冻土知多少

何为冻土?

冻土,指在零摄氏度以下,含有冰的各种岩石和土壤。土壤里面或多或少的都含有水分,但温度降到零度或零度以下,土壤里的水分就会凝结成冰将土壤冻结,这样就产生了冻土。冻土按照冰冻时间的长短可以分为短时冻土、季节冻土和永久冻土。短时冻土指冰冻时间数小时至半月的冻土,季节冻土指半月至数月,永久冻土指持续两年或两年以上的冻结土。地球上冻土的面积约占陆地面积的50%,其中永久冻土约占25%。

冻土

我国冻土的分布

我国永久冻土面积约有214.8万平方公里,占国土面积22.4%,我国永久冻土分为高纬度和高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭,面积为38~39万平方公里。高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山,以及东部某些山地,如长白山、黄岗梁山、五台山、太白山等。季节冻土在我国长江以北各省区都有分布,其面积约占中国领土的54%。

中国冻土类型分布图

中国冻土类型分布图

我国冻土深几许?

俗话说:“冰冻三尺,非一日之寒。”那么我国冻土深度究竟可以达到多少呢?根据气象站的观测资料,我国冻土最深的地方在大兴安岭北部、新疆和青藏高原,例如,内蒙古的二连浩特和新疆的乌恰都在300cm以上,位于新疆天山腹地的和静县巴音布鲁克曾记录到439cm的深度,是我国冻土记录中的冠军。至于其他地域,根据观测站的资料,最大冻土深度分别为杭州5cm,上海至武汉一线8-10cm,合肥11cm,济南—西安45cm,北京85cm,兰州—银川103cm,呼和浩特、沈阳120cm以上;哈尔滨200cm,长春150cm,丹东、大连90cm。

冻土与气候变化

冻土与气候变化密切相关。冻土在它的水分和热量交换过程中,不仅控制着地表状态的变化,而且影响着植被的发育程度,同时二者之间还存在着强烈的相互作用,地表条件一旦被破坏,干扰了冻土与地表植被生长间的平衡关系,生态环境将会退化,从而出现荒漠化,甚至沙漠化现象。另外,气候暖化使冻土融化,加快土壤有机碳的微生物分解,导致温室气体二氧化碳和甲烷的释放。这一反馈效应会加快气候变化。当然,事物都有两面性,气候变化与冻土消融绝不仅仅只存在这样的负效应。

西伯利亚——荒野变沼泽?

遥远沉静的西伯利亚正在遭受冻土消融所带来的灾难。西伯利亚这世界上最后的一片大荒野,冰封多年的永久冻土开始融化,严重地威胁着当地牧民。冻土融化导致荒野逐渐变得如沼泽一般,水分流失严重,畜牧饮水渐成问题,牧民迁徙受到阻碍,修筑于冻土地区的铁路中断。同时,冻土层的融化还导致原本被冻结在土层中的数十亿吨二氧化碳和甲烷等温室气体被释放出来,进一步加剧了气候变暖的趋势,这可能在当地引发灾难性的后果。

冻土与环境

冻土地貌不失为自然造化冷艳独特的一枝,然而气候变化正在威胁着冻土的存在。尊重自然,保护自然,我们才不至于终有一日眼睁睁看着它们静静消亡。

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用近红外光谱技术给草坪——土壤系统做“体检”

近红外光是指波长在 780 ~ 2526 nm 范围内的电磁波,是人们认识最早的非可见光区域。现代近红外光谱(NIRS)是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术,是光谱测量技术与化学计量学学科的有机结合,被誉为分析的巨人。量测信号的数字化和分析过程的绿色化又使该技术具有典型的时代特征。不同物质在近红外区域都有丰富的吸收光谱,每种成分都有特定的吸收特征,这是NIRS定量分析物质组成成分的基础。近红外技术就是依据化学成分对近红外区光谱的吸收特性的不同而对组织中的化合物进行的定量测定。利用NIRS分析物质的组成成分具有以下几个优点:(1)通常只需要烘干和研磨成粉,样品制备简单,无需使用任何化学试剂及对样品进行各种长期的物理性预处理,简便、成本低;(2)扫描分析一个样品通常在3min 内完成,分析速度快,分析效率高;(3)测量范围广,可以测定各种类型的样品,除了可检测一般液体、固体样品外,还可以用NIRS 检测粉末样品、纤维样品、糊状样品、乳类和肉类样品。(4)测定中对物质不会有结构性的破坏,可对样品进行多次分析。

分析过程示意图

现代近红外光谱技术的应用除传统的农副产品的分析外已扩展到众多的其他领域,主要有石油化工和基本有机化工、高分子化工、制药与临床医学、生物化工、环境科学、纺织工业和食品工业等领域。下面主要详细介绍下近红外光谱技术在草坪-土壤管理中的应用。

近红外光谱技术也是近年来在草坪管理中兴起的一种新的分析方法 , 可以快速、便捷、无损伤地同时检测草坪 -土壤系统中多种要素。使用该技术可以及时获取草坪草生长及环境状态数据,有效提高草坪管理决策管理水平。目前存在的问题是,利用近红外光谱技术建模需要的有关球场的各种基础化学分析数据还有待于积累。

