為了提升寒區農業水土資源利用效率，構建凍融農田水土環境健康循環模式，本書以黑龍江省松嫩平原典型黑土區作為研究對象，以寒區農田水土環境低碳、綠色、可持續生產為目標，采用室內機理探索、大田試驗驗證、區域尺度推廣相結合的研究方法，系統地探索了凍融土壤水、熱、養分環境響應機制及協同調控技術。全書共十章，主要內容包括農田凍融土壤物理特征參數分析、農田凍融土壤水熱狀況及能量傳輸機制、農田凍融土壤水熱復雜性特征識別、農田凍融土壤水熱鹽協同運移理論及過程模擬、農田凍融土壤碳氮循環轉化機理及伴生過程、作物生育期土壤環境演變機理及綜合效應等內容。
國家杰出青年科學基金獲得者，第二批國家“萬人計劃”科技創新領軍人才，榮獲國務院政府特殊津貼，龍江學者特聘教授。
目錄
前言
第一章 寒區農田土壤生境理論概述 1
第一節 寒區土壤凍融過程概述 1
第二節 凍融作用對土壤物理參數的影響 1
一、土壤團聚體 1
二、土壤孔隙結構與土壤容重 2
三、土壤導水性 3
第三節 凍融土壤水熱鹽遷移過程 4
一、凍融土壤與外界環境的能量交換過程 4
二、土壤水分傳輸及融雪水入滲 4
三、凍融土壤鹽分協同運移過程 6
第四節 凍融土壤碳氮循環協同效應 7
一、土壤碳素循環 7
二、土壤氮素循環 8
第五節 凍融土壤外源調控技術 9
一、生物炭對農田凍融土壤環境的影響 10
二、秸稈對農田凍融土壤環境的影響 10
第六節 技術路線 11
參考文獻 13
第二章 研究區概況 20
第一節 區域黑土概況 20
第二節 自然地理概況 20
一、地理位置 20
二、氣候類型 21
三、場地布置 24
第三節 土壤質地類型及植物覆被狀況 26
一、土壤質地類型 26
二、植物覆被狀況 27
第四節 河流水系及水文狀況 28
一、河流水系狀況 28
二、水文狀況 28
參考文獻 29
第三章 農田凍融土壤物理特征參數分析 30
第一節 概述 30
第二節 凍融土壤團聚體穩定性 31
一、試驗方案 31
二、數據指標測定 32
三、土壤團聚體粒徑分布 34
四、土壤團聚體穩定性分析 36
第三節 凍融土壤三相比例與孔隙結構 38
一、試驗方案 38
二、數據指標測定 38
三、宏觀土壤結構變化 40
四、土壤孔徑分布特征 42
五、凍融對土壤收縮特征的影響 45
六、土壤脹縮特性 49
第四節 凍融土壤水分特征變化 56
一、試驗方案 57
二、數據指標測定 57
三、土壤保水性變化特征 58
四、土壤導水性變化特征 69
第五節 凍融土壤通氣性 73
一、試驗方案 73
二、數據指標測定 75
三、土壤呼吸強度 76
四、土壤氣體傳輸性能 78
第六節 凍融土壤導熱性 79
一、試驗方案 79
二、數據指標測定 80
三、土壤熱特性參數變化分析 80
四、土壤熱性能影響因素分析 87
參考文獻 88
第四章 農田凍融土壤水熱狀況及能量傳輸機制 92
第一節 概述 92
第二節 凍融土壤水熱時空演變規律 93
一、試驗方案 93
二、測定內容及方法 94
三、土壤凍結過程差異性分析 94
四、土壤凍結過程水熱變異特征 97
五、覆被-土壤水熱變異敏感性因子識別 108
第三節 凍融土壤水熱變異特征識別 111
一、分形理論概述 111
二、土壤水熱環境變異特征分析 113
三、土壤水熱活動范圍界定 120
第四節 凍融土壤能量傳輸特征 125
一、凍融土壤能量傳遞概述 125
二、凍融土壤能量計算理論方法 126
三、土壤熱量時空分布特征 127
第五節 凍融土壤熱量周期性分析 139
一、土壤能量周期監測方法 139
二、土壤能量變化趨勢 140
三、土壤能量周期性識別 142
第六節 凍融土壤熱量傳遞機理研究 144
一、土壤熱量傳遞響應因子識別 144
二、土壤熱量傳遞函數構建 145
三、土壤熱量傳遞響應關系分析 149
參考文獻 149
第五章 農田凍融土壤水熱復雜性特征識別 151
第一節 概述 151
第二節 凍融土壤系統復雜性特征識別理論 152
一、小波變換信息量系數 152
二、近似熵理論 153
三、符號動力學 154
第三節 基于小波變換信息量系數的水熱復雜性特征研究 156
一、基于WT-ICF的土壤含水量復雜性特征研究 156
二、基于WT-ICF的土壤溫度復雜性特征研究 158
第四節 基于近似熵理論的水熱復雜性特征研究 160
一、基于ApEn的土壤含水量復雜性特征研究 160
二、基于ApEn的土壤溫度復雜性特征研究 163
第五節 基于符號動力學的水熱復雜性特征研究 165
一、基于LZC的土壤含水量復雜性特征研究 166
二、基于LZC的土壤溫度復雜性特征研究 168
第六節 凍融土壤水熱復雜性特征對比分析 170
一、不同深度土壤含水量序列復雜性綜合測度分析 170
二、不同深度土壤溫度序列復雜性綜合測度分析 171
參考文獻 171
第六章 農田凍融土壤水熱鹽協同運移理論及過程模擬 174
第一節 概述 174
第二節 凍融土壤水熱響應因素分析 175
一、試驗方案 175
二、積雪覆蓋對土壤溫度的影響 177
三、積雪覆蓋對地-氣之間溫差的影響 178
四、土壤熱狀況對氣象因素的響應 180
第三節 凍融土壤水熱耦合互作機理 182
