Soil temperature and moisture sensitivities of soil CO2 e ux before and after tillage in a wheat field of Loess Plateau, China

As a conventional farming practice, tillage has lasted for thousands of years in Loess Plateau, China. Although recent studies show that tillage is a prominent culprit to soil carbon loss in croplands, few studies have investigated the influences of tillage on the responses of soil CO2 e ux (SCE) to soil temperature and moisture. Using a multi-channel automated CO2 e ux chamber system, we measured SCE in situ continuously before and after the conventional tillage in a rain fed wheat field of Loess Plateau, China. The changes in soil temperature and moisture sensitivities of SCE, denoted by the Q10 value and linear regression slope respectively, were compared in the same range of soil temperature and moisture before and after the tillage. The results showed that, after the tillage, SCE increased by 1.2–2.2 times; the soil temperature sensitivity increased by 36.1%–37.5%; and the soil moisture sensitivity increased by 140%–166%. Thus, the tillage-induced increase in SCE might partially be attributed to the increases in temperature and moisture sensitivity of SCE.     

垄作对降低黄土高原南部冬小麦田氨挥发风险的影响

为研究黄土高原南部冬小麦田NH₃挥发对垄作的响应,揭示其释放机制及污染风险,于2011—2013年冬小麦生长季,按照随机裂区试验设计布置田间试验,采用通气式田间原位酸吸收方法测定NH₃挥发. 主区为常规栽培及3种垄作,副区为2种施N(氮)处理——未施N(0 kg/hm2,以N计)和施N(180 kg/hm2). 结果表明:不同施N处理下,各耕作模式NH₃挥发通量在施肥后10 d均达到峰值,在施肥后30 d稳定在较低水平. 垄作单季NH₃累积挥发量(以N计)平均值为5.748 kg/hm2,比常规栽培降低4.9%;施N处理下NH₃累积挥发量平均值为6.512 kg/hm2,比未施N处理提高26.8%. 氮肥NH₃挥发损失率为0.47%~1.38%,其中垄作平均损失率比常规栽培降低60.1%. 不同施N处理下,各耕作模式NH₃挥发通量与土壤w(NH₄+)、含水量呈正相关;与25 cm深度处土壤温度、pH在冬前(施肥播种至土壤结冰阶段)呈正相关,而在冬后(土壤解冻至小麦收获阶段)则呈负相关. 土壤w(NH₄+)和土壤温度是控制NH₃挥发的两大主要因素. 冬前垄作降低NH₃挥发通量主要是由于垄作集中深施肥会增加NH₃挥发扩散阻力所致. 可见,旱作冬小麦种植区采用垄作可降低NH₃挥发风险.      

黄土高原不同生态系统水土保持服务功能评价

以土壤保持量为评估指标,应用修正通用土壤流失方程,评估了黄土高原水土保持生态系统服务功能,分析了近20 a 来的黄土高原土壤保持量的空间分布及其动态变化,对于揭示全球气候变化背景下黄土高原林草植被建设的生态成效具有重要的科学价值和现实意义。结果表明：1990-2010 年黄土高原平均单位面积土壤保持量为305 t·hm^-2·a^-1,年均土壤保持总量为190×10⁸ t。1990-2000 年农田、草地和林地生态系统平均单位面积土壤保持量分别为249、285 和640 t·hm^-2·a^-1,2000-2010 年平均单位面积土壤保持量分别增加了14.6%、2.9%和7.4%。黄土高原草地和林地的土壤保持率分别为83%~88%和94%~97%。农田生态系统土壤保持量的空间分布特征表现为黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区较大,农灌区和河谷平原区偏低;草地和林地生态系统土壤保持量的空间分布特征表现为沿东南向西北减少的变化趋势。与1990-2000 年不同,2000-2010 年农田、草地和林地生态系统土壤保持量的空间变化特征表现为较为明显的增长趋势,尤其是黄土丘陵沟壑区陕西榆林、延安地区和山西吕梁山区一带。     