控制和分析

1、NIRS在施肥管理中的应用

草坪-土壤系统中的营养水平直接影响到草坪的很多坪用性状, 从而间接地影响施肥、修剪、灌溉等辅助管理措施。现在施肥的通常做法是草坪主管基于对草坪颜色、长势的主观判断结合环境条件、季节变化来制定的。因为常规的分析方法耗时太长, 等分析结果出来时草坪-土壤中营养状态已经发生改变, 所得数据不再适用。应用NIRS 技术能弥补以上不足, 可迅速、有效地检测出草坪和土壤中营养水平是否存在潜在的过量或不足从而确定适宜的施肥时间和施肥量。

(1)草坪草营养含量的测定

采用 NIRS 技术和凯氏定氮两种方法测定百慕大草坪草的氮含量, 发现两种方法测得的氮含量存在显著相关性;在1993 年采用同样两种方法测定匍匐翦股颖和多年生黑麦草在整个生长季节内草屑的含氮量也呈现明显的线性相关。同时, 采用 NIRS 技术确定的施肥时间与基于季节性施肥或感官质量判断确定的施肥时间相比,可在减少施肥量的基础上保持相同的草坪质量。以上这些研究结果表明 NIRS 技术是一种相对可靠的分析方法,可帮助草坪管理者快速准确地掌握草坪草的氮含量。植物样品中的无机离子以一定形式与具有近红外吸收的有机基团结合, 因而也可以借助 NIRS 技术测定其含量。对K,Ca,M g,Fe,Zn,Mn和Cu矿质元素采用 NIRS 技术预测结果与采用传统的试验方法所得结果呈正相关, 但使用NIRS 确定这些矿质营养元素含量的精确度并不够高。

(2)土壤营养成分分析

传统的土壤成分含量检测以化学方法为主, 存在检测速度慢, 实时性差, 有污染等缺点。NIRS 用于土壤检测可以对土壤水分、养分、质地等进行实时和大批量分析, 获取球场土壤信息量大, 覆盖面宽, 而且不会对草坪造成人为破坏;其次是时效性强, 分析速度快, 可实现实时分析。另外操作简单、 成本低、 多组分可同时测定通过一次全光谱扫描,即可获得样品中各种化学成分的光谱信息。因此, NIRS 技术在草坪土壤检测方面潜力是巨大的。NIRS 法在评价土壤品质方面有很大的潜力。用 NIRS 测定土壤中全氮和碱解氮技术已经比较成熟, 对其他成分测定的效果还有待于进一步的实验证明。

2.NIRS在草坪灌溉管理中的应用

灌溉是草坪每天养护中必不可少的一项管理措施, 特别是干旱地区果岭的管理。合理灌溉的基础是及时获取草坪草和土壤中的水分含量和对天气变化的了解。NIRS分析方法是一种快速、简便及无破坏性的测量土壤水分的方法, 有很多研究者利用此方法分析土壤参数, 可以实时提供草坪-土壤中的水分信息, 确定适宜的灌溉量和灌溉时间。采用基于 NIRS 技术的多光谱图象进行系统分析, 获得草坪草含水量与草坪反光特性之间的相关性,然后通过测量草坪在可见光和红外线区域内的不同光波下的反光特性, 来预测草坪短期的水分胁迫。利用N IRS 测定土壤水分的其他研究也证明 NIRS与实验室化学分析法之间相关性高、误差小, 可以直接用于土壤水分的实时预测, 是测量土壤水分的一个可靠的分析方法, 可帮助草坪管理者实时有效地把握灌溉时间和灌溉量。

应用

3.NIRS在草坪外观质量评价中的应用

草坪质量评定应用得最广泛的是草坪外观质量评价。目前为止国内外草坪学者对草坪外观质量评价通常采用目测法, 普遍使用的评分系统是美国草坪草评价体系(NTEP)的九分制。目测法简单易行, 但误差较大, 需要有经验丰富的人员参与评价, 这样的草坪外观质量评价给人概念模糊而不确定, 在以后的草坪管理中缺乏可靠的客观依据;而化学分析测量法虽然可将各种性状指标定量化, 从而增加评价结果的准确性, 但常规的化学分析方法一般从取样到结果分析出来所要耗费的时间很长,检测成本又高,同时可能要破坏球场结构及景观,因而在草坪质量评价中应用受限。而运用 NIRS 技术可以从多方面对草坪的颜色、密度、均一性和盖度等外观评价指标进行测定,从而对草坪外观质量进行一个量化指标评价。截止到目前,NIRS在草坪颜色测定方面的应用还不是很广泛 ,但由于光谱技术简单、客观,相信不久的将来一定会在草坪外观质量评价方面得到很好应用 。

4.NIRS在草坪有害生物防治中的应用

及时准确地预测和判定草坪病虫害的发生是有害生物防治的先决条件 , 因而在草坪管理中是非常重要的。目前球场的总监或草坪主管多在病症出现之后采用主观经验判断,这样的被动防治的后果是大量施用杀菌剂或杀虫剂,效果不确定而且污染环境,造成球会草坪养护资金的巨大浪费。采用 NIRS可以及时有效地判定有害生物发生的情况,有针对性地采取防治措施,减少了日常盲目的喷药所带来的环境负效应。如:可以利用 NIRS 技术研究草坪冠层反射与冷季型草坪褐斑病和币斑病之间的关系,可以利用 NIRS 技术通过对匍匐翦股颖草坪草屑含氮量和其币斑病的发病程度的初步相关分析发现, 随着草坪草屑含氮量的升高,币斑病的发病程度减轻。还可以用 NIRS 技术评估高羊茅真菌感染水平等等。可见NIRS 技术在有害生物防治方面有着其他预测防治方法无可比拟的时效性,相信不久的将来在草坪土壤的管理中将发挥更大的作用。

