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土壤剖面碳氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式及其影响机制

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应用生态学报 2021年第6期32卷 1919-1927页

作者：陈淼刘顺许格希史作民中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京100091 四川米亚罗森林生态系统定位观测研究站四川理县623100 南京林业大学南方现代林业协同创新中心南京210037

土壤碳、氮稳定同位素自然丰度(δ^(13)C和δ^(15)N)随土壤深度变化的研究,对揭示碳、氮元素生物地球化学循环机制具有重要意义。本文在概述土壤剖面δ^(13)C和δ^(15)N)垂直分布特征的基础上,重点介绍了土壤δ^(13)C和δ^(15)N)垂直分... 详细信息

土壤碳、氮稳定同位素自然丰度(δ^(13)C和δ^(15)N)随土壤深度变化的研究,对揭示碳、氮元素生物地球化学循环机制具有重要意义。本文在概述土壤剖面δ^(13)C和δ^(15)N)垂直分布特征的基础上,重点介绍了土壤δ^(13)C和δ^(15)N)垂直分布模式的影响机制。土壤剖面δ^(13)C垂直分布模式的影响机制主要有3种:1)植被δ^(13)C值的历史变化;2)植物群落C3-C4植物优势度变化;3)分解过程中^(13)C富集的微生物源碳的积累。此外,讨论了^(13)C休斯效应对土壤剖面δ^(13)C垂直分布模式的影响。土壤剖面δ^(15)N)垂直分布模式的影响机制主要有4种:1)反硝化过程产生的^(15)N贫化气体的损失;2)分解过程中^(15)N富集的微生物源氮的积累;3)菌根将^(15)N贫化的含氮化合物转移到植物而在深层土壤积累^(15)N富集的菌根真菌残留物;4)土壤有机质-矿物相互作用。最后提出了未来土壤剖面碳、氮稳定同位素自然丰度的垂直分布模式研究应该关注的重点。

关键词：土壤剖面碳稳定同位素氮稳定同位素同位素分馏垂直分布

三江源地区高寒草地土壤功能的水平分异特征及其沿发生层的垂直变化

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环境科学 2023年第3期44卷 1562-1571页

作者：李柏键申聪聪刘四义吴华勇王继琛赵冬辉葛源中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100049 中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室南京210008

三江源地区是研究土壤生态系统功能响应气候变化的热点区域.为了研究三江源地区高寒草地土壤剖面功能特征和驱动机制沿发生层的差异,分析了高寒草地土壤剖面不同发生层的土壤功能指标(包括呼吸、氮转化速率和酶活等)以及与环境因子之间... 详细信息

三江源地区是研究土壤生态系统功能响应气候变化的热点区域.为了研究三江源地区高寒草地土壤剖面功能特征和驱动机制沿发生层的差异,分析了高寒草地土壤剖面不同发生层的土壤功能指标(包括呼吸、氮转化速率和酶活等)以及与环境因子之间的相关关系.结果表明,土壤功能特征在高寒草甸和高寒草原之间不存在显著差异,表层土相比于深层土具有更高的呼吸、氮转化速率和酶活.土壤理化性质中全氮含量是不同发生层土壤功能特征的关键驱动因子,分别解释了土壤功能特征18.3%、21.4%和27.5%的水平分异.气候和植被因子主要在表层土中通过改变土壤理化性质间接影响土壤功能,但是大气氮沉降在深层土中对土壤功能仍存在影响.结果显示,三江源地区高寒草地土壤表现出显著的氮受限特征,为全球气候变化背景下土壤功能多样性的维持和对气候变化的响应提供了新的见解.

关键词：三江源地区土壤剖面发生层土壤功能环境因子

基于成像高光谱技术的露天煤矿区复垦土壤剖面有机碳和全氮预测及制图

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煤炭学报 2023年第7期48卷 2949-2960页

作者：彭思涵包妮沙雷海梅刘善军杨天鸿东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110000

k露天煤矿区复垦土壤在经过开采—剥离—覆盖过程后,其有机碳(SOC)和全氮(TN)的垂直分布发生巨大变化,并且直接决定植被恢复物种的选择和生态恢复效果。因此,在双碳目标下,复垦SOC和TN在0~100 cm剖面的监测及制图,是评估矿区生态恢复及... 详细信息