祁连山高山草甸土壤CO2通量的时空变化及其影响分析

采用Li-6400便携式光合作用测量系统连接Li-6400-09土壤呼吸室,在2004年生长季节对祁连山高山草甸土壤CO₂通量沿海拔梯度进行了野外定位试验,统计分析了水热因子及根系生物量对高山草甸土壤CO₂通量特征的可能影响.结果表明,土壤CO₂通量存在明显的空间变化规律, 沿海拔梯度土壤CO₂通量随着海拔梯度的增加而逐渐减小,其变异系数逐渐增加;就日变化而言,土壤CO₂通量晚间维持在较低水平,02：00～06：00最低,在07：00～08：30开始升高,11：00～16：00达到峰值,16：00～18：30开始下降,整个过程呈单峰曲线.土壤CO₂通量的日平均值介于(0.56±0.32) ～ (2.53±0.76) μmol·(m²·s)^-1.从季节变化来看,土壤CO₂通量均以夏秋季较高,春冬季排放量较低,7～8月份达到最大值［4.736 μmol·(m²·s)^-1］,6月与9月份次之,5月与10月份基本一致,整个生长过程总的变化趋势呈单峰曲线形式.高山草甸土壤CO₂通量在植物生长季与10 cm土壤温度、土壤含水量、根系生物量都存在不同程度的正相关关系,表明高山草甸土壤CO₂通量的空间变异主要受温度、水分和植物根系的综合影响.     

黄土高原典型林木根际土壤微生物群落结构与功能特征及其环境指示意义

通过研究黄土高原典型林木根际土壤微生物群落结构,为正确评价该生态恢复区土壤环境恢复状况提供理论依据.利用湿筛倾析法、涂平板法和BIOLOG法研究了陕北黄土高原4种典型林木丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)孢子密度与土壤微生物群落结构多样性.结果表明,沙棘AMF孢子密度为刺槐的2.24倍,顺序为沙棘>狼牙刺>柠条>刺槐,不同林木土壤细菌和放线菌数量达极显著差异(p<0.01),真菌数量差异不显著(p>0.05).同一林木土壤细菌对BIOLOG-ECO板中碳源的利用优势种类和利用程度呈现明显的差异性;主成分分析表明对主成分1和主成分2贡献大的碳源为14种和8种,柠条和沙棘土壤典型变量值的变异(离散)较小,而狼牙刺和刺槐土壤典型变量值的变异较大.相关性分析表明,AMF孢子密度与细菌数量、氨基酸类、多胺类和芳香化合物类碳源呈极显著正相关(p<0.01),与真菌数量、放线菌数量和细菌总代谢活性呈显著正相关(p<0.05),但是与羧酸类、糖类和多聚物类碳源相关性不显著(p>0.05).AMF孢子密度可以作为评价陕北黄土高原林木土壤细菌生理代谢类群及其多样性的环境生物学指标.     

更新世黄土高原强烈侵蚀期发生的环境条件

在更新世,黄土高原经历了若干堆积-侵蚀旋回。其中黄土堆积主要发生在冷干期,而强烈土壤侵蚀发生的环境条件至今尚无统一认识,其确定对了解黄土高原地貌的演化过程和更新世侵蚀期的求得均具有重要意义。通过对比黄土高原侵蚀模数分布图与新构造运动分区图,得出侵蚀模数高值区与构造抬升强烈区并不吻合,推断黄土高原侵蚀期发生的主要原因不是构造抬升。在野外考察中,寻找了多个侵蚀面,并与邻近较为完整的黄土-古土壤剖面进行比照,发现侵蚀面主要存在于黄土层上部,其上覆的古土壤层一般保存完整,说明土壤侵蚀主要发生在黄土层,即气候由冷干向暖湿的过渡时期。这一结论为求取黄土高原第四纪侵蚀期提供了理论依据。     