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反硝化真菌的自白

大家好,我们是反硝化真菌,顾名思义就是可以进行反硝化作用的真菌,例如青霉菌属、子囊菌属及镰胞菌属等。那么大家肯定好奇:什么是反硝化作用呢?其实,反硝化作用也称脱氮作用,就是通过微生物反应将硝酸盐或者亚硝酸盐异化还原为N2O(氧化亚氮)或者N2(氮气)的过程。细菌进行反硝化作用通常是在厌氧的条件下进行,而我们真菌进行反硝化作用可以在微厌氧或者有氧条件下进行。目前,土壤N2O排放逐年增加,人们都说我们是造成全球气候变暖,温室气体排放增加的罪魁祸首之一,我们感到很委屈,要为自己辩解。

大家都知道,在土壤中的微生物不仅有细菌,还有真菌、古生菌等,而我们作为真菌,一种真核生物,与细菌相比确实有复杂的结构,例如细胞核、细胞壁及线粒体等,独特的生理结构造就我们能适应更为恶劣的环境条件进行繁殖生长,但是我们缺乏能进行光合作用的叶绿色,因此我们不能进行光合作用,只能通过异养的方式进行生存,正是这种生存模式导致人们对我们产生了严重的误会。

长期以来,人类一直认为只有细菌才能进行反硝化作用,然而在1972年,人类首次发现担子菌门和子囊菌门中也存在反硝化活性,还发现一些以前被认为严格好氧的尖孢镰刀菌等多种真菌也能进行反硝化作用。但是我们进行反硝化作用需要少量的O2供应,有氧呼吸产生ATP和反硝化过程同时在线粒体内进行,而相比细菌的反硝化作用,我们的独特之处就在于P450(细胞色素P450,一氧化氮还原酶):利用NADH(还原性辅酶I)或NADPH(还原性辅酶II)作为直接电子供体将NO(一氧化氮)还原为N2O,在厌氧呼吸中,该过程主要发生在线粒体内,并且其还原NO的速率是细菌的5倍。正是这样,人类认为我们是土壤中增加N2O排放的重要原因之一。其实我们之所以反硝化作用的终产物是N2O是因为我们体内缺乏氧化亚氮还原酶(Nos),不能将N2O还原为N2,因此反硝化作用的最终产物为N2O,但并不是说我们自身不能产生N2,而是通过自身的协同作用即共同脱氮作用产生N2,即由胺或者亚胺氮源中的氮元素与亚硝态氮中的氮元素结合产生N2

反硝化真菌

其实,影响我们进行反硝化作用的因素有很多:

1.通气和水分状况

反硝化作用是在缺氧或厌氧的环境中进行的,因而受到土壤水分和通气状况的制约。在旱地土壤中存在的局部或暂时性的微域环境是引起反硝化作用的条件。施用有机肥增加好氧微生物的呼吸作用从而消耗了土壤中的氧,可造成土壤局部或暂时的缺氧环境最终可促进反硝化作用。此外,灌水、降雨及土壤本身的组成成分都会影响土壤的水分状况和通气状况,从而影响反硝化作用。

2.温度

反硝化作用可以在较宽的温度范围内进行。-4~65℃反硝化作用都可以进行,发生明显的反硝化作用温度需在5℃以上,最佳温度为30~60℃。作物生长期间温度在10~30℃时,温度对反硝化影响很小。降水对反硝化作用也有重要影响。当降水导致的土壤含水量<20%时,反硝化速率较低;当含水量>20%时,反硝化速率较高;而当含水量超过 30%时,反硝化速率最高。

3.土壤基本理化性状

影响我们发生反硝化作用的土壤理化性质主要有土壤质地、pH、Eh 和 C、N 可利用性等。土壤质地主要是通过影响NO3的渗漏性和通气状况及水分条件来作用于反硝化作用过程。

① 在上下层分别为粗质地和细质地的土柱中,只有NO3下移到60cm才发生反硝化作用,而当下移至90cm时,有63%的NO3经反硝化损失。粘土的反硝化速率要比砂质土高的多。

② Eh<300mV 的厌氧条件是反硝化作用进行的必要条件。由于反硝化微生物需要有机物作为电子供体和细胞能源,所以湿地土壤有机物的生物有效性直接影响着反硝化速率。

③ C源为反硝化作用的限制性因子时,加入有效C可增加C和NO3的可得性,进而可明显促进反硝化作用的进行。同时,易分解有机物的分解还会消耗土壤中的O2,从而促进了厌氧环境的形成,进而又在一定程度上促进了反硝化作用的进行。

说到这里,相信大家对我们进行反硝化作用也有一定的理解了吧,我们作为反硝化真菌进行反硝化作用也具有重要意义,那就是把自然界中被固定的氮重新返回大气中,这是氮循环很重要的一步,同时也可使土壤中因淋溶而流入河流、海洋中的NO3-减少,消除因硝酸积累对生物的毒害作用。

反硝化过程

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城市土壤面面观

城市化是我国发展正在经历的一段历程,目前,我国城市化进程逐步加快,已进入到高速城市化的起飞线上。城市化改变了人们的生活方式,也改变了我们脚下的土地。城市土壤是指由于人为的、非农业作用形成的,并且由于其他污染物的混合、填埋或污染而形成的厚度大于或等于50cm的城区或郊区土壤。城市土壤有着自己独有的特点,与自然土壤和农业土壤相比,既继承了原有自然土壤的某些特征,又由于人为干扰活动的影响,形成了不同于自然土壤和耕作土壤的特殊土壤。今天我们就来看看城市的土壤究竟都有些什么特点。

