生物固氮是生态系统氮素的主要来源,而土壤根瘤菌的多样性及其在大豆上的应用效果还需深入研究.本研究采集了东北黑土大豆种植区8个样点的大豆土壤根瘤样本,共分离出94株菌,经16S rRNA及共生基因(nodC、nifH)分析鉴定,其中70株为根瘤菌,且均属于慢生根瘤菌属.为进一步验证根瘤菌的应用效果,根据系统发育分析结果挑选了 7株代表性土著根瘤菌,基于实验室条件开展了菌株与大豆结瘤及促生能力测定试验.结果表明:与不接种根瘤菌的对照相比,7株土著根瘤菌都具有较好的促生及结瘤能力,其中,菌株H7-L22和H34-L6的表现尤为突出,前者处理的大豆株高显著提高了 25.7％,后者处理的大豆根瘤干重比其他土著根瘤菌处理高20.9％～67.1％.选取这两株高效根瘤菌进一步开展大豆根瘤菌接种田间试验,发现接种混合根瘤菌剂的促生效果显著优于单一接种处理,与不接种对照相比,H7-L22处理的大豆增产8.4％,而混合菌剂处理的大豆产量增加了 17.9％,同时大豆的四粒荚数也显著提升.综上,根瘤菌菌剂的应用能够显著提升大豆产量,从而减少大豆生产过程中对氮肥的依赖,有助于提升土壤健康水平,促进东北黑土地区农业的绿色发展.

融雪期的侵蚀外营力主要以冻融和融雪径流为主,该营力可能会影响土壤结构和团聚体稳定性,从而对融雪侵蚀过程产生影响.在融雪期,融雪径流过程会导致团聚体输移破碎,但是关于冻融对团聚体输移破碎的影响研究鲜有报道.本研究以东北典型黑土区5～7和3～5 mm团聚体为对象,分析了不同冻融次数(0、1、5、10、15和20次)下水稳性团聚体组成、平均重量直径(MWD)、标准化平均重量直径(NMWD)和不同冻融次数、不同输移距离(5、10、15、20、25和30 m)下团聚体输移破碎率(BR)及冻融和输移共同作用对BR的贡献度(CT),研究融雪期典型黑土团聚体输移破碎特征.结果表明:5～7和3～5 mm团聚体冻融循环后主要以0.5-1 mm粒径为主,随着冻融次数增加其MWD值总体呈下降趋势,并且在相同冻融次数下3～5 mm团聚体NMWD大于5～7 mm.5～7和3～5mm团聚体随着输移距离的增加BR逐渐增加,尤其是在1次冻融条件下,与未冻融组相比输移距离为5、10、15、20、25和30 m时BR分别显著增加59.7％、32.2％、13.7％、6.2％、13.4％、7.5％和 60.0％、39.0％、18.4％、13.0％、6.3％、6.1％;但随着冻融次数的增加,BR 增加相对缓慢.团聚体输移破碎主要受输移距离(CT=54.6％)和冻融循环(CT=26.2％)的影响,并且冻融循环主要改变团聚体稳定性,进而影响团聚体输移破碎率.可见,在融雪期,冻融循环降低了土壤团聚体稳定性,致使融雪径流过程中团聚体输移破碎严重,土壤更易随水流迁移引发水土流失,因此,应重视该时期的土壤侵蚀及其防治.

东北作为我国重要农产品基地,其黑土有机质含量可达普通土壤的十倍.近年来由于过度的开发与利用,导致黑土质量下降,因此研究农田防护林对土壤质量的改善具有战略意义.为探讨农田防护林对黑土质量的改善效果,以不同林龄(Y1:林龄是1 a的小黑杨;Y5:林龄是5 a的小黑杨;Y6:林龄是6 a的小黑杨;Y8:林龄是8 a的小黑杨)小黑杨林下土壤为研究对象,通过测定小黑杨防护林样地的土壤理化性质,分析不同林龄小黑杨林下土壤理化性质的差异,并通过最小数据集方法对林下土壤质量进行评价.结果显示:(1)不同林龄土壤质地为:Y1:砂质土壤;Y5:壤土;Y6:粉砂质土壤;Y8:粉砂质土壤.(2)土壤透气保水性随林龄增长向良性方向演化,表层土壤容重由1.33 g/cm3减小到1.17 g/cm3,不同土层间差异不显著,且土壤物理指标与树木生长量及其他土壤因子具有较强的相关性.(3)土壤pH随林龄减小,随土层呈波动性变化,范围在6.19-6.58之间.土壤养分随林龄呈波动性变化,垂直变化差异显著,除速效钾外均富集在表层,各土壤养分元素之间相关性较弱.(4)土壤微量元素有效态含量在不同林龄及土层均差异显著,且各元素之间相关性较强.(5)基于最小数据集的构建发现,影响不同林龄小黑杨土壤质量的最小数据集指标包括全氮、全钾、饱和持水量、速效磷、钙、锰,经总数据集验证所构建的最小数据集可体现小黑杨林下土壤质量有效信息.(6)小黑杨不同林龄土壤质量指数介于0.358-0.667,土壤质量综合得分排名为Y8＞Y6＞Y5＞Y1.基于以上发现,小黑杨作为农田防护林对黑土区土壤质量改善效果明显,土壤保水透气性显著提升,土壤化学养分及微量元素含量部分提高,且不同林龄小黑杨对养分的循环利用效果差异显著.为实现黑土资源的合理利用,本研究建议随防护林林龄增加,更改林下套种作物以提高土壤质量及作物产量,为幼龄防护林对黑土区耕地的可持续利用提供科学依据.

