• 2023年第60卷第1期文章目次
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    • >新视角与前沿
    • 土壤起源与宜居地球的形成

      2023, 60(1):1-6. DOI: 10.11766/trxb202209220524

      摘要 (247) HTML (5) PDF 1.32 M (279) 评论 (0) 收藏

      摘要:在各种成土因素交互作用下,地球土壤起源和演变历经变化的环境和多种成土过程。研究表明最早的古风化壳出现在太古宙;而随着地球生物演进,生物因素加入风化成土作用与成土过程,土壤学家眼中的土壤形成、发育于寒武纪。漫长的地质历史时期不同的成土环境发育有各种类型土壤,这些土壤发育与演化过程又反作用于景观、地形、生态系统、气候系统,改变大气成分组成和地球化学循环,影响、反馈、调节全球或地区的表层系统,土壤圈的形成是宜居地球形成的重要标志。

    • >综述与评论
    • 基于知识图谱分析的土壤氮循环功能基因研究进展

      2023, 60(1):7-22. DOI: 10.11766/trxb202110270580

      摘要 (196) HTML (13) PDF 2.38 M (301) 评论 (0) 收藏

      摘要:土壤氮循环功能基因广泛地参与包括固氮、氨化以及硝化和反硝化作用等一系列生态过程,是氮素生物地球化学循环的关键组成部分,在很大程度上影响土壤生产力、全球环境变化以及碳中和可持续发展。近几十年来,分子生物学和微生态学技术的快速发展极大地促进了土壤氮循环密切相关的功能基因以及其功能微生物群落特征等方面的研究。本研究利用检索自Web of Science数据库中2001—2020年期间土壤氮循环功能基因相关文献,结合R语言科学知识图谱分析方法,从发文量、高被引论文、高频关键词及历史直接引文等方面对土壤氮循环功能基因研究现状进行了系统分析,并总结了土壤氮循环功能基因领域的研究动态、热点和发展趋势。结果表明:1)应用分子生物学技术挖掘土壤氮循环相关微生物功能基因及群落结构探索土壤氮循环的微生物学机制,是当前土壤氮循环研究领域的热点及切入点。2)土壤氮循环功能基因研究主要集中于3个方面:①利用宏基因组学等技术对土壤氮循环相关的功能基因进行筛选、识别和注释,从而发现新的微生物功能基因序列、更新引物数据库等;②环境因子及管理措施对土壤氮循环相关微生物指标的影响;③利用功能基因丰度表征土壤氮循环过程相关功能微生物的数量变化,以及功能基因与土壤性质、微生物群落结构间关系分析,以期揭示土壤氮循环过程的分子机制。3)土壤氮循环功能基因研究领域的历史发展脉络:从氮循环功能基因筛选、鉴定、识别、相应引物设计及分析方法确定等,到土壤氮循环功能基因的影响因素(或环境条件),以及当前结合土壤氮循环相关功能基因活性、丰度与功能微生物种群、群落结构甚至土壤性质数据,综合探讨土壤氮循环微生物机制。

    • 基于31P NMR的自然成土过程中有机磷组分演变特征及影响因素研究进展

      2023, 60(1):23-38. DOI: 10.11766/trxb202105060240

      摘要 (90) HTML (23) PDF 2.48 M (166) 评论 (0) 收藏

      摘要:土壤有机磷(Po)是土壤中重要的磷库,其形态、含量与生物有效性随成土过程而发生变化,进而影响土壤磷素供应、养分平衡及生态系统生产力。然而,与土壤无机磷(Pi)相比,以往的研究对Po的重视不够,这主要是由于土壤中Po的提取、分析和鉴定方法难于Pi。近年来,随着液相31P核磁共振(31P NMR)波谱技术在土壤学领域的应用,为定量分析土壤Po组分及含量提供了新的技术手段,同时为更好地理解生态系统演化过程中不同形态Po的转化特征奠定了基础。本文主要总结了土壤Po的种类和性质,介绍了液相31P NMR分析土壤Po的原理和方法,在此基础上综述了自然成土过程中不同形态Po的转化特征及其影响因素,并指出了需进一步研究的方向和关键科学问题:包括量化成土过程中不同形态Po转化速率、途径与环境阈值,阐明不同发育阶段土壤Po与C、N等养分之间的耦合关系及其固释机理,构建不同类型土壤Po演化模型。回答上述问题有助于更好地理解地球关键带磷素生物地球化学循环,为不同发育阶段土壤养分管理与调控及土壤资源可持续利用提供理论依据。

