表现为侵蚀区(1.24—2.89 kg/m~2)显著大于沉积区(0.79—1.04 kg/m~2),底土(0.83—3.59 kg/m~2)显著大于表土(0.6—2.53 kg/m~2),随着开垦年限的增加表现为开垦30 a显著小于开垦40 a、60 a;(3)黑土坡耕地(30—60 a)侵蚀区和沉积区土壤(0—50 cm)达到固碳潜力分别需要20—181 a和13—66 a。黑土坡耕地固碳潜力的时空变异性在农业经营以及修复管理过程中需引起重视,以实现黑土资源的可持续利用。     

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。     

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(PAD0.25、PAD1.0)、平均质量直径(Dmm)、平均质量比表面积(SAmm)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5mm干筛团聚体和0.25mm水稳性团聚体的含量,干筛和水稳性团聚体的Dmm分别较冻融前增加了7.98%～29.41%和36.11%～44.44%,SAmm、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2mm干筛团聚体和0.25～1mm水稳性团聚体的含量,Dmm、SAmm、D均表现出加剧风干团聚体拆分的趋势,水稳性团聚体的SAmm和D分别降低了10.88%～25.52%和1.02%～3.40%(P0.05),团聚作用有所增强.季节性冻融后PAD0.25降低了33.45%(P0.05),PAD1.0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.     

基于土壤三相的广义土壤结构的定量化表达

以基于土壤固、液、气三相为研究对象的广义土壤结构为切入点,借鉴微观经济学中柯布-道格拉斯生产函数边际递减效益的思想,通过构建旱作土壤条件下土壤三相"投入"与土壤结构"产出"的土壤结构生产函数,定义了广义土壤结构指数(GSSI),GSSI=[(XS-A)XL XG]k.同时根据二维三系图中土壤结构相对理想三相点变化的趋势,计算了土壤三相结构距离(STPSD).结合典型黑土区马铃薯耕地土壤深松整地前后土壤结构的变化与广义土壤结构指数和土壤三相结构距离的计算结果,验证了广义土壤结构指数可以有效反映土壤结构特征及其动态变化.在此基础上,采用281个旱作土壤样本数据对广义土壤结构指数与土壤三相结构距离之间的关系进行了拟合,二者之间存在极显著的线性关系(R2 = 0.86* *).可以认为,广义土壤结构指数与土壤三相结构距离均能作为定量描述土壤结构变化的综合指标,不仅为深入研究广义土壤结构提供了一种新方法,而且为定量研究土壤结构、功能与质量奠定了基础.