1949-2013年中国城市化率变化情况(单位:%)

1949-2013年中国城市化率变化情况(单位:%)

土壤层次凌乱:城市土壤并不像自然土壤具有完整规律的发生层。腐殖质层被剥离或者被埋藏,其它土层破碎且没有统一的出现规律,土层深浅变异较大。同时城市土壤剖面中包含不同颜色和厚度的人造层次,层次之间过渡明显。

土壤物理结构遭到破坏:城市土壤是人类改造过的土壤,紧实度大、通透性差。紧实度大是城市土壤的重要特征。城市中由于人口密度大,人踩车压,以及各种机械的频繁使用,土壤坚硬,密度逐渐增大,土壤的孔隙度很低。土壤“上虚下实”有利于土壤的水分人渗,而城市土壤则经常是“上实下虚”。

土壤化学性质恶化:城市土壤pH值偏高。城市土壤向碱性的方向演变,pH值比周围的自然土壤高。土壤多呈中性到弱碱性,弱碱性土不仅降低了土壤中磷、铁、锰、硼、铜、锌等元素的有效性,也抑制了土壤中微生物的活动及对其它养分的分解。高盐基饱和度和次生盐渍化。高盐基饱和度是大多数城市土壤的典型特征。城市土壤交换性盐基组成以交换性Ca2+、Mg2+为主。此外,城市土壤还经常面临次生盐渍化的问题。目前许多城市用污水灌溉园林绿地,而城市污水中含盐量较高,长期使用会引起土壤盐渍化。

土壤PH值和土壤养分关系

土壤肥力下降:城市建设过程中,会对土壤进行翻动,将富含有机质的表层土壤,而且由于城市的枯枝落叶被及时清理,土壤矿质元素无法归还于缺乏,也导致了肥力下降。同时,城市地面硬化造成城市土壤与外界水分、气体的交换受到阻碍,使土壤的通透性下降,大大减少了水分的积蓄,造成土壤中有机制分解减慢,加剧土壤的贫瘠化。植物处于透气、营养及水分极差的环境中,严重影响了植物根系的生长,园林植物生长衰弱,抗逆性降低甚至会导致其死亡。

土壤污染严重:工业废气、废液、废渣的排放,人们乱排污水,乱倒垃圾,乱堆水泥、石灰、炉渣等废物残渣,导致土壤酸化、盐碱化,理化性质变坏,土壤污染日益严重,直接影响土壤的组分和性质。固体废弃物大都含有重金属,甚至含有放射性物质,这些物质经过长期暴露,被雨水冲洗和淋溶后,溶入水中,通过地表径流进入水体从而对土壤造成污染。长期以来导致城市土壤污染日益严重。

土壤污染源

土壤生物活动受到抑制:城市化的发展使得原有自然生境消失,取而代之的是沥青、混凝土地面和建筑物等人工景观。城市土壤表面的硬化、生物栖息地的孤立、人为干扰与土壤污染的加重等,造成城市土壤生物群落结构单一,多样性水平降低,生物的种类、数量远比农业土壤、自然土壤少,且有危害人体健康的病原生物的侵染。

城市是我们生活的家园,并且土壤一旦污染,治理难度极大,因此我们应该爱我们的城市,保护我们的城市土壤,让城市的土地也绚丽多彩。

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土壤盐渍化:耕地杀手

土壤盐渍化是一个世界性的问题,涉及全球100多个国家和地区。全球要供养数十亿人的粮食要承受巨大的耕地压力,而且随着人口的增长,粮食危机有可能席卷全球,首当其冲应该防范的就是土壤盐渍化。土壤盐渍化的快速发展是可耕地不断减少的重要原因之一,在我国人均耕地较少的基本国情下,盐渍化可谓是可怕的耕地杀手。

盐渍化成因

土壤盐渍化又称土壤盐碱化,是指水灌地在自然和人为作用下土壤表层盐分含量不断增加,土壤含盐量太高(超过0.3%)时,形成的盐碱灾害的地质现象。土壤盐渍化的过程简单说来为,地下水中含有盐分,当地下水上涨时,盐分通过土壤里的毛孔渗入地表,在地表水分蒸发以后,留下盐分,日积月累土壤出现盐渍化。根据形成原因的不同,土壤盐渍化可分为原生盐渍化和次生盐渍化。原生盐渍化是指由自然环境因素(气候、地质、地貌、水文和土壤条件等)变化引起的土壤盐渍化;次生盐渍化指由于人类对土地资源和水资源不合理利用引起的区域水盐失调,所导致的土壤表层不断积盐的过程。

盐渍化

盐渍化分级

根据土壤含盐量和地表标志,将土壤盐演化发育程度分为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土和盐土。分类标准如下表所示。

盐渍化分级

盐渍化现状

土壤盐渍化是一个世界性的资源问题和生态问题,据统计,全球有各种盐渍土约9.5亿hm2,占全球陆地面积的10%,其中次生盐渍化土壤约7700 hm2。我国是土壤盐渍化比较严重的国家,分布广,面积大,极大地阻碍了我国农业的发展。我国国土面积广阔,其中耕地面积约3460万hm2,发生盐渍化的土壤近760 hm2万,约1/5耕地成为盐碱地。盐渍化在我国分布很广,除滨海半湿润地区盐渍土外,大部分分布在沿淮河-秦岭-巴颜克拉山-唐古拉山一线以北,即北纬33°以北的干旱半干旱地区,遍及辽、吉、黑、冀、鲁、豫、 晋、新、陕、甘、宁、青、苏、浙、皖、闽、粤、内蒙古及西藏等19个省区。近年来,由于土壤资源使用不当,每年都有大面积的耕地因为人为活动而发生土壤次生盐渍化,使得我国可耕地面积进一步缩小,对农业增产、保收形成障碍。