    • 土壤中抗生素抗性基因的环境行为与阻控研究进展

      2023, 60(1):39-49. DOI: 10.11766/trxb202111100608

      摘要 (152) HTML (13) PDF 1.87 M (240) 评论 (0) 收藏

      摘要:抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)的传播威胁着生态环境安全和人体健康,已成为一个全球性的问题。土壤中抗生素抗性基因的分布、来源、扩散传播以及消减技术已成为一个研究热点。本文在简要介绍自然环境和受人类活动干扰土壤中抗生素抗性基因分布水平的基础上,分析了土壤中抗生素抗性基因的主要来源,剖析了抗生素抗性基因由土壤向其他环境介质(水、植物)传播的规律及其影响因素,如土壤理化性质、农艺调控和环境中污染物等。进而探讨了环境中各种生物和非生物因素对土壤中抗生素抗性基因持久性的影响和环境中抗生素抗性基因的消减技术,包括好氧堆肥、厌氧发酵、水处理工艺等。最后,提出遵循“大健康(One Health)”准则,以跨学科的方法控制抗生素抗性基因在环境中的传播,以更全面地将抗生素抗性基因对人类的健康风险降低至最低水平。

    • 土壤酶对重金属污染的响应及指示研究进展

      2023, 60(1):50-62. DOI: 10.11766/trxb202107240275

      摘要 (126) HTML (20) PDF 683.67 K (188) 评论 (0) 收藏

      摘要:土壤酶在关键元素生物地球化学循环、动植物健康维持、环境污染净化等方面起着不可替代的重要作用,同时还是土壤污染程度评价的辅助指标之一。然而,由于土壤物理、化学和生物学性质的差异,以及研究方法的多样化,导致重金属与土壤酶活性之间的关系十分复杂,阻碍了土壤酶在土壤质量和健康评价中的应用。系统阐述了重金属污染对土壤酶的生态毒理效应,及其对土壤酶催化动力学特征的影响,构建了土壤-重金属-微生物对土壤酶作用的概念模型,并探讨未来的研究趋势和方向。土壤酶活性测定高效、便宜,且对重金属污染敏感,是极具潜力的土壤重金属污染评价的生物学指标,但仅采用土壤酶活性可能高估或低估重金属的生态毒性,加之当前对土壤酶的选择、活性的测定均缺乏统一的标准,致使难以建立重金属毒性阈值与土壤理化性质或土壤重金属有效性之间的定量关系,最终导致土壤酶在土壤污染生态风险评价中存在争议。未来亟需通过新技术和数学模型,深入揭示不同类型土壤中酶对重金属胁迫的响应机理,构建土壤性质与毒性阈值关系的经验模型,可为加强土壤酶在土壤质量和健康评价中的应用提供重要的理论依据。