k露天煤矿区复垦土壤在经过开采—剥离—覆盖过程后,其有机碳(SOC)和全氮(TN)的垂直分布发生巨大变化,并且直接决定植被恢复物种的选择和生态恢复效果。因此,在双碳目标下,复垦SOC和TN在0~100 cm剖面的监测及制图,是评估矿区生态恢复及复垦工程固碳的重要基础。相比于传统的化学方法,高光谱技术是一种快速而且无损,已经广泛应用于土壤属性估测的技术,成像高光谱技术相比于点位光谱测量具有图谱合一的优势。因此以我国北方干旱半干旱草原大型露天煤矿复垦土壤为研究对象,采集不同复垦工程、复垦年限的土壤剖面样本,揭示不同复垦年限和复垦方式下土壤剖面SOC和TN垂直分布规律和高光谱特征,通过深度挖掘和筛选SOC和TN特征波段和指数,构建可解释性机器学习模型,从而实现土壤剖面SOC和TN的制图,结果表明:(1)土壤光谱反射率随SOC和TN质量分数的增加而降低,通过集成皮尔森相关性分析和选择连续投影算法,对点状高光谱数据进行降维和去冗余,最终明确表征SOC质量分数的30个特征波段和表征TN质量分数的18个特征,并基于特征波段建立了SOC和TN三维光谱特征指数;(2)通过对比偏最小二乘回归(PLSR)、随机森林模型(RF)和径向基函数(RBF)神经网络预测模型,发现对光谱数据进行特征波段筛选和变换,可以提高预测精度,其中随机森林模型预测SOC和TN的精度最高,对SOC的预测结果为R^(2)=0.97、RMSE=7.5 g/kg、LCCC=0.84、bias=3.70,TN预测结果为R^(2)=0.78、RMSE=0.33 g/kg、LCCC=0.74、bias=0.19;(3)利用SHAP可解释机器学习模型方法对输入特征进行重要度排序,发现提出的三维光谱指数对模型预测的贡献大于大部分特征波段;(4)使用最佳模型可以快速绘制出成像高光谱图像中每个像素的SOC和TN质量分数,实现矿山土壤剖面中SOC和TN质量分数的制图和可视化。基于成像高光谱技术绘制露天煤矿区复垦土壤剖面可以揭示复垦土壤形成和演化过程,阐明复垦年限、复垦植被类型在剖面演替过程中的驱动力,为露天煤矿区复垦土壤碳汇潜力的动态监测以及土壤固碳技术的效益评价提供重要的数据来源和技术支持。

关键词：成像高光谱技术干旱半干旱露天煤矿复垦土壤土壤剖面有机碳全氮

中国西南典型森林土壤微生物在不同土壤深度下的变化特征

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应用生态学报 2023年第3期34卷 614-622页

作者：丁爽魏圣钊陈真亮邵婧段逢瑞严禹段兴武云南大学国际河流与生态安全研究院昆明650500 云南大学生命科学学院昆明650500 云南大学地球科学学院昆明650500 云南大学化学科学与工程学院昆明650500 云南大学信息学院昆明650500

微生物生物量与群落结构在碳循环过程中起着至关重要的作用。底层土存有大量有机碳,但有关微生物群落的研究多集中在表层土壤,深层土壤的微生物群落变化及影响机制尚不确定。本研究采用磷脂脂肪酸技术分析西南地区西双版纳热带雨林、哀... 详细信息