Analysis and improving ways for water condition in winter wheat field of dryland in subhumid areas of the loess plateau

Based on the soil moisture data from the locating experiments from 1986-1990, and using the water balance method, the water supply and demand state in the field of winter wheat, and the ways for improving water condition in dryland of subhumid by dry area of the Loess Plateau were studied. The results suggested that a low precipitation satisfying ratio of 42.9%-58.8% appears in the growing period of winter wheat, and the yield, to a great extent depends on the water that was stored in deep soil layer in the previous rainy season. The filed trial results showed that tillage in the summer fallow period,straw cover, soil moisture regulation with adequate fertilization, crop rotation and proper croppingsystem could be the efficient ways for improving the water condition,and for the exploitation and utilization of natural water resources(both precipitation and soil water) in the winter wheat field of dryland.     

黄土高原典型土壤有机碳和微生物碳分布特征的研究

以阐明黄土高原典型区域土壤有机碳(SOC)含量和储量及微生物碳(Mc)含量随土壤类型、土层和土地利用方式变异规律为目的,研究了从北向南依次分布的干润砂质新成土(神木)、黄土正常新成土(延安)和土垫旱耕人为土(杨凌)等典型土壤的SOC含量和储量及Mc含量的变化特征。结果表明,不同土壤类型、不同土层SOC和Mc含量存在显著差异。同一土壤类型SOC和Mc含量在0～60cm随土层深度增加下降很明显,60～120cm土层有轻微下降,120cm土层以下低而稳定,同层次土壤从南到北,SOC、Mc和SOC储量含量显著下降,均以土垫旱耕人为土最高,黄土正常新成土次之,干润砂质新成土最低,且差异显著(P<0.05);0～200cm土层SOC总储量也沿土垫旱耕人为土(102.23±30.12t/hm²)、黄土正常新成土(67.78±9.23t/hm²)、干润砂质新成土(27.07±4.59t/hm²)依次下降;土垫旱耕人为土、黄土正常新成土和干润砂质新成土在100～200cm土层SOC累积量分别是0～100cm土层的65%、74%和58%,因此在研究黄土高原SOC贮量时必需考虑深层贮量的贡献。Mc随土壤类型的变化趋势与SOC基本相同,与SOC间存在极显著正相关关系(P<0.01);土壤Mc/SOC比值范围为0.005～0.05,土地利用仅对干润砂质新成土和土垫旱耕人为土SOC含量和储量影响显著(P>0.05),但对3种土壤Mc和Mc/SOC比值均产生显著影响;与农田土壤相比,草地土壤Mc和Mc/SOC比值均明显增加,这一结果说明用Mc和Mc/SOC比值更能有效反映土壤质量的变化。     

黄土高原冬小麦田土壤水分与小麦产量对降水和气温变化响应的模拟研究

明确黄土高原地区降水和气温变化对冬小麦田土壤水分和产量的影响,对探索适应气候变化的冬小麦田间管理措施具有重要的现实意义。论文在验证EPIC模型对冬小麦田土壤水分模拟精度的基础上,以历史气象数据为基础,设置TR1、TR2和TR3三个气候情景,采用作物模型模拟的方法,研究黄土高原冬小麦田土壤水分和冬小麦产量对降水和气温变化的响应。结果显示：1）1961—2010年黄土高原降水呈降低趋势,其年际间变化幅度和频率均有所增加。与1961—1970年相比,洛川、长武、运城和延安的年均降水量在2001—2010年间分别降低了18.1%、13.6%、18.8%和24.9%,其变差系数分别增加了0.029、0.087、0.02和0.057。1961—2010年黄土高原气温呈波动性增加趋势,其中日最低气温增加幅度大于日最高气温增加幅度。与1961—1970年相比,日最高气温在2001—2010年间增加了0.30~0.84 ℃,而日最低气温增加了1.00~1.55 ℃。2）EPIC模型能够较好地模拟黄土高原冬小麦田土壤水分动态变化规律,0~2.0 m土层土壤湿度观测值与模拟值间的相对均方根误差RRMSE值为6.0%~14.0%,R²和模型效率ME值分别为0.824和0.815。3）黄土高原地区降水的减少和最高气温的增加均不利于冬小麦生产,而最低气温的提高对冬小麦生产较为有利。洛川、长武、运城和延安冬小麦产量因年降水量的降低而分别减产了8.5%、7.6%、11.7%和12.3%;因日最高气温的升高分别减产了6.4%、6.8%、7.2%和-3.0%;因日最低气温的提高而分别增加了8.8%、10.2%、1.5%和12.0%。因此,为适应降水减少和日最低气温升高的趋势,黄土高原冬小麦生产区应适当调整冬小麦播期,研究并推广保水节水技术措施,充分利用气候变化对冬小麦生产的有利因素,克服不利因素,确保冬小麦的可持续生产。     

