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热带海岛荒地土壤肥力恢复与重建实践研究

热带海岛荒地土壤肥力恢复与重建实践研究

作者：卓志清海南师范大学

学位级别：硕士

荒地是我国重要的后备土地资源,具有巨大的开发潜力。我国现有宜农荒地约为3500万公顷,若使该类土地资源得到有效利用,既可以扩充我国耕地保有量,同时也可以缓解经济作物与粮争地的矛盾。海南荒山荒地是重要的热带土壤资源,总面积约117... 详细信息

荒地是我国重要的后备土地资源,具有巨大的开发潜力。我国现有宜农荒地约为3500万公顷,若使该类土地资源得到有效利用,既可以扩充我国耕地保有量,同时也可以缓解经济作物与粮争地的矛盾。海南荒山荒地是重要的热带土壤资源,总面积约117万公顷,依据其自然条件的适宜性以及限制性,可分为宜农、宜林以及宜牧地。其中滨海、河滩沙荒地以及农区石质荒地是海南典型的宜林地和宜农地,但受自然因素和人为因素的干扰,导致区域土壤质量退化,成为了该类土壤资源利用的主要障碍。本文选择海南文昌锦山镇山雅村的沙荒地、海口石质荒地以及海口新坡镇雄丰村塘柳塘河塘底泥及其沿岸河滩沙地作为研究对象,分别采取生物措施和工程措施对三种荒地土壤进行改良,分析土壤理化性质及植物生长变化特征,并开展不同恢复措施下土壤肥力状况综合评价。通过比较塘柳塘底泥与周边农田土壤性状差异以及污泥施用对土壤环境的影响,评价河塘底泥和城市污泥资源化的可能性,为海南荒地资源的合理开发和土壤改良提供科学依据。1滨海沙荒地土壤肥力恢复的实践研究,结果表明:(1)灰色关联分析和土壤退化指数分析的结果一致,表明不同植被类型对沙荒地土壤质量的改良效果存在显著差异。其中林灌混交林土壤质量关联度值最高(0.7028),土壤恢复效果最好。草地(0.6916)次之;同一坡面的各林地类型中,坡下林地土壤质量关联度值最高(0.6893),坡上林地次之(0.6816),坡中林地(0.6637)最低,土壤质量最差;植被恢复是滨海沙荒地土壤改良的有效措施。(2)在海南岛东岸滨海退化沙坡地的生态恢复过程中,应以自然恢复为基础,结合退化地区的地形条件采用林灌、林草相结合的方式进行。在恢复早期种植抗旱草类,待沙坡地基质稳定,土壤水分提高后,再栽种速生木麻黄以及乡土树种,从而实现不同植被类型在植被恢复过程中的优化配置,逐步改变滨海沙坡地生态环境。2河塘底泥用作工程措施改良土壤,实现底泥资源化研究。结果表明:(1)底泥粒径分形维数与沿岸农田分形维数的均值分别为2.662和2.591,因农田土壤颗粒的选择性流失,造成底泥粒径分形维数值略高于对农田土壤。底泥和农田土壤的分形维数与黏粒、粉粒和有机质呈显著正相关关系,而与砂粒呈显著负相关;分形维数可以作为衡量底泥质地特征的重要指标。(2)底泥与周边农田土壤在粒径组分上非常相似,均以极细砂、粉砂为主,其质地类型都以黏壤土、壤土为主;底泥具有较高的肥力,且与周边农田相比,底泥的质地呈现“细化”特征;塘柳塘底泥可以用于附近土壤的改良。3火山岩石质荒地土壤肥力重建的实践研究,结果表明:(1)土壤中有机质、全氮、全钾、总盐分的含量随着污泥施用量的增加而增加,当污泥施用容积量超过10%时,就能提高土壤的养分;当污泥施入容积量为30%时,以上各项指标均达到试验设计梯度的最大值。各施泥处理土壤中重金属含量较对照CK均有明显下降,一次性施用污泥容积量为20%及以下水平较为合适,超过20%时重金属含量有增加趋势。(2)污泥施用后,各处理狼尾草体内重金属含量与对照相比均呈下降趋势,重金属Cr、Ni、As、Cd、Pb、Hg含量均低于国家饲料卫生标准(GB 13078-2001)限值。各污泥处理狼尾草体内重金属富集系数均小于1,短期内重金属迁移、富集效果不明显。综合土壤质量状况及狼尾草的饲用安全,在石质荒地土壤改良中,污泥的施用容积量控制在20%及以下较为合适,即可满足植物生长所需的养分,也可有减轻重金属对土壤和环境的危害,同时保证了狼尾草的产量和经济效益。