盐渍化现状

盐渍化危害

土壤盐渍化究竟会造成什么样的危害,何以成为国际社会的关注?盐渍土对人类活动造成的危害主要体现在使农作物减产或绝收,影响植被生长并间接造成生态环境恶化,且能腐蚀损坏工程设施,所造成的损失每年达25.11亿元。土壤盐分离子的聚集会引起植物生理性缺水;土壤盐分离子的增加会抑制植物对其他养分的吸收,导致植物发育不良进而导致减产甚至死亡;Na+和Mg2+离子的增加会引起植物细胞的结构性损伤以及阻碍植物光合作用,减少叶绿素的产生;土壤盐分能引起植物氮素代谢过程中产生具有毒性的中间产物,促使作物新陈代谢过程减弱。同时,科学家发现,盐分的增加会显著提高土壤重金属的迁移能力,特别是对于镉和铅两种元素,从而增加作物重金属含量;盐分离子的聚集对于水生生物也具有相当大的危害,特别是对于环节动物和软体动物的生活史影响比较大。土壤盐渍化除了危害生态环境外,还会危害交通电力设施安全,如在盐渍土地埋设的混凝土电线杆,会发生电线杆被腐蚀和局部裂缝现象,严重危及线路安全。

盐渍化危害

盐渍化与人们不合理的耕作措施密不可分,尊重土壤的发育规律,我们才能让盐渍化这样的土壤杀手无计可施。

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土壤荒漠化:地球溃疡症

土壤沙漠化,是人类所面临的诸多的环境问题中,最为严重的灾难之一。沙漠化,让宝贵的土地资源失去利用价值,让风沙肆虐,让土壤满目疮痍,早已成为一个全球性的生态问题。土地荒漠化是指由于气候变化和人类不合理的经济活动等因素,使干旱、半干旱和具有干旱灾害的半湿润地区的土地发生了退化,即土地退化,也叫“沙漠化”。

土壤荒漠化现状

中国荒漠化形势十分严峻,是世界上荒漠化严重的国家之一。中国荒漠化土地面积为262.2万平方公里,占国土面积的27.4%,近4亿人口受到荒漠化的影响。中国有风蚀荒漠化、水蚀荒漠化、冻融荒漠化、土镶盐渍化等4种类型的荒漠化土地。中国风蚀荒漠化土地面积160.7万平方公里,主要分布在于旱、半干旱地区,在各类型荒漠化土地中是面积最大、分布最广的一种。中国水蚀荒漠化总面积为20.5万平方公里,占荒漠化土地总面积的7.8%。中国冻融荒漠化地的面积共36.6万平方公里,占荒漠化土地总面积的13.8%。冻融荒漠化土地主要分布在青藏高原的高海拔地区。中国盐渍化土地总面积为23.3万平方公里,占荒漠化总面积的8.9%的。土壤盐渍化比较集中连片分布的地区有柴达木盆地、塔里木盆地周边绿洲以及天山北麓山前冲积平原地带、河套平原、银川平原、华北平原及黄河三角洲。

土壤荒漠化的成因

造成荒漠的原因很多,主要是气候等自然原因,如全球变暖、北半球日益严重的干旱半干旱化趋势等。但是人类活动,如对大自然的过度开发、破坏森林植被等,也是不可忽视的重要原因:(1)土地滥垦与不适宜的种植业发展,导致天然植被破坏,土壤入渗性降低、蒸发加强;(2)过度放牧与不当的草场管理,使草场得不到休养生息、植物种类减少、草质变劣;(3)森林滥伐与地表植被破坏,导致区域小气候变化、蒸发量增大、相对湿度降低、风速加大,加速土壤风蚀、水蚀等土地荒漠化过程。

土壤荒漠化的人为原因

土壤荒漠化的人为原因

土壤荒漠化的危害

中国因荒漠化造成的直接经济损失约为541亿人民币,平均每天损失近1.5亿元。土地沙漠化是我国当前最为严重的生态环境问题之一,它恶化生态环境,破坏生存条件,加剧自然灾害发生,制约经济发展,加深了贫困程度,严重影响社会稳定,给我国国民经济和社会发展造成了极大的危害。

可利用土地资源减少。20世纪50年代以来,中国已有67万公顷耕地、235万公顷草地和639万公顷林地变成了沙地,成千上万的牧民被迫迁往他乡,成为“生态难民”。中国每5年就有一个相当于北京大小的国土面积因沙化而失去利用价值。

土地生产力严重衰退。土壤风蚀不仅是沙漠化的主要组成部分,而且是首要环节。风蚀会造成土壤中有机质和细粒物质的流失,导致土壤粗化,肥力下降。我国沙区每年因风蚀损失土壤有机质及氮、磷钾等达5590万吨,折合2.7亿吨化肥,相当于1996年全国农用化肥产量的9.5倍。受风沙危害,每年粮食减产30多亿吨。