微生物生物量与群落结构在碳循环过程中起着至关重要的作用。底层土存有大量有机碳,但有关微生物群落的研究多集中在表层土壤,深层土壤的微生物群落变化及影响机制尚不确定。本研究采用磷脂脂肪酸技术分析西南地区西双版纳热带雨林、哀牢山亚热带阔叶林和丽江温带针叶林3种森林生态系统不同土壤深度(0~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm)的土壤微生物生物量及群落结构,探讨其在不同森林类型及土壤深度下的变化特征及影响因素。结果表明:随土壤深度的增加,3种森林生态系统的有机碳和全氮逐渐降低,微生物生物量显著下降;真菌∶细菌比(F∶B)逐渐减小,革兰氏阳性菌∶革兰氏阴性菌比(G^(+)∶G^(-))显著增大,微生物群落结构由G^(-)为主的富营养型细菌结构逐渐转变为以G^(+)为主的寡营养型细菌结构。3种森林生态系统的土壤生物量没有显著差异,但微生物群落结构差异显著。哀牢山亚热带阔叶林与丽江温带针叶林0~20 cm的F∶B显著大于西双版纳热带雨林,而西双版纳热带雨林0~100 cm的G^(+)∶G^(-)显著大于丽江温带针叶林和哀牢山亚热带阔叶林。冗余分析发现,土壤有机碳、全氮和碳氮比(C∶N)等是影响微生物生物量的主要因素,共同解释度为78.3%。逐步回归分析表明,C∶N是影响F∶B和G^(+)∶G^(-)的最主要驱动因子。随着土壤深度的增加,微生物群落结构的改变和微生物生物量的下降可能强烈影响西南地区森林土壤有机碳的动态变化。

关键词：垂直分布土壤剖面土壤层次磷脂脂肪酸微生物群落结构

秸秆还田配施化肥对油-稻轮作土壤固碳及作物经济效益分析

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长江流域资源与环境 2023年第9期32卷 1981-1991页

作者：何如海张博睿汪玉芳蔡影叶梦雅苏虎胡宏祥方恒安徽农业大学经济管理学院安徽合肥230036 安徽农业大学资源与环境学院安徽合肥230036 合肥经济技术学院安徽合肥230031

为提高秸秆的利用效率和综合效益,探讨秸秆还田配施化肥对农田土壤固碳能力和经济收益的影响。以连续秸秆还田7 a的定位试验田为平台,系统分析无秸秆+无施肥(CK)、常规施肥(F)、秸秆还田+常规施肥(SF)、秸秆还田+80%常规施肥(SDF)4种不... 详细信息

为提高秸秆的利用效率和综合效益,探讨秸秆还田配施化肥对农田土壤固碳能力和经济收益的影响。以连续秸秆还田7 a的定位试验田为平台,系统分析无秸秆+无施肥(CK)、常规施肥(F)、秸秆还田+常规施肥(SF)、秸秆还田+80%常规施肥(SDF)4种不同处理对巢湖地区油-稻轮作模式下不同土层(0~80 cm)土壤碳储量、固碳速率和作物经济收益的影响。(1)秸秆还田配施化肥能够提升0~50 cm土层土壤有机碳储量和固碳速率,与F处理相比较,SF和SDF处理的油菜季和水稻季碳储量增幅分别为1.20%~23.04%和3.86%~19.56%,油菜季和水稻季的固碳速率的增幅分别为-0.18~2.70倍和0.26~1.32倍。(2)与F处理相比,SF和SDF处理的油菜分别增产了8.29%和0.94%,水稻分别增产了11.04%和8.34%。(3)油菜季和水稻季SF处理的总产值和纯收益均为最大,SF较F处理油菜季总产值和纯收益分别增加了8.31%和3.34%,水稻季总产值和纯收益分别增加了11.06%和23.57%。综上所述,秸秆还田配施化肥对提升油-稻轮作土壤固碳能力、土壤肥力和经济效益具有重要意义。

关键词：土壤剖面秸秆还田碳储量固碳速率经济效益

白云岩坡地土壤流失空间分布特征及关键影响因子

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应用生态学报 2023年第2期34卷 377-386页

作者：蒙清梅付智勇邓羽松陈洪松广西大学林学院南宁530004 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室长沙410125 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站广西环江547100

本研究选择典型白云岩坡地,在上、中、下坡各设置3个土壤流失监测微区(投影长2 m、宽1.2 m),连续观测2个水文年(2020—2021年),分析土壤流失量的动态变化及其关键影响因子。结果表明:白云岩坡地不同坡位的土壤流失量依次为下坡半淋溶土(... 详细信息

