探究风蚀区草地、林地和农田土壤有机碳物理组分及其影响机制,可为风蚀区土地的碳固定与科学利用、防风措施制定以及坡耕地农田肥力修复提供科学依据.本研究在黑龙江省齐齐哈尔市梅里斯区风沙土风蚀区选取相邻近的草地、林地和坡长约350 m、坡度约5°的坡耕地农田(自下而上每100 m分别设为下坡段、中坡段和上坡段),研究0～15cm 土层团聚体有机碳和密度分组有机碳的分异.结果表明:风蚀区草地、林地和农田土壤＞2 mm团聚体均遭到破坏,＜0.053 mm团聚体显著高于其他粒级团聚体;与草地和林地土壤相比,农田各粒级土壤团聚体、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均显著减少.农田上坡段＞2 mm团聚体被完全破坏,各粒级团聚体及密度分组有机碳含量均随坡面的上升逐渐下降,重组有机碳占比逐渐减小,轻组有机碳占比逐渐增加.土壤有机碳和速效钾是影响团聚体稳定性、团聚体有机碳含量和密度分组有机碳含量的关键因子,且团聚体有机碳的流失使团聚体稳定性下降.综上,相比草地和林地,东北风蚀区农田土壤团聚体稳定性、团聚体有机碳含量、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均降低,坡耕地随坡段的上升,团聚体有机碳含量、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均降低.在风蚀区植树、保护与扩大草原面积、增加坡耕地有机物料施用等是稳固和提高土壤碳储量、改善土壤结构、提升土壤质量的有效途径.

土壤有机碳(SOC)对维持土壤肥力和农业可持续发展具有重要作用.为探究长期耕作对黑土区旱作农田土壤有机碳储量(SOCS)及其组分的影响,本研究基于39年的耕作试验,比较了不同耕作方式(旋耕起垄、免耕、深松、翻耕)对0～40 cm 土层SOCS、活性有机碳组分和微生物残体碳(MNC)含量的影响.结果表明:与旋耕起垄相比,免耕处理显著增加了 0～20cm 土层SOCS、SOC、可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)和MNC含量;深松和翻耕处理在0～20和20～40 cm 土层中显著增加了SOCS、SOC和EOC含量,并在20～40 cm 土层增加了 MBC含量.此外,翻耕处理20～40 cm 土层中DOC、颗粒有机碳和MNC含量显著高于其他处理.深松和翻耕处理相较于旋耕起垄和免耕处理,显著降低了 0～20和20～40 cm 土层中MNC对SOC的贡献率.结构方程模型表明,通过提升土壤团聚体平均重量直径、田间持水量和全磷含量,增强β-葡萄糖苷酶、淀粉酶和木质素过氧化物酶活性,能促进MNC的积累.深翻促进了 0～40 cm 土层SOC、活性有机碳和MNC的均匀分布,更有利于黑土区农田SOC的固定.

针对中心城区日益凸显的农业、生态、城镇三类空间冲突问题,借鉴田园城市理论,创新性地提出一种利用城郊高生态价值农田细化城市生态安全网络,构建"三生"空间协调有序的国土空间格局的方法.利用防城港市遥感影像、国土调查和社会经济数据,在城郊耕地综合评价的基础上,采用评价结果修正的当量因子法评估其农田生态价值.进一步利用InVEST、MSPA及MCR模型初步构建市域生态安全网络,再将高生态价值农田作为临时生态节点完成网络重构,并进行对比分析.以重构的新网络指导中心城区的规划分区优化,并对市域和中心城区两级生态网络要素的空间管控规则及联合管理机制进行了探索.结果表明:(1)防城港市区单位面积农田生态价值为35540元/hm2,高生态价值农田较均匀的环城分部.(2)重构后的网络新增34个临时节点和51条绿带,延长48.425 km,增加808.89 hm2生态源.(3)新网络能有效引导中心城区形成圈层发展结构,较原网络在连通性、有效性、稳定性上均有所提升.研究结果为注重协调发展的国土空间规划背景下区域空间格局优化提供了新的思路.