自然灾害加剧。还有一个最能让人类有直接感受的危害,那就是导致自然灾害加剧,沙尘暴频繁,每年输入黄河的16亿吨泥沙中就有12亿吨来自沙区。沙漠化还威胁大中城市、交通运输、水利设施和工矿企业。目前全国有1300多公里铁路、3万公里公路、数以千计的水库和5万多公里长的灌渠常年受风沙危害。

土壤荒漠化

土壤荒漠化,被称为土地的溃疡症,危害如此之多,如此之重,而者很大程度上,都是由人类对自然的不合理利用而造成的。土地是孕育生命的母亲,让我们爱她,为她解除病痛,让她生机勃发。

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土壤pH与养分有效性

土壤酸碱性是影响土壤养分有效性的重要因素之一,常用pH来表示,它是指土壤的酸碱程度。pH=7时,为中性,<7为酸性,>7则为碱性。土壤pH是影响土壤养分有效性的重要因素。pH不同,土壤的供肥能力,植物的生长状态也不同。了解土壤pH与养分有效性的关系对于评判土壤的宜种性以及改良土壤具有重要的实践意义。

土壤PH值

一般而言,在PH值接近6-7范围内,大多数土壤养分元素都有较高的有效性。然而,pH的改变对于不同的养分元素有着不同的影响模式。土壤养分指土壤提供的植物生长所必须的营养元素,包括氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)、铁(Fe)、硼(B)、钼(Mo)、锌(Zn)、锰(Mn)、铜(Cu)等12种元素。我们就来看看土壤pH与这些土壤养分有效性的关系。

土壤养分PH值

氮在6~8时有效性较高,是由于在小于6时,固氮菌活动降低,而大于8时,硝化作用受到抑制。

磷在6.5~7.5时有效性较高,在小于6.5的酸性土壤中,磷常与铁、铝等离子化合产生沉淀,或被固定为不溶性的铁、铝磷酸盐,大大降低了土壤中磷素的有效性。在高于7.5的土壤中,则易形成磷酸二氢钙。

钾和硫的有效性随土壤pH的变化表现出基本一致的趋势。土壤pH值低于6,钾的淋溶作用强烈,因此有效性降低,但碱性土壤并不会削弱土壤钾的有效性。植物能直接吸收利用的硫是SO4和游离氨基酸硫,土壤中硫磺的氧化可以得到有效态硫,而有研究发现,土壤pH值与硫磺氧化速率呈正相关,这是因为碱性条件可以促进硫氧化微生物的活动,加快硫磺的氧化。甚至在pH高于10的强碱性土壤中,提高pH依然能促进硫磺的氧化。

钙和镁对土壤pH的反应规律基本相同,过酸或者过碱都会削弱其有效性,土壤pH为6-8时,有效性最高。这是因为酸性土壤的淋溶作用强烈,钙、镁容易流失,导致缺乏。而在pH高于8.5时,土壤钠离子增加,钙、镁离子被取代,形成碳酸盐沉淀,因此钙、镁的有效性同样降低。

土壤缺养

铁、锰、铜、锌四种微量元素随土壤pH的关系基本一致,酸性土壤中有效性较高,而碱性土壤中有效性逐渐降低。这是因为酸性土壤中,铁、锰、铜、锌因可溶而有效性高,而碱性土壤中不溶,形成例如Fe(OH)3、Mn(OH)2、Cu(OH)2、Zn(OH)2等难溶于碱的沉淀。

土壤缺养2

硼酸盐在pH5-7时有效性较好,在pH值小于5和大于7时,其有效性有降低的趋势。土壤胶体的吸附固定作用会影响硼的有效性,而吸附固定又与土壤酸碱度密切相关。酸性土壤中硼的有效性高,但容易淋洗损失,施用大量石灰,硼的吸附固定增加,会诱发缺硼,作物缺硼大多发生在pH>7的土壤中。

钼酸盐不溶于酸而溶于碱,在酸性土壤中易缺乏。土壤中有效钼以水溶性或代换性钼为主,以钼酸根(MoO42-)的形式存在于土壤溶液中。酸性土壤中,钼酸根易同土壤中游离的铁和铝离子结合生成难溶性的钼酸铁和钼酸铝,降低了钼的有效性。据研究,多数情况下,作物出现缺钼症状并不是由于土壤中的钼含量少,而是pH值偏低,土壤酸性过强,有效钼数最不足。

花生硼

知悉土壤pH与养分元素有效性的关系,便可以通过适当调节土壤pH改变土壤肥力现状和结构,改善作物生长状况,增加作物产量。

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土地疮痍:石油污染

石油是现代社会的最主要能源之一,被称作“工业的血液”、“黑色的金子”。而且随着社会经济的发展,人们对石油的需求越来越大,原油开采事业蓬勃发展。然而由于技术与管理的缺陷,大量的原油直接或间接地流入土壤,引起土壤污染,这一方面导致石油能源的损失,另一方面严重影响人们对土壤的利用。石油污染的现状如何,会引起怎样的危害,我们又能采取什么样的应对之策呢?