    • >研究论文
    • 基于地形与遥感辅助信息的小流域尺度高分辨率有机碳空间分布预测研究

      2023, 60(1):63-76. DOI: 10.11766/trxb202103120140

      摘要 (95) HTML (13) PDF 9.68 M (170) 评论 (0) 收藏

      摘要:土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)既是衡量土壤质量的重要指标,也是影响全球碳氮循环的关键因素之一。作为数字土壤制图(Digital soil mapping,DSM)研究中起主要作用的环境变量,地形元素在SOC预测制图中也是无可替代的。应用机器学习模型,通过引入不同超参数设置下获得的高分辨率(5 m)Geomorphons(GM)地形分类图作为丘陵地形特征信息的补充,结合数字高程模型(Digital elevation model,DEM)衍生变量和光学、合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)遥感数据对句容市黄梅镇北部小流域尺度(1:25 000)丘陵地貌区地表层SOC含量进行预测制图,并评估不同GM变量在SOC含量预测中的表现。基于74个土壤样本和不同环境变量组合,分别采用袋装决策回归树(Bagged classification and regression tree,Bagged CART)、随机森林(Random forest,RF)和立体派(Cubist)三种方法构建SOC含量预测模型,并通过四个精度验证指标,采用十折交叉验证对生成的模型性能进行分析评价。总体上,Cubist模型的预测表现优于Bagged CART和RF模型。分析显示,与单独使用DEM衍生变量相比,引入GM变量能提供更准确的SOC含量预测,其中设置20像元(cells)搜索半径(L)与5°平坦度阈值(t)的GM变量表现出最高的模型贡献度,两者与遥感类变量的组合产生了最高的预测精度(R2=0.53)。引入GM变量后,使用Cubist模型估算SOC含量的R2提高了14.3%。研究表明,在小流域尺度丘陵地貌区,地形类变量是SOC预测的主要解释变量,其中谷底平坦综合指数(Multi‑resolution index of valley bottom flatness,MRVBF)和高程是模型中最重要的两个环境变量;同时,在建立SOC预测模型时,高分辨率GM图像具有作为输入环境变量的应用潜力。

    • 冻融循环和土壤含水率对棕壤崩解特性的影响

      2023, 60(1):77-88. DOI: 10.11766/trxb202103020119

      摘要 (79) HTML (12) PDF 1.59 M (147) 评论 (0) 收藏

      摘要:以沈阳地区5~7 cm和25~27 cm 2个深度原状棕壤为研究对象,分析冻融循环次数和土壤含水率对棕壤崩解特性的影响。根据气象数据结合野外观测结果,共设计了5个冻融循环次数。控制土样质量含水率分别为10%、15%、20%、25%和35%。采用静水崩解,通过数显拉力计及测量软件测定崩解过程。结果表明:(1)棕壤崩解具有阶段性,包括快速吸水阶段、指数崩解阶段、阶跃崩解阶段和崩解完成阶段。其中指数崩解阶段是崩解过程的主要发生阶段,土样因拉扯或失去支撑接连崩落。该阶段的崩解速率和非毛管含水率对冻融循环次数的响应规律一致。根据拟合曲面,10%~15%的含水率区间存在最易崩解含水率,其最终崩解率最大。当土样含水率为25%和35%时,土样会跳过指数崩解过程直接进入阶跃崩解阶段。含水率35%条件下,5~7 cm和25~27 cm土样的最终崩解率很小,不超过6.93%和11.14%。(2)冻融作用会对含水率为10%和15%土样产生超固结效应,加速土壤孔隙的两极化分布,土样指数崩解阶段的崩解速率和非毛管含水率,最终在多次冻融后增加。冻融作用也会对含水率为25%和35%土样结构产生影响,扩张土壤孔隙造成内部沉降,以及降低吸水能力。土样指数崩解阶段的崩解速率和非毛管含水率,最终在多次冻融后减小。(3)25~27 cm土样孔隙差异性略大,较高的黏粒含量抑制了双电层对自由水的控制能力,最终崩解率偏高。冻融作用可将土壤抵抗由内到外发生侵蚀的能力,转化为抵抗由外到内发生侵蚀的能力。研究结果可为棕壤侵蚀研究提供数据支撑。