稻田甲烷排放是农业源甲烷排放的主要来源.东北黑土地区是我国最大的粮食生产基地,农业温室气体减排是实现黑土地永续利用的关键议题之一.运用稻田甲烷排放模型(CH4MOD)核算并分析了 2009-2018年东北黑土地区稻田甲烷排放的时空演变特征,结合GOSAT卫星遥感数据探究了水稻生产与区域甲烷排放的时空动态联系,进一步量化了稻田甲烷对区域甲烷排放的贡献程度及不同情景下的排放潜力.结果表明,受水稻生产面积扩张和排放强度提高的影响,东北黑土地区稻田甲烷排放总量从2009年的39.05万t增加到2018年的79.53万t.东北黑土地区区域甲烷排放在季节变化和栅格单元上表现出与稻田甲烷排放较为一致的时空动态,大规模的稻田耕作可能会增加水稻生产与区域甲烷排放直接相关的可能性.随着水稻持续扩种稳产,2018年东北黑土地区水稻生产贡献了区域甲烷排放总量的15.04％,其中黑龙江省的贡献率高达31.06％.在基准发展情景下,预计2035年东北黑土地区稻田CH4排放量较2018年增加19.5％;在粮食供给保障情景下,维持当前稻田耕作面积,水稻生产集约化程度提高,预计其稻田CH4排放量较2018年减少0.88％;在此基础上,采取促进秸秆还田、增施有机肥、实施节水间歇灌溉等稻田管理措施将使稻田CH4排放量增加17.8％-63.6％.以满足膳食需求和供给保障为导向,优化水稻种植结构、控制稻田耕作面积,推动技术进步、品种改良以提升单产水平,采取化肥和有机肥搭配施用、节水间歇灌溉等途径能够缓解稻田甲烷排放.研究综合运用自上而下的遥感数据和自下而上的模型运算,刻画了水稻生产与区域甲烷排放的时空联系,进一步评估了稻田甲烷的排放潜力及减排措施的减排效果,为促进东北黑土地区农业甲烷减排和生产布局优化提供了理论依据和决策参考.

阐明东北黑土区玉米秸秆不同还田方式的土壤温度效应,对农田秸秆管理和热量资源高效利用具有重要意义.本研究在大田试验条件下,设置传统垄作秸秆不还田(CT)、秸秆深翻还田(PTSR)、秸秆碎混还田(RTSR)和秸秆覆盖还田(NTSR)4个处理,2018-2020年测定了玉米生育期5、15、30 cm 土壤温度和含水率动态变化及秸秆覆盖率,分析了不同处理各土层温度差异、≥10℃ 土壤积温和有效积温(GDD)、土壤温度日动态变化和空气积温生产效率,以及影响土壤温度差异的因素.结果表明:不同处理主要影响玉米播种至出苗期(S～VE)的土壤温度,土壤日平均温度呈现CT＞PTSR＞RTSR＞NTSR的趋势,随着生育进程推进和土壤深度增加土壤温度差异逐渐缩小.与CT相比,PTSR、RTSR和NTSR处理5 cm 土壤温度分别降低0.86、1.84和3.50 ℃;NTSR处理显著降低了不同土层≥10℃积温和GDD,5、15和30 cm 土层≥10℃积温分别降低216.2、222.7和165.1 ℃·d,GDD分别降低201.9、138.7和123.9 ℃·d;NTSR处理还显著降低了空气积温生产效率,降幅为9.7％～15.6％.综上,PTSR和RTSR对玉米播种至出苗期表层土壤温度会产生显著影响,但是对空气积温生产效率无显著影响;而NTSR显著降低了耕层土壤温度和空气积温生产效率.

科学评估覆盖作物种植体系的生态系统服务价值可以为东北地区保护性耕作模式构建提供重要参考.本研究基于实证分析,以生态系统服务价值为理论基础,选取禾本科作物黑麦草、豆科作物紫花苜蓿和毛苕子作为覆盖作物分别与玉米间作,以玉米单作模式为对照,从产品供给、气体调节、养分循环和水土保持四大生态系统服务方面进行生态系统服务价值的核算.结果表明:覆盖作物-玉米间作模式的生态系统服务价值均高于玉米单作,其中养分循环价值最高,其次是产品供给价值,占比分别为67.3％和29.3％.覆盖作物-玉米间作模式的养分循环价值均高于玉米单作模式;紫花苜蓿-玉米、毛苕子-玉米的产品供给价值显著高于黑麦草-玉米,分别增加了18.7％和21.0％;种植覆盖作物具有增加气体调节价值的潜力,但对水土保持价值的影响较小.综合生态系统服务价值,选择豆科覆盖作物-玉米间作可以获得最大效益.