关键词：荒地灰色关联分析土壤改良城市污泥重金属富集系数

基于EFAST的不同生产水平下WOFOST模型参数敏感性分析

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农业机械学报 2020年第2期51卷 161-171页

作者：兴安卓志清赵云泽李勇黄元仿中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 自然资源部农用地质量与监控重点实验室北京100035

为探讨参数敏感性分析结果在区域尺度上表现出的不确定性问题,在温带季风气候类型黄淮海平原旱作区不同积温区内选取黄骅、商丘和驻马店3个站点,基于气象和作物生育期数据以及土壤实测数据,采用EFAST(Extended Fourier amplitude sensit... 详细信息

为探讨参数敏感性分析结果在区域尺度上表现出的不确定性问题,在温带季风气候类型黄淮海平原旱作区不同积温区内选取黄骅、商丘和驻马店3个站点,基于气象和作物生育期数据以及土壤实测数据,采用EFAST(Extended Fourier amplitude sensitivity test)方法,对WOFOST模型冬小麦和夏玉米参数进行全局敏感性分析,并对2种作物在不同生产水平和不同气候条件下的参数敏感性排序进行一致性检验。结果表明:冬小麦产量在潜在生产水平下主要敏感参数有叶龄的低温阈值(TBASE)、储存器官同化物转化效率(CVO)、总同化速率在低温3℃时的校正因子(TMNFTB 3)等,在水分限制生产水平下主要敏感参数有蒸散速率修正因子(CFET)和储存器官同化物转化效率(CVO)等;夏玉米在2种生产水平下产量敏感参数差异不大,主要为总同化速率低温10℃时的校正因子(TMNFTB 10)、每日温度为40℃时单叶片同化CO 2的初始光能利用效率(EFFTB 40)、35℃时叶片生命周期(SPAN)等;冬小麦、夏玉米在不同生产水平下的TDCC系数(Top-down concordance coefficient)分别为0.82和0.98,P均小于0.01,参数敏感性排序的一致性均较高;冬小麦和夏玉米在不同气候条件下潜在生产水平TDCC系数分别为0.92和0.98,P均小于0.01,一致性较高,水分限制生产水平TDCC系数分别为0.61和0.86,P均小于0.01,一致性较差。WOFOST模型不同作物间参数敏感性差异明显,不同生产水平对参数敏感性的影响较小,但受水分胁迫程度的影响,不同气候条件对参数敏感性影响较大,且对不同生产水平下参数敏感性的影响不同,这主要与不同时空下的气候条件差异有关。

关键词： WOFOST模型全局敏感性分析生产水平气候条件一致性检验

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酸化对茶园土壤矿物转变及供钾能力的影响

茶叶科学 2023年第1期43卷 17-26页

作者：麻万诸朱康莹卓志清浙江省农业科学院数字农业研究所浙江杭州310021 农业农村部农产品信息溯源重点实验室浙江杭州310021

酸化是种植茶树后土壤变化的普遍现象。为了解酸化对茶园土壤矿质组分和钾素的长期影响,选择花岗岩发育的红壤茶园为研究对象,以相邻林地为对照,采用实地采样分析与模拟试验相结合的方法,研究长期种植茶树20 a和50 a后土壤酸化导致的土... 详细信息

酸化是种植茶树后土壤变化的普遍现象。为了解酸化对茶园土壤矿质组分和钾素的长期影响,选择花岗岩发育的红壤茶园为研究对象,以相邻林地为对照,采用实地采样分析与模拟试验相结合的方法,研究长期种植茶树20 a和50 a后土壤酸化导致的土壤矿物和土壤钾素形态的变化,以及酸化对外源钾肥在土壤中钾形态转变的影响。结果表明,茶园土壤酸化降低了土壤缓效性钾的容量,减少了砂粒和粉粒中云母、长石等含钾矿物含量,促进了土壤黏粒中2∶1型(伊利石)矿物向1∶1型矿物(高岭石)的转变,降低了土壤总钾量。随着土壤酸度的增加,土壤中矿物态钾和缓效钾的比例逐渐下降,水溶态钾的比例逐渐增加。土壤酸化后,施入土壤中的钾主要以活性较高的水溶态和交换态存在,向非交换态转化的比例明显降低,土壤对外源钾的缓冲性逐渐下降。在酸性土壤中施用沸石可增强土壤对钾素形态转变的缓冲性。研究认为,茶园土壤酸化可显著降低土壤总钾量,减弱土壤供钾能力及对肥料钾的缓冲能力。