一、試驗方案 183
二、凍結期土壤水熱互作效應 184
三、融化期土壤水熱互作效應 193
第四節 凍融土壤水熱耦合遷移模型 201
一、凍融土壤水熱耦合遷移模型構建 202
二、凍融土壤水熱耦合遷移模型參數確定 212
三、凍融土壤水熱耦合遷移過程數值模擬 214
第五節 凍融土壤水鹽傳輸擴散機制 220
一、試驗方案 221
二、凍融期土壤鹽分遷移特征分析 222
三、凍融期土壤水鹽協同關系分析 224
第六節 凍融土壤水熱鹽協同運移關系表征 227
一、試驗方案 227
二、凍結土壤水熱鹽遷移響應之間的關系 229
三、凍融土壤水分積累影響因素 238
四、水鹽協同運動的影響因素 238
參考文獻 240
第七章 農田凍融土壤碳素循環轉化機理及伴生過程 243
第一節 概述 243
第二節 凍融土壤碳形態轉化特征 244
一、試驗方案 244
二、土壤可溶性有機碳變化特征 247
三、土壤碳素礦化速率 249
第三節 凍融土壤碳排放通量特征 250
一、土壤CO2氣體排放通量變化 250
二、土壤CO2累積排放量 252
三、土壤CH4氣體排放通量變化 253
四、土壤CH4累積排放量 255
五、土壤N2O、CO2和CH4氣體排放綜合溫室效應 256
第四節 凍融土壤CO2排放關鍵性影響因素分析 257
一、土壤CO2排放對溫度的響應效果 257
二、土壤CO2排放對含水量的響應效果 260
三、土壤CO2排放對可溶性有機碳含量的響應效果 263
第五節 凍融土壤CH4排放關鍵性影響因素分析 267
一、土壤CH4排放對溫度的響應效果 267
二、土壤CH4排放對含水量的響應效果 270
三、土壤CH4排放對可溶性有機碳含量的響應效果 274
第六節 凍融土壤碳礦化過程環境響應機制 277
一、土壤碳素礦化速率對溫度的響應效果 277
二、土壤碳素礦化速率對含水量的響應效果 280
三、土壤碳素礦化速率對轉化酶活性的響應效果 284
參考文獻 287
第八章 農田凍融土壤氮素循環轉化機理及伴生過程 290
第一節 概述 290
第二節 凍融土壤無機氮含量變異特征 291
一、試驗方案 291
二、土壤硝態氮含量變化特征 293
三、土壤銨態氮含量變化特征 294
四、土壤氮素礦化速率 296
第三節 凍融土壤N2O排放通量特征 297
一、土壤N2O氣體排放通量變化 297
二、土壤N2O累積排放特征 299
第四節 凍融土壤N2O排放關鍵性影響因素分析 300
一、土壤N2O排放對溫度的響應效果 300
二、土壤N2O排放對含水量的響應效果 304
三、土壤N2O排放對硝態氮的響應效果 307
四、土壤N2O排放對銨態氮的響應效果 310
第五節 凍融土壤氮素礦化過程環境響應機制 314
一、土壤氮素礦化速率對土壤溫度的響應效果 314
二、土壤氮素礦化速率對土壤含水量的響應效果 317
三、土壤氮素礦化速率對土壤脲酶活性的響應效果 320
參考文獻 324
第九章 作物生育期土壤環境演變機理及綜合效應 326
第一節 概述 326
第二節 作物根系發育及根區土壤環境演變過程 327
一、試驗方案 327
二、樣品采集與指標測定 329
三、生物炭施用條件下大豆根系形態指標的變化 331
四、生物炭施用條件下大豆根區土壤養分指標的變化 336
五、炭肥互作模式下大豆根區土壤養分指標的變化 344
第三節 作物農藝性狀對土壤環境響應關系研究 350
一、試驗方案 350
二、數據指標測定 350
三、單一施用生物炭對大豆農藝性狀的影響 350
四、炭肥互作對大豆農藝性狀的影響 356
五、土壤養分指標與作物農藝性狀指標間的關系 358
六、炭肥互作對作物產量指標的作用效果 360
第四節 外源介質對農田作物生境調控機制的解析 360
一、生物炭對作物冠層的綜合影響效應 360
二、生物炭施用對大豆根系特征的作用機理 361
三、炭肥互作對大豆生理特征的影響機制 362
四、生物炭對土壤氮素保留的影響 363
五、生物炭對土壤碳固存的影響 364
第五節 農田土壤環境改良效果的綜合評價研究 364
一、RAGA-PPC農田土壤環境改良效果評價模型的建立 365
二、RAGA-PPC農田土壤環境改良效果評價指標的篩選 368
三、RAGA-PPC農田土壤環境改良效果評價結果 370
參考文獻 374
第十章 農田土壤凍融過程及生境效應理論發展問題與展望 379
第一節 農田凍融土壤水土環境研究的重要發現 379
一、凍融土壤結構演變及理化特性響應機制 379
二、凍融土壤能量傳輸水熱鹽協同運移機制 380
三、凍融土壤碳氮循環及土壤環境演變機理 381
四、作物生理生長狀況及最佳調控模式優選 382
第二節 農田凍融土壤生態過程的核心問題與挑戰 383
一、農田凍融土壤水資源高效利用 383
二、農田凍融水文過程伴生環境效應 385
第三節 農田凍融土壤生境健康調控的未來展望 386
一、寒區農田凍融土壤水養耦合互作機制 387
二、寒區農田凍融土壤健康調控技術體系構建 388
參考文獻 389
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