    • 黄土塬区土地利用变化对地表蒸散的影响

      2023, 60(1):89-98. DOI: 10.11766/trxb202103150143

      摘要 (69) HTML (2) PDF 789.38 K (123) 评论 (0) 收藏

      摘要:明确黄土高原地表蒸散对土地利用变化的响应,有助于评估退耕还林/还草工程对区域气候的影响。为此,在陕西长武黄土塬区5个地点分别采集农地和20龄苹果园10 m深土壤剖面样品,测定土壤水分和氯离子含量,结合当地22龄苹果园4~18 m土壤水分历史数据,基于空间换时间的方法定量评估农地转化为苹果园后对地表蒸散的影响。结果表明:(1)由农地转化的20龄苹果园4~10 m土壤水分明显减小,仅为农地的71%;(2)农地对地下水的平均潜在补给量和地表蒸散量分别为57 mm·a–1和527 mm·a–1,分别占年均降水量的10%和90%;(3)农地转化为苹果园后地表蒸散量增加,22龄苹果园平均蒸散量为625 mm·a–1,相比农地增加量为98 mm·a–1,其中4~10 m和4~18 m深层土壤水分别贡献了24 mm·a–1和41 mm·a–1,约占总蒸散量的4%和7%。本文首次定量评估了黄土高原地区农地转化为苹果园对地表蒸散的影响以及深层土壤水对深根系苹果树蒸散的贡献,为评价该区域土地利用变化对蒸散以及气候的影响提供科学依据。

    • 不同种稻年限对苏打盐碱土孔隙和入渗性能的影响

      2023, 60(1):99-105. DOI: 10.11766/trxb202105180262

      摘要 (137) HTML (18) PDF 642.94 K (110) 评论 (0) 收藏

      摘要:已有的科学研究和生产实践表明,种植水稻可以有效改良东北苏打盐碱土。但种植水稻是如何影响土壤结构和入渗性能来改良盐碱地的相关研究还比较缺乏。采用压汞法研究不同种稻年限土壤的微观孔隙变化,并通过土柱实验研究土壤入渗性能的差异,明确了种植水稻对盐碱土结构和入渗性能的影响。研究结果表明:土壤平均孔径随种植年限增加,种植7a的土壤平均孔径较1a的土壤增加了0.808μm;土壤比表面积随种植年限的增加降低,种植7a的土壤比表面积较1a的土壤降低了0.087 m2·g–1;土壤孔隙率随种植年限增加,种植 7a的土壤孔隙率较1a的土壤增加了8.35%。随着种植年限的增加,小孔隙数量减少,大中孔隙数量不断增加,种植7a的土壤孔隙在30~75 μm和75~200 μm这两个范围内的占比最大,分别为28.25%和12.45%。土壤入渗性能也显著提高,种植7a的土壤稳定入渗速率较荒地提高了107倍。盐碱地通过种植水稻,有利于土壤孔隙的形成和小孔隙数量减少,大中孔隙数量增加。土壤孔径和孔隙率的增加,有效改善了土壤结构,提高了土壤入渗性能。盐碱土壤盐分向下淋洗的速率增加,提高了土壤耕作层的脱盐效率。

    • 离子型稀土闭矿区土壤铵态氮富集特征

      2023, 60(1):106-116. DOI: 10.11766/trxb202104140195

      摘要 (113) HTML (12) PDF 3.48 M (150) 评论 (0) 收藏

      摘要:离子型稀土开采使用的浸矿剂(硫酸铵)造成土壤铵态氮(NH4+-N)残留,带来严重的氮污染,危及生态环境和人体健康,导致稀土矿开采受限。为明确已开采矿区土壤中NH4+-N的富集特征及其影响因素,选择江西省赣州市龙南县一个已闭矿4年的原地浸矿离子型稀土矿山,在山体不同坡位布点,自土表至矿体底板(土体与基岩交界处,深度为5.5~9.7 m)分层采样,并测定了土体中的NH4+-N及其相关的土壤性质。结果表明,矿区土壤NH4+-N含量范围为2.32~1056.44 mg·kg–1(263.12±301.59 mg·kg–1),是自然和农田土壤的数倍甚至上百倍。从土体分布来看,矿体部分土壤NH4+-N含量高于其上部土壤,不同土层间差异显著。从不同地形部位来看,NH4+-N的平均含量坡顶>坡底>坡中。由于土体中铵过饱和,不同于自然土壤,NH4+-N的分布不受常规土壤理化性质的直接影响,主要受控于浸矿液直接输入的深度、输入量和土体结构带来的渗透性能变化。在降雨的淋洗作用下,开采矿区土体中大量的NH4+-N会不断向周边土壤和水体迁移,对生态环境带来长期的危害。本研究结果对完善离子型稀土矿区土壤氮化物的迁移过程、指导氨氮污染的治理具有重要意义。