本研究选择典型白云岩坡地,在上、中、下坡各设置3个土壤流失监测微区(投影长2 m、宽1.2 m),连续观测2个水文年(2020—2021年),分析土壤流失量的动态变化及其关键影响因子。结果表明:白云岩坡地不同坡位的土壤流失量依次为下坡半淋溶土(386 g·m^(-2)·a^(-1))>中坡始成土(77 g·m^(-2)·a^(-1))>上坡新成土(48 g·m^(-2)·a^(-1))。沿坡向下,土壤流失量与土壤表层含水量、降雨量的正相关关系逐渐增加,而与最大30 min雨强的正相关性逐渐降低;影响上、中、下坡土壤流失的气象因子分别为最大30 min雨强、降雨量、平均雨强和表层土壤含水量。上坡土壤侵蚀过程主要由雨滴击溅及超渗产流驱动,而下坡主要由蓄满产流驱动。土壤剖面细土体积占比是控制白云岩坡地土壤流失的关键因子,其解释率达到93.7%。下坡是白云岩坡地土壤流失的关键部位,石漠化治理应基于不同坡位的侵蚀发生机理,因地制宜布设防控措施。

关键词：地形序列土链石灰土白云岩土壤剖面产流机制水蚀过程

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矿山复垦土壤重构的理论与方法

煤炭学报 2022年第7期47卷 2499-2515页

作者：胡振琪中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116

土壤是生物之基,土壤重构是矿山土地复垦与生态修复的关键和基础。目的是革新土壤重构理念,凝练和提升土壤重构理论与方法,为矿区土地复垦与生态修复独特基础理论提供支撑。回顾了矿山复垦土壤重构的研究历史,从单元土体空间重构的视角... 详细信息

土壤是生物之基,土壤重构是矿山土地复垦与生态修复的关键和基础。目的是革新土壤重构理念,凝练和提升土壤重构理论与方法,为矿区土地复垦与生态修复独特基础理论提供支撑。回顾了矿山复垦土壤重构的研究历史,从单元土体空间重构的视角,提出了四维重构的概念,即垂直方向(Z)的土壤剖面重构、水平方向(X,Y)的地貌重塑、时间维(t)方向的土壤改良,其中垂向剖面重构是土壤重构的核心,也是土壤重构的狭义概念。总结国内外矿山生态修复成功经验与失败教训,依据土壤发生学原理和师法自然的理念,提出了“土层生态位”和“土壤关键层”的概念,认为不同土层有其独特的生态功能和空间位置,将各个土层在空间的位置及其与相关土层之间的功能关系与作用,称为“土层生态位”;将影响土壤整体功能和生产力的关键土层,称为“土壤关键层”。矿山复垦土壤剖面重构的原理就是以土层生态位为理论基础、土壤关键层为构造核心,设计和优化土壤剖面构型并付诸实施的过程,其核心是优化设计各个土层生态位、确定和优化关键层。因此,土壤剖面重构方法就是在深入分析自然土壤剖面结构和损毁土地特征的基础上,基于需求确定重构土壤剖面的目标;然后对每一土层空间生态位适宜度进行分析;再通过土层生态位的空间位、宽度、重叠、差距和竞争等要素分析,确定可能的土壤剖面构型和关键层;最后通过室内外种植试验或模拟试验验证与筛选,从而获得最佳生产力功能的土壤剖面构型。基于这一原理和方法,提出了“分层剥离、交错回填”的土壤重构技术工艺原理,“分层”是满足“土层生态位”和“关键层”构造的要求,“交错”是实现土壤重构连续、高效的施工工艺,并以露天煤矿采复一体化和采煤塌陷地挖深垫浅复垦为例介绍了土壤重构工法。最后,以山东黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地为例,介绍了土壤重构原理与方法的应用和实践。

关键词：矿山复垦土壤重构土壤剖面土层生态位土壤关键层原理工法

成都平原成土母质和农地利用方式对土壤剖面氮素分布的影响

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生态与农村环境学报 2024年第3期40卷 398-407页

作者：冉敏宋靓颖薛晶玲张元媛张浩吴德勇李启权四川农业大学资源学院四川成都611130

揭示农地土壤剖面氮素分布特征及其影响因素有助于区域氮肥管理和氮素面源污染防治。基于173个土壤剖面的1356个采样数据,运用地统计学和方差分析方法,分析成都平原农地土壤剖面氮素空间变异特征,探讨农地利用方式和成土母质对土壤氮素... 详细信息