关键词：茶园酸化含钾矿物供钾能力钾形态缓冲性

用SahysMod模型研究不同灌排管理情景土壤水盐动态

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农业工程学报 2020年第11期36卷 129-140页

作者：黄亚捷李贞卓志清兴安黄元仿中国农业大学土地科学与技术学院/农业农村部华北耕地保育重点实验室/自然资源部农用地质量与监控重点实验室北京100193 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所北京100081

银北灌区是宁夏土地整治和高标准灌溉绿洲农田建设的重点区域。该区域耕荒地交错分布、土壤盐渍化严重。通过模型分区模拟,在土地整治过程中建立完整、配套的灌排系统是解决区域土壤盐渍化的有效措施。该研究以银北灌区典型区域-西大滩... 详细信息

银北灌区是宁夏土地整治和高标准灌溉绿洲农田建设的重点区域。该区域耕荒地交错分布、土壤盐渍化严重。通过模型分区模拟,在土地整治过程中建立完整、配套的灌排系统是解决区域土壤盐渍化的有效措施。该研究以银北灌区典型区域-西大滩为例,综合考虑荒地与耕地土壤属性的空间变异性,以2015-2016年土壤盐分数据进行率定,2017年盐分数据作为验证,利用SahysMod探索在土地整治过程中不同灌排管理下未来10 a内土壤水盐动态变化。结果表明,现有灌排管理下(即灌水量为670 mm,灌溉水电导率为1.05 dS/m,排水沟深1.5 m),荒地土壤盐分在预测初期(2017-2022年)逐年升高,预测后期(2023-2027年)变化平缓;耕地土壤盐分在预测初期变化缓慢,预测后期逐年增加。加大灌水量是解决土壤盐渍化的一个重要途径,可以有效延迟耕地盐分累积到障碍水平的时间;在灌溉水电导率为0.6 dS/m情况下,未来10 a内耕地都不会受到盐害胁迫;现有灌排管理下,在2024年以后作物生长就会受到盐害胁迫,当灌溉水电导率继续增加时,作物生长受到胁迫的时间相应提前。通过土地整治,加深排水沟深度可以延迟土壤盐分达到障碍水平的时间。在整治过程中深为2.2 m的排水沟,可保证未来10 a内耕地盐分小于1.7 dS/m,区域内玉米可正常生长。研究可为在土地整治过程中的灌排管理及土壤盐渍化防治提供建议。

关键词：土壤排水土地整治 SahysMod 灌排管理空间变异性水盐运动西大滩

东北旱作区土壤碳氮磷生态化学计量特征及其影响因素

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农业机械学报 2019年第10期50卷 259-268,336页

作者：卓志清李勇兴安曹梦黄元仿赵云泽中国农业大学资源与环境学院北京100193 自然资源部农用地质量与监控重点实验室北京100193

为探究旱作农田土壤碳氮磷生态化学计量特征,基于2017年采集的132个耕层(0~20 cm)土壤样品,运用地统计学和冗余分析等方法,分析了东北旱作区土壤碳氮磷生态化学计量特征的空间变异性及影响因素。结果表明:研究区土壤有机碳(SOC)、全氮(... 详细信息

为探究旱作农田土壤碳氮磷生态化学计量特征,基于2017年采集的132个耕层(0~20 cm)土壤样品,运用地统计学和冗余分析等方法,分析了东北旱作区土壤碳氮磷生态化学计量特征的空间变异性及影响因素。结果表明:研究区土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)的平均含量(质量比)分别为16.79、1.43、0.77 g/kg,且彼此间存在显著正相关关系(P<0.05);土壤C/N、C/P、N/P质量比的平均值分别为11.45、22.82、2.03,均低于全国农田土壤平均值。从空间分布规律来看,SOC、TN、TP含量均呈现由西南向东北递增的趋势,高值区主要分布在黑龙江省旱作区北部,低值区在吉林省和辽宁省旱作区西部平原区。土壤C/N、C/P的高值区主要分布在黑龙江省旱作区,低值区位于吉林省和辽宁省旱作区连片分布,N/P则整体变化较小。研究区土壤碳氮磷生态化学计量特征受人为活动、环境及土壤性状的综合影响,化肥施用强度和土地利用强度是影响土壤碳氮磷生态化学计量特征的重要人为因素,土壤容重和含水率则是影响研究区土壤碳氮磷生态化学计量特征分布规律的主要环境因子。