    • 蒙脱石表面碱金属离子的亚稳平衡吸附及其特异性效应

      2023, 60(1):117-126. DOI: 10.11766/trxb202105210265

      摘要 (100) HTML (12) PDF 615.38 K (129) 评论 (0) 收藏

      摘要:离子吸附的亚稳平衡是描述离子交换吸附中实际反应平衡特征及限度的重要理论范式。本研究旨在从理论上推导离子吸附的亚稳态平衡模型,建立离子平衡吸附量与活化能之间的数学关系,探讨碱金属离子亚稳平衡吸附的特异性效应。结合恒流混合置换技术及基于表面静电场理论的离子吸附动力学模型,探究了钾离子(K+)、钠离子(Na+)、锂离子(Li+)三种碱金属离子在铯离子(Cs+)-蒙脱石饱和样表面可能存在的亚稳平衡吸附作用;通过开展K+、Na+和Li+在Cs+-蒙脱石表面的吸附动力学实验,对理论模型进行验证。研究结果表明:(1)K+、Na+、Li+在Cs+-蒙脱石饱和样表面表现出显著的亚稳平衡吸附特征,交换离子的吸附活化能(能量势垒)来源于吸附态Cs+的解吸过程;(2)相同离子浓度条件下,表面静电场引起的离子强极化作用导致各离子的亚稳平衡吸附呈现出特异性效应;(3)离子吸附的亚稳平衡受到离子浓度和离子特异性效应的共同影响,离子平衡吸附量与离子吸附速率呈正比例关系。碱金属离子在蒙脱石表面的吸附平衡是亚稳平衡而不是真正的平衡,离子亚稳平衡吸附的存在应归因于活化能对离子吸附动力学的限制。碱金属离子不同的极化效应导致各体系的活化能不同,进一步触发了离子亚稳态平衡吸附的特异性效应。

    • 石灰性水稻土中硝酸盐依赖型与光合型亚铁氧化过程

      2023, 60(1):127-137. DOI: 10.11766/trxb202104010174

      摘要 (112) HTML (8) PDF 819.56 K (108) 评论 (0) 收藏

      摘要:厌氧条件下土壤中铁氧化还原过程与土壤氮循环关系密切,且硝酸盐依赖型亚铁氧化(nitrate-dependent ferrous oxidation,NDFO)和光合型亚铁氧化(photosynthetic ferrous oxidation,PFO)是亚铁氧化的两个重要的生物途径,然而目前关于石灰性水稻土中NDFO与PFO之间的关系仍不明晰。以采自黄河中下游地区河南省孟津县的水稻土为样品,设置培养前添加和培养过程中添加10 mmol·L-1的硝酸根离子/铵离子(NO3-/NH4+)的恒温厌氧泥浆培养试验,通过监测泥浆中Fe (II)、O2、NO3-和亚硝酸根离子(NO2-)的动态变化与培养后的NH4+含量探究了NO3-在石灰性水稻土Fe(II)氧化过程的作用及其与光合型亚铁氧化的关系。结果表明:避光条件下石灰性水稻土中存在NDFO,但产生的Fe(III)可在NO3-消耗殆尽时被再次还原而掩盖Fe (II)氧化现象。光照条件下NDFO和PFO可同时存在,PFO可致1.99 mg·g-1 Fe (II)氧化,NO3-的加入可使Fe(II)氧化量增加0.57 mg·g-1。光照可抑制NO3-的还原而抑制NDFO。研究结果对于进一步理解湿地铁的氧化还原及其耦合的氮素转化过程有重要意义。