研究群落物种组成和多样性的时空动态对揭示生物多样性的分布规律以及预测全球变化情景下生物多样性的变化趋势具有重要意义.然而,在山地生态系统中,不同海拔梯度的森林群落物种多样性和系统发育多样性如何随着时间尺度的变化仍不清楚.该研究以高黎贡山南段东、西坡海拔梯度(960～2 878 m)森林群落固定监测样带的17个样方为研究对象,基于2004、2008和2013年乔木层(DBH≥5 cm)重调查数据,分析样方内物种组成、物种多样性和系统发育多样性的时空动态变化.结果表明:(1)沿着海拔梯度,物种多样性呈现单峰分布格局,系统发育多样性呈现上升的趋势,系统发育结构呈现聚集到离散或者随机的结构.(2)在时间尺度上,森林乔木层在物种多样性和系统发育多样性上并未发生显著性变化.然而,系统发育结构随着时间的推移呈现更加聚集的趋势.(3)在海拔梯度上,东坡低海拔区域(960～1 381 m)的森林群落样方呈现显著的物种丧失,其植被完全被耕地所替代.其中,诃子(Terminalia chebula)、麻栎(Quercus acutissima)、清香木(Pistacia weinmanniifolia)、枳椇(Hovenia acerba)和假香冬青(Ilev wattii)等为主要的丧失物种.相反,物种获得主要集中在西坡低海拔的样方,群落中丰富度显著增加的物种主要为曼青冈(Cyclobalanopsis oxyodon)、华山矾(Symplacos chinensis)和台湾杉(Taiwania cryptomerioides)等.据此,我们推测高黎贡山海拔梯度森林乔木层的群落结构和多样性的动态变化在中高海拔受群落演替和气候变化的制约,而在低海拔主要受人类活动的影响.该研究结果加深了对高黎贡山亚热带常绿阔叶林植物群落动态变化的认识,也有助于该地区精准保护策略的制定.

以常规施肥(化肥施用量900 kg·hm-2)为对照(CK),以化肥减施300 kg·hm-2为基础,设置生物有机肥处理(BOF1:1500 kg·hm-2、BOF2:3000 kg·hm-2、BOF3:4500 kg·hm-2、BOF4:6000 kg·hm-2、BOF5:7500 kg·hm-2),分析耕层土壤结构、养分特征、生物学特性和甜菜产量的变化,以期筛选生物有机肥在连作甜菜中的最佳施用量.结果表明:与CK相比,处理BOF1对土壤质量影响不显著;处理BOF2仅表现显著提高土壤有机质和速效钾含量;处理BOF3 土壤容重显著降低5.11％,土壤总孔隙度、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别显著增加5.92％、14.07％、18.35％、3.59％和14.61％;处理BOF4和BOF5对土壤质量和甜菜产量的影响基本一致,土壤容重显著降低9.33％和9.65％,土壤孔隙度、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别显著增加 10.82％和 11.19％、27.22％和 27.78％、31.62％和 35.42％、44.10％和 54.87％、22.93％和30.03％,土壤微生物生物量碳、氮显著提高22.78％～44.19％和23.81％～60.17％、2.45％～37.64％和16.74％～43.56％,土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性显著提高26.03％～38.61％和29.27％～44.71％、42.72％～63.20％和 51.59％～69.89％、3.59％～33.44％和 29.60％～38.62％,且两者在各指标间均差异不显著.与CK相比,处理BOF2、BOF3、BOF4和BOF5甜菜产量分别显著提高5.69％、11.82％、22.29％和11.95％,且处理BOF4产量显著高于处理BOF2、BOF3和BOF5,处理BOF4实现了连作甜菜种植效益增加12.79％.综上,化肥减施300 kg hm-2的基础上配施6000 kg·hm-2的生物有机肥能够实现连作甜菜土壤质量、产量和经济效益的协同提升.

建立健全国家公园体制对于保护自然生态系统的完整性与生物多样性具有重要意义.作为首批试点单位之一,钱江源国家公园体制试点区(以下简称"钱江源")率先开展了集体林地地役权改革,并取得了良好效果.然而地役权改革是否以及如何影响钱江源土壤及其微生物,目前还缺乏系统评估.本研究对钱江源4个片区中不同改革模式下的水稻田表层土壤进行取样,每个片区内均采集4种模式的水稻田:公园内改革、公园内弃耕地、公园内未改革以及公园外未改革.利用高通量测序研究土壤微生物群落的组成与结构,并利用多元统计分析等剖析塑造微生物群落空间格局的驱动因素.结果发现,与其他3类土壤相比,弃耕地具有更低的氮磷等营养元素含量和重金属元素含量;其他3类土壤的理化性质则较为相似.在微生物方面,细菌群落以变形菌门(48.57％)和酸杆菌门(31.62％)为主;真菌群落以子囊菌门(78.31％)和担子菌门(16.38％)为主.不同模式下的细菌群落差异较大,尤其是弃耕地与其他3类均具有显著性差异,其他3类则较为相似.真菌群落的变异相对较小,仅公园外未改革和弃耕地间具有显著差异.细菌群落组成的空间变异与土壤环境因子显著相关,其中具有主要影响的前5个环境因子分别是pH、铬、全氮、有效磷和有机质.真菌群落组成的空间变异与土壤环境因子间未发现显著相关性.中性群落模型分析发现,中性过程对细菌和真菌群落组成差异的形成均有重要影响.综上,初步认为,存在水稻种植的情况下,地役权改革尚未对水稻田土壤及其微生物起到显著影响;放弃种植的弃耕地则可能已经处在再野化的初期阶段.因此,地役权改革是否以及如何影响长期耕作土壤的恢复,还需要结合长期的综合监测,才能作出更为科学合理的判断.