关键词：旱作区生态化学计量冗余分析耕层

基于最小数据集的东北旱作区耕层质量评价与障碍诊断

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农业机械学报 2021年第9期52卷 321-330页

作者：卓志清李勇勾宇轩赵云泽黄元仿兴安中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 自然资源部农用地质量与监控重点实验室北京100193

为准确评价东北旱作区耕层质量特征,针对全部初选指标采用主成分分析法(PCA)建立了东北旱作区耕层质量评价的最小数据集(Minimum data set,MDS),并运用最小数据集耕层质量指数(MDS-Plough horizon integrated quality index,MDS-PHIQI)... 详细信息

为准确评价东北旱作区耕层质量特征,针对全部初选指标采用主成分分析法(PCA)建立了东北旱作区耕层质量评价的最小数据集(Minimum data set,MDS),并运用最小数据集耕层质量指数(MDS-Plough horizon integrated quality index,MDS-PHIQI)和障碍因子诊断模型对研究区耕层质量及主导障碍因子进行分析。结果表明:东北旱作区耕层质量评价的最小数据集由土壤有机质含量、全氮含量、有效磷含量、粘粒含量、耕作层穿透阻力和压实层厚度组成,最小数据集可替代全部初选指标对东北旱作区耕层质量进行评价;东北旱作区耕层质量指数分布在0.10~0.53之间,均值为0.30,整体处于低和中等水平。东北旱作区合理耕层指标参数的适宜范围为:有机质质量比大于等于37.16 g/kg,全氮质量比大于等于1.75 g/kg,有效磷质量比大于等于26.38 mg/kg,粘粒质量分数为4.60%~6.19%,耕作层穿透阻力小于等于364.56 kPa,压实层厚度小于等于8.18 cm。东北旱作区粮食产量低产区耕层多存在结构型障碍,中产区耕层结构型障碍和养分限制共存,而高产区耕层主要表现为养分限制型障碍。整体来看,研究区耕层质量的主要障碍因素为耕作层穿透阻力、土壤全氮含量、有机质含量,需针对上述指标采取针对性的耕作和培肥措施。

关键词：旱作区耕层质量聚类分析最小数据集压实层障碍度

基于CWT-sCARS的东北旱作农田土壤有机质高光谱反演

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农业机械学报 2022年第3期53卷 331-337页

作者：勾宇轩赵云泽李勇卓志清曹梦黄元仿中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 自然资源部农用地质量与监控重点实验室北京100193 浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所杭州310058 中国建筑一局(集团)有限公司生态园林分公司北京100071

精准高效获取不同类型土壤的有机质含量,对促进东北土壤退化防治和耕地质量提升有重要意义。本研究以东北旱作农田典型土壤类型为研究对象,采集了黑土、黑钙土、潮土和棕壤共118个土壤样品,采用倒数对数、一阶微分、连续统去除和连续小... 详细信息

精准高效获取不同类型土壤的有机质含量,对促进东北土壤退化防治和耕地质量提升有重要意义。本研究以东北旱作农田典型土壤类型为研究对象,采集了黑土、黑钙土、潮土和棕壤共118个土壤样品,采用倒数对数、一阶微分、连续统去除和连续小波变换分别对其光谱曲线进行预处理。通过稳定性竞争自适应重加权采样(sCARS)算法筛选敏感波段,并建立偏最小二乘回归模型。研究结果表明:连续小波变换处理可以抑制背景和噪声的干扰,挖掘土壤光谱内隐含的有效信息,提高土壤光谱与有机质含量的相关性。sCARS算法能够提取与土壤有机质相关的重要特征信息变量,去除冗余、重叠的光谱信息,提高建模效率。黑土、黑钙土、潮土和棕壤的最佳模型均为连续小波变换模型,R^(2)分别达到了0.83、0.88、0.93和0.93;一阶微分模型也有较好的表现,而倒数对数、连续统去除的模型效果不佳。连续小波变换处理后,模型的精度和稳定性得到了显著提升,建模集、验证集决定系数R^(2)最高提升了0.13、0.28,均方根误差(RMSE)最大降低了2.48、2.40 g/kg。连续小波变换结合sCARS算法,为土壤有机质含量的高光谱快速精准估测提供了新途径。