    • 土壤铁氧化物与腐殖质的交叉染色效应研究

      2023, 60(1):138-150. DOI: 10.11766/trxb202103200154

      摘要 (83) HTML (15) PDF 2.04 M (131) 评论 (0) 收藏

      摘要:土壤颜色是土壤分类、气候重建和环境遥感的重要指标。铁氧化物和腐殖质是土壤的两大致色组分,主导了土壤可见光波段的光谱响应特征。基于土壤中铁氧化物和腐殖质交叉致色效应不明确的问题,以高岭石(Kao)为基底,选取典型铁氧化物赤铁矿(Hm)和针铁矿(Gt)以及典型腐殖酸胡敏酸(Ha)和富里酸(Fa),基于高分辨率漫反射光谱方法(DRS),系统探讨了不同含量单一致色组分的光谱特征、颜色指数及其二元交叉干扰效应。结果表明,就单一组分的致色效应而言,红色Hm强于黄色Gt,黑色Ha强于棕色Fa;腐殖质加入对铁氧化物致色有明显影响,通常会使可见光波段平均反射率、明度(V)和彩度(C)降低,色调(H)偏黄,但Hm抗干扰能力大于Gt。Lab颜色系统的a*、b*以及DRS的红度(Red%)与黄度(Yellow%)对Hm和Gt含量变化敏感,可作为土壤铁氧化物定量反演的指标,但Ha的加入可导致Hm和Gt估值偏低,Fa对估值的影响较小,干扰形式与Hm和Gt的含量范围有关。基于此,本文给出不同腐殖酸含量条件下土壤Hm和Gt的估算公式,为理解土壤的颜色变化及铁氧化物定量提供重要参考,也为基于环境遥感的大面积铁氧化物调查奠定基础。

    • 高寒草地灌丛化对土壤团聚体稳定性及其胶结物质的影响

      2023, 60(1):151-163. DOI: 10.11766/trxb202107290253

      摘要 (112) HTML (22) PDF 1.10 M (130) 评论 (0) 收藏

      摘要:团聚体是土壤有机碳重要的存储单元,其稳定性直接影响有机碳的固存。为探明草地灌丛化是否影响土壤团聚体稳定性及其胶结物质,本文以青藏高原东缘4种典型灌丛化草地(高山绣线菊Spiraea alpina、窄叶鲜卑花Sibiraea angustata、小叶锦鸡儿Caragana microphylla、金露梅Potentilla fruticosa)为研究对象,分析土壤团聚体稳定性(大于0.25 mm团聚体含量、平均重量直径(MWD)和分形维数及其胶结物质(团聚体有机碳、铁铝氧化物、钙键和铁铝键结合的有机碳)的含量,并分析各胶结物质对团聚体稳定性的影响。结果表明,(1)小叶锦鸡儿灌丛化显著降低2~0.25 mm和小于0.002 mm团聚体含量和团聚体稳定性(P<0.05),而其他3种灌丛化草地对土壤团聚体含量和稳定性影响不显著(P>0.05)。(2)小叶锦鸡儿灌丛化和窄叶鲜卑花灌丛化改变了团聚体胶结物质的含量。(3)团聚体胶结物质与MWD的增强回归树分析结果显示,高山绣线菊灌丛化草地土壤团聚体稳定性的主要贡献胶结物质为络合态铁(Fep)和无定形态铁铝(Feo、Alo),而其他3种灌丛化样地和未灌丛化草地主要贡献因子则为团聚体有机碳(SAOC)和游离态铁(Fed)。灌丛化虽增加了小叶锦鸡儿样地主要胶结物质中小于0.053 mm粒径SAOC的含量,但降低了大团聚体、黏粒以及Fed的含量,从而降低了团聚体稳定性,这可能不利于其有机碳的固存。本研究可为该区域团聚体稳定性和有机碳库的动态变化提供理论知识。