黄土高原水蚀风蚀交错区施肥对黑麦草农田土壤水溶性有机碳、氮的影响

为阐明施肥通过增加植物同化能力,是否可影响土壤可溶性有机碳(DOC)、氮(DON)为目的,采用田间试验,研究了施肥对黄土高原水蚀风蚀交错区黑麦草生长农田DOC及DON含量及累积量的影响。结果表明,不论施氮或施磷,均能提高黑麦草冠层和根系生物量,且施氮水平与黑麦草冠层和根系生物量之间均呈极显著正相关关系。施磷对土壤DOC含量影响相对较小;土壤DOC含量随施氮水平增加呈现减少趋势,0~20 cm土层土壤DOC含量下降幅度最高达25.9%;施氮后不同土层土壤DON含量及累积量增加,0~100 cm土层DON累积量与施氮量呈显著正相关关系;单施磷时0~60 cm土层土壤DON含量较不施肥对照减少,但差异不显著。以上结果表明,在黄土高原水蚀风蚀交错区,高量无机氮肥投入可增加该区植物产量及土壤DON,但不利于土壤DOC累积,说明氮肥投入对改善该地区土壤供氮能力有积极意义。     

晋西黄土高原水资源植被承载力分析及对策建议

干旱缺水始终是黄土高原地区林业水资源管理面临的难题. 为了探究造成黄土高原地区林水失衡的主要原因,以2009—2012年晋西黄土高原蔡家川流域油松人工林树干液流量与土壤水分长期连续定位观测数据为基础,采用土壤有效水与单株油松耗水量的比值来衡量该区域水资源植被承载力. 结果表明:①在油松人工林实际密度(1 300株/hm2)下,油松人工林过度耗水是深层土壤干化的主要原因;降水量是决定水资源植被承载力的主要环境因子,降水量越大,油松人工林地的水资源植被承载力就越高. ②根据构建的降水量-水资源植被承载力拟合方程,在当地年均降水量为576 mm条件下,研究区20 a林龄油松人工林地水资源植被承载力为1 084株/hm2,而油松人工林地的实际密度远大于该水资源植被承载力. 在黄土高原地区,人工林密度过高是造成深层土壤干化、植被退化等生态恶化的主要原因. 因此,将人工林密度控制在当地水资源植被承载力范围之内,是减少林地深层土壤水分消耗、调节林地水平衡的重要措施.      

GIS支持下的黄土高原土壤景观生态信息系统研究

地理信息系统具有对空间数据的存贮和管理能力,还提供强大的空间分析手段,满足了土壤景观生态研究往往要分析大量的庞杂的空间信息的要求。本文利用地理信息系统技术在黄土高原土壤景观生态学研究中开展了土壤景观生态信息系统方面的应用研究,并建立了《黄土高原土壤景观生态信息系统》,分析了黄土高原土壤景观生态信息系统的技术特征,并对建立黄土高原土壤景观生态信息系统的一些问题进行了探讨,为黄土高原土壤景观生态学研究提供科学依据。     