关键词：东北旱作区土壤有机质高光谱连续小波变换稳定性竞争自适应重加权采样

复垦年限及植被模式对煤矿复垦土壤微生物多样性的影响（英文）

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农业工程学报 2019年第5期35卷 278-285页

作者：曹梦张兰兰李贞卓志清张立平黄元仿中国农业大学资源与环境学院北京100193 自然资源部农用地质量与监控重点实验室北京100193

了解露天煤矿区复垦状况及其对土壤微生物的影响机制,对于估算受损生态系统的恢复程度至关重要。该文以采用多种模式复垦的安太堡露天煤矿为研究区域,通过野外调查与采样分析,借助于Biolog EcoPlatesTM方法对复垦区和原地貌(对照)表层... 详细信息

了解露天煤矿区复垦状况及其对土壤微生物的影响机制,对于估算受损生态系统的恢复程度至关重要。该文以采用多种模式复垦的安太堡露天煤矿为研究区域,通过野外调查与采样分析,借助于Biolog EcoPlatesTM方法对复垦区和原地貌(对照)表层土壤中的微生物功能多样性状况进行了探索,评价了复垦年限和复垦植被模式对土壤微生物特征的恢复效应;并从土壤物理化学性质(土壤容重、pH值、土壤有机碳、总氮、速效氮、速效磷和速效钾)和生物性质(土壤微生物量碳和微生物量氮)中筛选可反映土壤微生物功能多样性变化的代表性指示物质。结果表明:1)露天煤矿复垦年限和复垦植被模式均对土壤微生物的功能多样性有明显影响。复垦年限越长的样地中土壤微生物有较高的活性和均匀度,但丰富度较低;若样地的复垦年限较长,复垦植物种植模式对土壤微生物多样性的作用强于复垦时长对其的影响。2)从土壤微生物多样性恢复层面分析,单一植物复垦配置的优化次序为杏树、榆树和柠条,混交林配置较优的选择为柠条×刺槐。3)土壤微生物生物量碳的含量与土壤微生物功能多样性指标Shannon-Wiener指数(ρ=–0.69,P<0.01)和McIntosh指数(ρ=–0.69,P<0.05)显著负相关,在一定程度上可作为复垦区生物多样性指示物质。研究成果将为露天煤矿及其所在区域的生态恢复、治理和监测提供参考。

关键词：土壤微生物土地复垦功能多样性露天煤矿生态恢复

海南西部桉树人工林土壤水分变化特征及其对林龄的响应

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生态学报 2015年第6期35卷 1734-1742页

作者：赵从举吴喆滢康慕谊范文斌林智卓志清海南师范大学地理与旅游学院海口571158 海南师范大学生命科学学院海口571158 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875

在海南西部儋州林场选取空间相邻、自然环境相似、不同林龄与连栽代次的桉树林样地和椰树林对照样地,通过2010—2012年连续3a定点取样,研究桉树林土壤水分变化特征及其对林龄的响应,分析桉树林种植对林地土壤水分的影响。结果表明:(1)1... 详细信息

在海南西部儋州林场选取空间相邻、自然环境相似、不同林龄与连栽代次的桉树林样地和椰树林对照样地,通过2010—2012年连续3a定点取样,研究桉树林土壤水分变化特征及其对林龄的响应,分析桉树林种植对林地土壤水分的影响。结果表明:(1)1—4月土壤含水量持续减少,5—6月波动较大,7—10月增加到年内极大值,11—12月降低,但处于年内较高水平。(2)短伐桉树林(二代5年桉树林、三代1年桉树林、三代4年桉树林)、20a桉树林以及10a椰树林5个样地的月均土壤含水量存在显著或极显著差异。二代5年桉树林与三代1年桉树林之间以及20a桉树林与10a椰树林之间的土壤含水量差异均不显著;其余各林地之间土壤含水量差异显著或极显著。(3)随着土壤深度增加,短伐桉树林与20a桉树林、10a椰树林之间的土壤含水量差异增大。表层0—30 cm短伐桉树林年均土壤含水量为6.08%,20a桉树林为7.53%,10a椰树林为6.93%;80 cm以下则分别为8.10%、11.72%和11.95%。与10a椰树林、20a桉树林相比,短伐桉树林对土壤深层水分有较大负面影响。(4)短伐桉树林、20a桉树林和10a椰树林土壤含水量的变异系数由表层到深层逐渐递减,其中林龄较大的短伐桉树林变异系数较大,且变异系数较大的土层也较深厚。与20a桉树林、10a椰树林相比,林龄较大的短伐桉树林对深层土壤水分的消耗较多。(5)连栽代次愈多,林龄越大,土壤含水量愈少;采伐之后1a桉树林的土壤含水量明显增加,有利于桉树后期生长。

关键词：土壤水分短伐连栽桉树林椰树林儋州林场