    • 腐殖酸对Mycobacterium sp. NJS-1降解芘的影响

      2023, 60(1):164-174. DOI: 10.11766/trxb202110010341

      摘要 (80) HTML (9) PDF 5.08 M (95) 评论 (0) 收藏

      摘要:为研究腐殖酸(Humic acid,HA)对微生物降解环境中多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)的影响,以四环芘为典型PAHs及HA为代表性溶解性有机质,选取芘高效降解菌Mycobacterium sp.NJS-1于有无HA条件下降解芘,应用傅里叶变换回旋离子共振质谱(FT-ICR-MS),激光共聚焦显微镜(CLSM),及光谱技术分析降解过程中芘的残留特征、中间产物信息及菌落的变化特征。结果显示:未添加HA,芘降解率为35.33% ± 3.27%;添加HA后,其降解率明显提高,达到88.33% ± 3.40%,表明HA对高效菌Mycobacterium sp. NJS-1降解芘有明显的促进作用。不添加HA,菌落Mycobacterium sp. NJS-1分泌的双加氧酶只进攻芘的C4,5位点,而添加HA后增加了进攻芘的C1,2位点,因此增加了芘的代谢途径。添加HA后,CLSM结果显示无死亡细胞出现而且团聚明显,表明HA能够提高细胞的存活率并促进微生物膜的形成。同时,在降解芘的过程中,产生了酪氨酸类蛋白质和可见光类富里酸,表明添加HA反而提高了降解菌活性,而且形成了三维结构的生物膜。光谱分析部分发现:蛋白酰胺,酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸发生红移,表明HA的添加引起了细胞表面官能团作用力的变化。可见降解菌不仅通过细胞表面官能团相互作用形成微生物膜促进降解,而且外源HA能够促进菌落之间的作用,加快降解的进行。

    • 新型碱性肥料治酸改土降镉的效果和机理

      2023, 60(1):175-188. DOI: 10.11766/trxb202102100092

      摘要 (58) HTML (5) PDF 852.01 K (134) 评论 (0) 收藏

      摘要:通过大田试验和模拟实验,研究碱性肥料治酸改土的效果、土壤pH对Cd吸附解吸热力学性能的影响,为碱性肥料治理土壤酸化和降低土壤Cd污染提供理论依据。结果表明:碱性肥料能明显提高大田土壤pH、显著降低土壤有效镉含量,明显遏制土壤酸化和土壤镉污染。施用碱性肥料是提高土壤pH和降低土壤有效镉含量的有效措施。当土壤Cd含量小于等于60 mg·L–1时,pH从5增加到9时几乎不影响Cd的吸附强度(在15.77 mg·kg–1/mg·L–1~16.67 mg·kg–1/mg·L–1之间);而当Cd含量大于60 mg·L–1,Cd的吸附强度随pH的升高而明显增大,但吸附率随浓度的增大而减少。土壤Cd含量相等时,pH越高土壤Cd的吸附量及吸附率越大。土壤Cd的等温吸附曲线适于用Freundlich方程拟合和定量描述。土壤吸附Cd是自发反应过程,表现为Cd的吸附自由能(△G)为负。同一pH下,△G随着土壤Cd含量的增大而增大;△G随着土壤溶液pH的升高而减小。碱性条件下Cd吸附自由能小于酸性条件下的△G,即碱性条件下的Cd吸附反应更加剧烈。可见,提高土壤pH有利于增加土壤吸附Cd的能力。当土壤镉含量相对较低时,镉吸附为专性吸附;而当镉含量增加或当镉污染程度大时,在高pH下土壤可变电荷及其非专性吸附对Cd吸附起到积极作用。在农业生产实践中,建议采取施用碱性肥料的措施遏制土壤酸化,提高土壤pH,增加Cd的吸附量,降低土壤Cd的生物有效性,达到以肥治酸降镉的目的。

    • 秸秆还田配合化肥减施对潮土作物产量及土壤肥力的影响

      2023, 60(1):189-200. DOI: 10.11766/trxb202106230326

      摘要 (158) HTML (12) PDF 1.09 M (168) 评论 (0) 收藏

      摘要:我国粮食主产区化肥施用过量,导致肥料利用率降低、土壤质量退化、环境污染风险提高等一系列问题。于黄淮海平原潮土区设置大田试验,研究秸秆还田配合不同比例氮磷减施对土壤养分、作物产量、秸秆养分释放及土壤微生物的影响。结果表明:与常规施肥相比,减氮30%或减磷50%对作物产量及土壤养分含量无显著影响;秸秆降解率在第一季达43.33%~53.11%,减氮30%或减磷50%降解率可增加12.40%,两年后达到63.41%~75.62%;减氮100%显著降低细菌真菌丰度、物种丰富度和多样性,而减磷影响较弱;减氮30%和减磷50%主要增加细菌中芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)Longimicrobiaceae科和变形菌门(Proteobacteria)亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)相对丰度,增加真菌中壶菌门(Chrytridiomycota)GS13纲相对丰度,降低子囊菌门(Ascomycota)粪壳菌纲(Sordariomycetes)和被孢霉门(Mortierellomycota)被孢霉纲(Mortierellomycetes)相对丰度;冗余分析表明,影响细菌和真菌的主要环境因子均为土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)。综上,在潮土中高产田地区,秸秆全量还田配合减氮30%或减磷50%具有保肥稳产的潜力。