石油工业

石油污染现状

石油污染是指在石油的开采、炼制、贮运、使用过程中原油和各种石油制品进入环境而造成的污染。土壤中石油污染物多集中在20厘米左右的表层。目前每年有800多万吨石油进入环境,污染土壤、地下水、河流和海洋。就我国而言,目前我国油田区土壤污染面积约有4.8×102m2,占油田开采区面积的20-30%,每年约有60万吨石油进入环境。我国部分石油工业区的土壤残油量达10000mg/kg,远超过500mg/kg的临界值。并且,我国土壤石油污染状况愈演愈烈,污染面积逐年扩大。

石油污染土壤

石油污染危害

石油污染土壤的危害包括对土壤本身性质的危害,对作物的危害,以及通过土壤或作物对动物和人体带来的危害。石油类物质进入土壤,能够改变土壤有机质的组成和结构,引起土壤有机质碳氮磷比例的失衡。另外,由于石油密度比较小,粘着力强,因此在土壤中容易与土粒黏连,堵塞土壤孔隙,影响土壤通透性。石油还会引起土壤微生物群落区系的变化。土壤性质的变化会损害植物根部,阻碍根的呼吸以及对养分的吸收,作物体内污染物含量升高等。作物会表现出发芽出苗率低、生育期推迟、结实率下降、抗倒伏、抗病虫害的能力降低等现象,最终导致作物的减产,或者因污染物超标而失去食用价值。被污染的土壤的石油芳香烃类物质对人及动物的毒性较大,其中的苯、甲苯、二甲苯、酚类等物质,如果经较长时间较大浓度接触,会引起恶心、头疼、眩晕等症状。除此之外,石油中的多环芳烃类物质具有强烈的三致作用,能通过食物链在动植物体内富集,危害动植物健康。

石油污染修复技术概览

由于土壤污染的危害极其严重,治理土壤石油污染势在必行,已经受到了许多国家的高度重视。目前修复石油污染土壤的技术包括物理法、化学法和生物法。

物理修复法:物理修复技术是利用土壤和污染物的各自特性,使污染物固定,不易在土壤中扩散、迁移、降低其对环境破坏的一类环境物理技术。常用的方法有热处理法、隔离法、换土法、焚烧法、空气吹脱法等。物理方法去除石油污染的机理主要是污染物的转移,并没有从根本上解决污染问题, 因此这类方法不值得提倡。

化学修复法:化学修复技术是利用污染物与改良剂之间的化学反应从而对土壤中的污染物进行固定、氧化、分离、提取等,来降低土壤中污染物含量的一类环境化学技术。土壤石油污染的化学修 复技术主要包括萃取法、土壤洗涤法、化学氧化法等。

生物修复法:生物修复是指利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境污染物, 从而修复被污染环境或消除环境中污染物,实现环境净化、生态效应恢复的生物措施,是一类低耗、高效和环境安全的环境生物技术。土壤石油污染的生物修复技术按所应用的类型不同,可以将其分为植物、动物、微生物修复技术等。生物修复法因具有处理成本低、处理效果好、无二次污染等优点,是一种具有广阔前景的处理技术。

生物修复土壤

石油污染,是大地的伤疤,这原本黑色的财富却成为土壤的杀手,让人不禁心痛。预防为主,防治结合,方能解决土壤石油污染问题。

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作物品质元素——土壤钾素

中国是农业大国,钾元素作为植物生长的三大营养元素之一,其作用不言而喻。施用钾肥早已成为常规的农作措施之一,对于作物的稳产、高产和优产至关重要。

钾素对于植物的作用

钾素何以成为作物生长三大营养元素之一呢,它对已作物的生长有什么不可或缺的作用呢?钾在植物体内具有多种营养功能。植物体内的多种反应都需要在酶的催化作用下进行,而K+是多种酶的活化剂,例如淀粉合成酶。光合作用是植物体一切生命活动的基础,K+在光合作用过程中也扮演着重要的角色。钾能促进光合作用,提高CO2的同化率;钾能促进光合作用产物的运输。氮素作为又一三大营养元素,于钾也有着密不可分的关系。钾能提高作物对氮的吸收利用和蛋白质的合成,例如钾素可以提高固氮酶活性。钾能调节植物细胞水势,而保持细胞正常的水势是细胞增长的驱动力,对调节细胞代谢有重要作用。钾还有多方面的抗逆功能,可以增强作物的抗旱、抗高温、抗寒、抗病、抗盐、抗倒等能力,从而提高其抵御外界恶劣环境的忍耐能力。

清楚了钾素在机理上的作物,我们就来看看钾的缺乏对于作物表观的影响。植物缺钾的常见症状有茎叶柔软,叶片细长、下坡;老叶叶尖和叶缘发黄,进而变褐,逐渐枯萎;叶片上出现褐色斑点,甚至成为斑块;作物根系生长停滞,活力差,易发生根腐病。以我国重要粮食作物水稻和玉米为例,水稻缺钾易出现胡麻叶斑病,发病植株新叶抽出困难,抽穗不齐。根量少,呈黑褐色。玉米缺钾时,所形成的的果实尖端呈空粒,即使形成籽粒也不充实,淀粉含量低。

作物缺钾

我国土壤钾素含量

土壤中钾的来源主要是土壤中的含钾矿物,如云母类矿物和长石类矿物,以及黏土矿物。地壳中全钾的平均含量为2.3%,大部分土壤为0.5-2.5%,平均为1.2%。我国土壤的全钾含量在0.05-2.5%,地域性分布规律为由北向南、由西向东递减。南方的砖红壤,土壤全钾含量平均只有0.4%左右,华中、华东的红壤则平均为0.9%,而我国北方包括华北平原、西北黄土高原以至东北黑土地区,土壤全钾量一般都在1.7%左右。因此,缺钾主要在南方,北方已开始出现缺钾现象。