揭示农地土壤剖面氮素分布特征及其影响因素有助于区域氮肥管理和氮素面源污染防治。基于173个土壤剖面的1356个采样数据,运用地统计学和方差分析方法,分析成都平原农地土壤剖面氮素空间变异特征,探讨农地利用方式和成土母质对土壤氮素剖面分布的影响。结果表明,在垂直方向上,0~100 cm土层全氮和碱解氮含量随土壤深度增加从1.91 g·kg^(-1)和138.48 mg·kg^(-1)分别显著降低至0.55 g·kg^(-1)和25.39 mg·kg^(-1)。在水平空间上,各土层全氮和碱解氮含量空间分布格局一致,总体呈现出由中部向东北部和西南部递增的趋势。稻-蔬轮作地和稻-麦/油轮作地各土层全氮和碱解氮含量之间均无显著差异,而园林地表层(0~20 cm)土壤全氮和碱解氮含量较稻-麦/油轮作地和稻-蔬轮作地2种方式低11.23%~15.78%(P土壤相比,Q3老冲积物发育土壤0~40 cm土层全氮和碱解氮含量为其1.12~1.19倍(P60~100 cm土层全氮含量仅为其0.89倍(P土壤0~40 cm土层全氮和碱解氮含量为其1.14~1.21倍(P土壤上4个土层全氮和碱解氮含量均无显著差别(P>0.05)。园林地的Q4灰色冲积物和Q4灰棕冲积物发育表层土壤全氮和碱解氮含量低于其他2种用地方式,而>20~40 cm土层土壤整体高于其他2种用地方式。以上结果说明土壤氮素剖面分布特征受农地利用方式的影响,且这种影响与土壤母质类型有关。

关键词：土壤氮素土壤剖面空间分布农地利用方式成土母质

典型碳酸盐岩区耕地土壤剖面重金属形态迁移转化特征及生态风险评价

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环境科学 2021年第8期42卷 3913-3923页

作者：唐世琪刘秀金杨柯郭飞杨峥马宏宏刘飞彭敏李括中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所廊坊065000 中国地质调查局土地质量地球化学调查评价研究中心廊坊065000 中国地质科学院地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室廊坊065000

碳酸盐岩土壤母质区是我国耕地土壤重金属高含量的主要分布区,且耕地重金属迁移转化受到自然过程与人为活动的交互影响.以广西碳酸盐岩母质水田9条土壤剖面为研究对象,在分析测试土壤Cd、As、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni和Pb含量、pH、Corg含量... 详细信息

碳酸盐岩土壤母质区是我国耕地土壤重金属高含量的主要分布区,且耕地重金属迁移转化受到自然过程与人为活动的交互影响.以广西碳酸盐岩母质水田9条土壤剖面为研究对象,在分析测试土壤Cd、As、Zn、Cr、Cu、Hg、Ni和Pb含量、pH、Corg含量等土壤性质指标以及Cd、As、Zn和Cr赋存形态基础上,重点探讨了研究区耕地土壤重金属形态垂向分布特征、重金属生态风险以及对比在自然成土过程中和人为活动干扰下重金属迁移转化的影响因素.结果表明,研究区土壤剖面中Cd、As、Zn和Cr存在样本超农用地(水田)污染风险筛选值,Cd和As部分超管制值.土壤剖面Cd各形态均有一定比例分布,且随剖面深度由浅至深,Cd生态风险较高的水溶态、离子交换态比例呈显著下降趋势;土壤剖面As、Zn和Cr各深度段均以残渣态为主,随深度加深,水溶态和离子交换态比例变化不大.风险评价编码法(RAC)和次生相与原生相分布比值法(RSP)评价结果显示,研究区土壤Cd污染风险相对较高,总体上As、Zn和Cr处于无污染或无风险状态.研究区自然发育的土壤,黏土矿物含量和土壤发育程度对Cd迁移活动性的影响较为显著,而受人为活动影响的耕作层中,土壤pH与有机质含量则成为其迁移活动性的主控因素;土壤As的迁移能力主要与土壤有机质、Fe_(2)O_(3)含量以及土壤发育程度有关,但在耕作层中,有机质对其控制作用明显增强;土壤中Zn、Cr迁移能力的主控因素均为pH,而在人类活动干扰下,pH对其影响更为强烈.

关键词：碳酸盐岩耕地土壤剖面重金属形态迁移转化生态风险