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～ 7.02t·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.

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,是全球生态与环境研究的关键区之一.为了研究农田生物群落构建过程,探索其多样性维持机理,本研究于2015年在东北典型黑土区建立了16 hm2的农田生物多样性监测样地,按照作物生长期,于玉米生长大喇叭口期(8月初)、抽穗期(9月初)和成熟期(10月初)对陷阱法获取的地表大型节肢动物进行了统计分析.结果表明:3次调查共获得地表大型节肢动物5284只,隶属于节肢动物门3纲12目32科47种.调查中优势类群3类,常见类群11类.节肢动物营养功能群中植食性和杂食性节肢动物所占比重较大.地表大型节肢动物物种数量和个体数量随作物生长期有显著变化.9月初节肢动物的Shannon多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数相对较高,8月初Simpson优势度指数较高.从不同物种的变异系数(CV)及群落空间插值可以看出,节肢动物群落在水平方向上存在异质性.在与土壤环境因子关系上,双变量相关分析表明,不同月份地表大型节肢动物总个体数与土壤pH值、有机质、全氮、含水量的相关性均未达到显著性水平;典范对应分析(CCA)进一步表明,优势类群和常见类群对环境因子具有较强的适应能力,在研究区内分布广泛.农田生物多样性监测样地内地表节肢动物物种组成丰富,在作物不同生长时期地表节肢动物群落组成及空间分布格局具有明显的变化过程.农田生物多样性监测样地通过大尺度、长时间对样地内土壤动物空间过程进行监测,可以为解决群落生物多样性形成和维持机制提供重要手段.

东北黑土区上坡汇流对坡面土壤侵蚀有重要影响,因此辨析降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响对农田土壤侵蚀防治有重要意义.通过设计不同降雨强度和汇流速率以及二者组合的模拟降雨及上方汇流试验,分析了降雨和汇流对黑土坡面侵蚀的影响及其贡献.试验处理包括两个降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)、两个汇流速率(50 mm/h和100 mm/h,即:10 L/min和20 L/min)、以及4种不同降雨强度和汇流速率的组合((50+50) mm/h、(50+ 100) mm/h、(100+50) mm/h和(100+ 100)mm/h).结果表明,在50 mm/h和100 mm/h上方汇流引起的坡面侵蚀量仅分别是50 mm/h和100 mm/h降雨引起坡面侵蚀量的1.9％和0.6％;当降雨强度和坡上方汇流速率分别由50 mm/h增加至100 mm/h时,降雨试验处理下的坡面侵蚀量增加6.1倍,汇流试验处理下的坡面侵蚀量增加3.2倍,说明降雨对坡面土壤侵蚀的影响显著大于汇流的作用.在降雨和汇流组合试验中,总供水强度(降雨强度+汇流速率)为150 mm/h时,降雨强度为100 mm/h和汇流速率为50 mm/h组合试验的坡面侵蚀量是降雨强度为50 mm/h和汇流速率为100 mm/h组合试验坡面侵蚀量的7.9倍.在相同汇流条件下,降雨强度由50 mm/h增加到100 mm/h时,降雨强度的增加对坡面侵蚀量的贡献率为89.6％-99.5％;而在相同降雨条件下,坡面汇流速率由50 mm/h增加100 mm/h时,汇流速率的增加对坡面侵蚀量的贡献率为17.2％-78.7％,说明在东北黑土区防治坡面汇流对坡面土壤侵蚀影响也尤为重要.

植被是陆地生态系统的重要组成部分,在调节气候、水土保持等方面具有重要作用,因此,监测植被生长变化并探讨其与气候变化之间的关系,在全球变化研究中具有重要意义.基于MODIS NDVI和GIMMS NDVI数据集,并通过一致性检验,在区域和像元两个空间尺度上,利用一元线性回归模型,研究东北黑土区1982-2016年植被生长动态,分析植被生长对气温和降水量的响应程度.结果表明:区域尺度上,1982-2016年东北黑土区植被生长季NDVI变化分为3个阶段(先增加继而减少最后再增加),区域植被的生长在气温、降水量的共同作用下,呈现出明显季节差异;像元尺度上,1982-2016年东北黑土区NDVI总体趋势为改善状态,主要改善植被类型为草原、森林和农业植被,鹤岗市、绥化市和长春市改善面积较大;多年平均NDVI值与同期气温和降水量具有一定的相关关系,平原地区植被NDVI与气温主要呈显著正相关关系,植被类型主要为耕地;平原地区边缘和山地地区的植被NDVI与降水量以显著正相关关系为主,主要植被类型为森林和草地.