土壤钾素形态

我国目前广泛应用的钾的形态分类是根据化学形态以及植物有效性两种标准进行。

按照化学形态,土壤钾分为1)矿物钾,系指矿石(钾云母、正长石)中含的钾,是矿物在钾细菌和各种酸的作用下,释放出的水溶性钾。这类钾在土壤中含量最多,通常占土壤含钾总量98%以上。2)固定态钾,指进入黏土矿物晶格内,丧失了交换性的钾,酸性土壤固钾量多数高于碱性土。这部分钾仍然可以缓慢地被其他离子置换而释放出来。3)交换性钾,系土壤胶体上吸附的钾,作物亦可以直接利用,但土壤中含量也少,仅占土壤全钾量的0.15—0.5%。4)水溶性钾,如KNO3、KCl、KHCO3等,可以被作物直接吸收,但土壤中的含量却极少。通常说的有效钾,是指水溶性钾与代换性钾的总和。但它只占土壤总钾量的1—2%。

按照植物有效性,土壤钾可以分为1)速效钾,即前文中提到的交换性钾和水溶性钾,占土壤全钾的1-2%;2)缓效钾,占土壤全钾的1-10%,即前文提到的固定态钾;3)无效钾,即矿物钾。

土壤钾形态

土壤钾素转化

土壤中各种类型的钾,在一定的条件下,也可相互转化。难溶性含钾矿物,在各种酸类或钾细菌的作用下,可以释放出水溶性钾。但在含粘粒多的土壤中,由于粘土具有湿胀干缩的特性,在土壤干湿交替频繁中,土壤中的水溶性钾或代换性钾被粘土矿物固定起来,成为一种不能移动的钾,使作物根系无法吸收。为避免这一现象,钾肥宜施在干湿变化较少的土层内,即适当深施,或采用集中(如穴、条)施,最好是叶面喷施。

有钾素,得佳产,品质元素,让农作物的品质更好,让我们的饮食更好。

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土壤团聚体知多少

土壤是有结构的存在物,其中有大大小小的土壤颗粒,其中通过各种自然过程的作用而形成的直径<10mm的土壤颗粒称为团聚体。土壤团聚体是土壤的重要组成部分、土壤结构的基本单位。具有良好的团聚体结构有利于土壤适耕性的改良以及肥力的提高。

土壤团聚体的分类

土壤团聚体可因粒径大小以及稳定性进行两种分类,具体的分类原则见下表。

土壤团聚体分类表

土壤团聚体的形成机制

土壤团聚体的形成是一个非常复杂的过程,包括一系列的物理、化学及生物的作用,其主要形成依赖于土壤中各种胶结物质的数量和性质。土壤中起作用的胶结物质一般可以分为有机胶结物质、无机胶结物质和有机无机复合体。关于土壤中团聚体的形成机制,很多科学家进行了研究。简而言之,团聚体形成的过程大体上可分为两个阶段。第一阶段是矿物质和次生粘土矿物颗粒,通过各种外力或植物根系挤压相互默结,凝聚成复粒或团聚体。第二阶段是团聚体或复粒再经过胶结、根毛和菌丝体的固定作用形成团聚体。

土壤团聚体与土壤肥力的关系

土壤团聚体是良好的土壤结构体,团聚体多是土壤肥沃的标志之一。首先,从适耕性上来讲,团聚体丰富的土壤土质疏松,易于耕作,种子易于发芽出土,根系易于伸展。同时又由于团聚体具有多孔性,为土壤创造了土壤良好的孔隙性,团聚体内部以持水孔隙占绝对优势,而团聚体之间是充气孔隙,这使得土壤中能同时留存水分和气体。同时,团聚体充水和充气孔隙的存在,使得充气孔隙适宜于好气性微生物的活动,有机质分解快,产生的速效养分多,供肥性能良好;充水孔隙有利于嫌气性微生物的活动,有机质分解缓慢,有利于腐殖质的合成,所以有利于养分的积累,保肥性能良好。然而,更细分下去,很多科学家关注了不同粒级土壤团聚体与土壤肥力的关系,这些研究整体上认为微团聚体对土壤理化性质及生物学性质具有多方面的重要作用,而不同粒级的微团聚体所起的作用又各不相同,密切影响了土壤肥力水平的高低。

土壤团粒结构

如何改善田间土壤团聚状况

土壤团聚体对土壤肥力的作用如此之大,改善土壤团聚状况就显得尤为重要了。形成土壤良好团聚体结构的农业措施主要有:

①合理施肥,施用有机肥有利于团聚体的形成。

②适宜的耕作方式,耕作措施如翻耕、晒垡、冻垡、耙地等使土粒细碎;免耕和少耕等保护性耕作措施有利于团聚体含量的增加、表层土壤结构的改善;深耕结合施有机肥,则改善土壤通透性。

③合理的轮作制度,作物根系活动可以促进土壤团粒结构的形成,尤其是豆科绿肥,根系发达,长期种植土壤结构可大为改观。设施种植土壤也可以采用非豆科与豆科作物轮作、深根系作物与浅根系作物轮作等来改善土壤结构。

④调节土壤阳离子组成、土壤结构改良剂的应用,如施用结构改良剂能显著的增加土壤中水稳定性团粒的数量,形成良好的团粒结构。

⑤合理灌溉,防止结构被破坏。要求选择合理的方法、合理的水量、合理的次数等。

改善团粒

团聚体不仅对土壤肥力具有重要作用,甚至在应对全球变暖方面也有着很大益处,农作过程应注重改善土壤团粒结构。

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