黄土高原生态环境的恶化及其对策

由于种种原因,黄土高原生态环境脆弱现象日益扩张,水土流失、沙漠化、干旱、沙尘暴等灾害频繁发生,生态环境的可持续性引起了科技工作者的关注。利用历史资料,从黄土高原2000a左右的自然灾害发生频率、森林植被的严重破坏、土壤侵蚀的不断加剧、人口的无限制增长以及近几十年来黄河的频繁断流等几个方面出发,说明了黄土高原生态环境在这些重要因素的影响下,表现出明显的不可持续性发展,并提出了相应的防治对策,包括加强人口控制、加快植被的恢复与重建、节约利用水资源以及提高利用效率等。该研究的目的并非消极悲观,而是正确认识黄土高原生态环境的演变历史,树立国民的环境忧患意识和可持续发展的思想,为实现黄土高原的生态安全和持续发展提供科学依据。     

Analysis and improving ways for water condition in winter wheat field of dryland in subhumid areas of the loess plateau

ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｗａｙｓｆｏｒｗａｔｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｗｉｎｔｅｒｗｈｅａｔｆｉｅｌｄｏｆｄｒｙｌａｎｄｉｎｓｕｂｈｕｍｉｄａｒｅａｓｏｆｔｈｅＬｏｅｓＰｌａｔｅａｕＺｈｏｎｇＺｈａｏｚｈａｎ，ＺｈａｏＪｕｂａｏＩ...     

黄土高原水土流失区粮食现状与增产潜力研究

以黄土高原10个试区的攻关资料为基础,从区域旱作产量潜势、试区攻关水平和试区所在县的产量现状三个层次,详细剖析了黄土高原水土流失区粮食现状和增产潜力。结果指出,该区粮食增产潜力很大,目前整体产量水平仅达到试区攻关水平的74.7%,达到旱作粮食产量潜势水平的54.2%。在黄土台塬区和丘陵区中,丘陵区的粮食增产潜力较台塬区大,前者尚有117.6%增产能力,后者仅56.6%。但考虑到人口增长和坡耕地的退垦等因素,未来30年内黄土高原水土流失区的粮食供需仍处于负平衡。     

西北黄土高原半干旱-半湿润地区旱作农田降水生产潜力及开发途径

围绕本区旱作农田生产现实,运用“肥力梯度”田区研究,和联合国FAO推荐的概算等方法,所展现出各气候类型区主要作物耗水系数,和降水应能实现的生产潜力,虽低于灌溉农田的热量生产潜力,却也令人鼓舞。研究揭示,现阶段高原旱作农田降水生产潜力受制于地力水平,即在一定范围内,地力水平与耗水系数、作物产量密切相关。研究指出:“干旱固然是高原农业生产经常威胁,然而地力不足,乃是导致水分无谓耗损的更为直接原因”。多种途径,有所侧重地培肥地力,是使降水的潜在生产力充分化为现实生产力的重要方面。     

黄土高塬沟壑区植被恢复对不同地貌部位土壤可蚀性的影响

通过采集不同地貌部位(塬面、塬坡和沟坡)各土地利用(农地、草地、灌木地和林地)坡面土壤和根系样品,采用综合土壤可蚀性指数(CSEI)评价了植被恢复对土壤可蚀性的影响。结果表明:(1)不同地貌部位的CSEI差异显著,沟坡CSEI较塬坡和塬面分别增加8.1%和77.7%。(2)塬面草地、灌木地和林地的CSEI较农地分别降低21.1%、29.2%和28.8%;而塬坡和沟坡林地CSEI均低于其他土地利用。(3)CSEI与粘粒含量、砂粒含量、毛管孔隙度、根重密度、根平均直径、根长密度及根表面积密度均呈极显著负相关,而与粉粒含量和土壤容重呈显著正相关关系;粉粒含量、土壤容重和根重密度是影响CSEI的关键因素,其中粉粒含量对CSEI的直接影响最大,而根重密度通过直接或间接作用对CSEI产生负相关影响。建议在塬面上以灌木作为植被恢复模式的首选,而在塬坡和沟坡上选择以乔木为优势群落的恢复模式对水土流失的控制更为有效。     