黄土高原退耕还林(草)工程实施20年来,长期苹果种植导致了普遍的土壤干层和大量的硝态氮累积,严重制约了农业和区域经济可持续发展.因此,明确不同树龄苹果园改种粮食作物后对深层土壤干层恢复(土壤水分变化)、土壤硝态氮累积与运移的影响,对于黄土高原土壤质量改善和农业可持续发展具有重要意义.以渭北旱塬为研究区,选取10、15、20、30a树龄的苹果园以及对应树龄苹果园改种为2、5a和6a粮食作物为研究对象,通过对比分析各样地0—10m剖面的土壤含水量、土壤储水量和硝态氮含量的差异,基于空间换时间的方法定量评估苹果园改种为粮食作物后对于深层土壤水氮的影响.结果表明:(1)不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分迅速恢复,在2年之内均可恢复到7.0m左右深度.(2)改种后土壤储水量对于改种后土壤硝态氮累积量的直接影响最显著,不同林龄苹果园改种粮食作物后,土壤剖面中硝态氮随着土壤水分的恢复发生了不同程度的淋失.改种前苹果园种植年限对于改种后土壤硝态氮累积量起决定性作用,改种前林龄越长,改种后硝态氮累积量越大、淋失深度越浅.(3)土壤累积硝态氮的淋失滞后于土壤水分的向下运动.可见,不同林龄苹果园改种粮食作物后土壤水分均迅速恢复,加速了硝态氮的淋失,然而土壤水分与硝态氮的向下运动并不一致.在进行改种时需要综合考虑土壤水分恢复的同时硝态氮迅速淋失造成土壤质量下降的问题.研究对合理优化土地利用结构以及改善土壤质量等具有深远的意义.

为探明长期耕作对黑土农田土壤结构和有机碳稳定性的影响,利用黑土长期定位试验平台,应用湿筛法和红外光谱法研究不同耕作方式(灭茬起垄,CT;免耕,NT;间隔深松,ST;翻耕,MP)下0～40 cm 土层土壤团聚体分布和有机碳稳定性.结果表明:与CT相比,NT和ST处理显著提高了耕层(0～20 cm)土壤超大团聚体(＞2mm)含量,NT、ST和MP处理显著提高了亚耕层(20～40 cm)土壤大团聚体(0.25～2 mm)含量,并提高了两土层团聚体平均重量直径和几何平均直径.NT处理显著提高了耕层土壤和大团聚体有机碳含量,而ST和MP处理显著增加了亚耕层土壤和大团聚体有机碳含量,其中,大团聚体对土壤有机碳的贡献率达68.9％～83.4％.NT还显著提高了耕层和亚耕层土壤及各粒级团聚体有机碳的化学稳定性.相关性分析显示,团聚体平均重量直径与土壤和大团聚体有机碳含量及其化学稳定性呈显著正相关.本研究结果可为明确黑土区不同耕作方式对农田土壤团聚体和有机碳稳定性的影响提供理论基础.

通过渭北旱塬黑垆土8年定位试验,研究了秸秆还田下6种耕作方式,即连年翻耕(CT/CT)、免耕(NT/NT)、深松(ST/ST)和免耕/深松(NT/ST)、翻耕/免耕(CT/NT)、翻耕/深松(CT/ST)对土壤团聚体、有机碳、作物产量和水分利用效率(WUE)的影响.结果表明:与CT/CT相比,NT/NT、ST/ST及3种轮耕措施减小了土壤力稳性团聚体的平均质量直径;NT/NT、ST/ST和NT/ST措施增加了20～50 cm土层＞0.25 mm水稳性团聚体的含量(WR0.25)和平均质量直径,降低了土壤团聚体结构破坏率(PAD).在0～10 cm土层,NT/ST、CT/NT、NT/NT和ST/ST处理土壤有机碳含量显著高于CT/CT处理.随着土层加深,各耕作处理土壤有机碳含量下降,但3种单一耕作处理(ST/ST、NT/NT和CT/CT)下降幅度大于3种轮耕处理(CT/NT、ST/CT和NT/ST).与CT/CT相比,其他5种耕作方式均增加了农田0～200 cm土层的土壤蓄水量、作物产量和水分利用效率,其中,NT/ST处理作物产量和WUE分别显著提高了15.1％和27.5％.相关分析表明,玉米产量、WUE与0～ 200 cm土层生育期和休闲期的蓄水量呈显著正相关,且生育期蓄水量与0～50 cm土层的WR0.25呈显著正相关,与PAD呈显著负相关;其中,20～ 50 cm土层的WR0.25、PAD与玉米产量、生育期蓄水量以及WUE关系最密切;生育期蓄水量和WUE还与0～ 10 cm土层的有机碳含量呈显著正相关.综合考虑不同耕作措施对土壤结构、作物产量和水分利用效率的影响,免耕/深松是最适宜于渭北旱塬区黑垆土春玉米种植的耕作方式.

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(Pn)提高.STF处理的角度指数最低,DTF处理的Pn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(R0.25)和MWD对因变量角度指数、LAI和Pn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Pn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Pn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.