黄土高原不同地貌类型区农田土壤有机碳采样布点方法研究

采样设计是土壤有机碳研究中面临的首要问题。论文对黄土高原不同地貌类型区农田土壤有机碳进行抽样样本代表性评价,对比分析了不同采样方法的样点布设效率,结果表明：1）高塬区合理采样布点方法应为网格布点法,采样点布设格网间隔4 km,网格布点法较随机布点法和联合单元布点法效率分别提高64.3%和31.8%;2）平原区合理采样布点方法应为网格布点法,采样点布设格网间隔2 km,网格布点较随机布点和联合单元布点效率分别提高64.8%和128.8%;3）丘陵区合理采样布点方法应为联合单元布点法,样点布设密度为1个/1 314 hm²,联合单元布点较随机布点和网格布点效率分别提高205.8%和294.2%。     

Agricultural sustainability in a sensitive environment--a case analysis of Loess Plateau in China

Loess Plateau,an arid and semi-arid region in Northwest China,is well-known for its most serious soil erosion in terms of sediment yield each year.Soil erosion,which is intensified by agricultural activities,is the major factor influencing sustainable agriculture development in this region.It reduces productivity by removing nutrients and especially reducing water availability that is essential for crop production in the area.It also brings about off-site costs by demanding more efforts for maintenance of banks and dame along Yellow River through raising the riverbed with sediment.Climate is capricious and extreme weather conditions occur frequently,which impairs normal agricultural production with erosion and also decrease of water availability.Extensive way of farming still dominates on the Loess Plateau,which canot produce satisfying economic results and needs to be improved or altered.Conventional agricultural production pattern needs to be reconsidered for husbandry has not been granted its due position.Agriculture is the backbone of economy.Poor agricultural production impedes economic development and vice versa,backward economy also influences the advancement of agriculture.Besides a large population,education status of farmers is another threshold that requires being resolved for a sustainable agriculture.Although conventional agriculture has been practiced there for more than 5000years,now it cannot meet the demand for food and fiber by the increasing population and some of its farming practices are contributing to environmental degradation directly or indirectly and can sustain no longer.Agriculture on Loess Plateau needs to find its own way of sustainability.To work toward a sustainable agriculture,chances and challenges both indwell on Loess Plateau.     

Agriculture sustainability in a sensitive environment--a case analysis of Loess Plateau in China

Loess Plateau, an arid and semi-arid region in Northwest China, is well-known for its most serious soil erosion in terms of sediment yield each year. Soil erosion, which is intensified by agricultural activities, is the major factor influencing sustainable agriculture development in this region. It reduces productivity by removing nutrients and especially reducing water availability that is essential for crop production in the area. It also brings about off-site costs by demanding more efforts for maintenance of banks and dams along Yellow River through raising the riverbed with sediment. Climate is capricious and extreme weather conditions occur frequently, which impairs normal agricultural production with erosion and also decrease of water availability. Extensive way of farming still dominates on the Loess Plateau, which cannot produce satisfying economic results and needs to be improved or altered. Conventional agricultural production pattern needs to be reconsidered for husbandry has not been granted its due position. Agriculture is the backbone of economy. Poor agricultural production impedes economic development and vice versa, backward economy also influences the advancement of agriculture. Besides a large population, education status of farmers is another threshold that requires being resolved for a sustainable agriculture.Although conventional agriculture has been practiced there for more than 5000 years, now it cannot meet the demand for food and fiber by the increasing population and some of its farming practices are contributing to environmental degradation directly or indirectly and can sustain no longer. Agriculture on Loess Plateau needs to find its own way of sustainability. To work toward a sustainable agriculture, chances and challenges both indwell on Loess Plateau.