    • 硝酸还原酶合成的NO通过诱导酸敏感水稻根尖ROS积累引起酸毒

      2023, 60(1):201-211. DOI: 10.11766/trxb202102070085

      摘要 (76) HTML (9) PDF 4.76 M (126) 评论 (0) 收藏

      摘要:酸毒是酸性土壤中限制作物生长的重要因子之一,但酸毒通常与金属离子毒性共存,难以在土壤中直接研究,目前关于水稻酸毒机制的报道较少。选用前期筛选的酸耐性不同的两个水稻品种Kasalath(酸耐性)和Jinguoyin(酸敏感),研究水稻的酸敏感性与活性氧(ROS)积累及氧化还原代谢相关酶的关系,并试图探讨酸毒害中一氧化氮(NO)信号与活性氧信号的调控关系。结果显示,低pH引起酸敏感水稻品种Jinguoyin中根尖NO和ROS的富集,但酸耐性水稻品种Kasalath中无显著变化。NO清除剂2-(4-羧基苯基)-4,4,5,5-四甲基咪唑啉-1-氧基-3-氧化物钾盐(cPTIO)可清除Jinguoyin根尖富集的NO和ROS。硝酸还原酶反馈抑制剂谷氨酰胺(Gln)可明显降低Jinguoyin在低pH下的根尖NO信号,而一氧化氮合酶抑制剂N'-硝基-L-精氨酸甲酯盐酸盐(L-NAME)对根尖NO信号无影响。低pH显著提高了Jinguoyin中硝酸还原酶基因NIA1NIA2NIA3的表达,同时也提高了硝酸还原酶活性。可见,低pH下Jinguoyin受到的酸毒与NO介导的ROS富集有关,酸毒下产生的NO信号主要由硝酸还原酶合成,其硝酸还原酶基因NIA1NIA2的表达调控硝酸还原酶活性的提高。

    • 土壤供保氮能力决定稻田氮肥增产效果和利用率

      2023, 60(1):212-223. DOI: 10.11766/trxb202104070181

      摘要 (105) HTML (23) PDF 811.46 K (150) 评论 (0) 收藏

      摘要:黑龙江五常和江苏常熟分属我国东北和华东单季稻区优质粳米的代表性产地,但五常维持水稻高产所需氮肥投入量通常远低于常熟而其增产效果优于常熟。由于两地水热条件、作物品种、农田管理和土壤类型均不同,究竟是何原因导致这种区域差异尚不清楚。为探究土壤因素的影响,在两地稻田分别取黑土型水稻土(BS)和乌栅土(WS),设不施氮(CK)、低氮和高氮(N 150和300 kg·hm–2标记尿素)处理,开展盆栽试验,比较水稻产量、氮肥利用及总损失的土壤差异,并结合室内淹水矿化培养试验,研究两种水稻土氮素矿化特征。结果发现:在相同气候和水稻品种及管理条件下进行的盆栽试验中,各处理水稻产量、氮肥增产效果及地上氮素吸收累积量BS均优于WS,差值法氮肥利用率BS较WS高出20.0~28.7个百分点,然而15N示踪法氮肥利用率BS却仅较WS高5.56~8.01个百分点。尽管施氮后水稻吸收土壤氮均增加,但BS土壤来源氮增量较WS高95.0%~215%。根据CK和相应施氮处理水稻地上部土壤来源氮差值可计算土壤氮素表观激发量在BS为173~354 mg·pot–1,在WS仅为88~113 mg·pot–1,与淹水培养试验中施氮后BS土壤矿化氮累积量高出WS 0.95倍~2.49倍相一致。说明施氮对BS土壤供氮量增加有更大促进作用。盆栽试验中BS土壤上15N肥料总损失也随施氮量增加低于WS。综上,氮肥对BS土壤激发效应强,可提供更多矿化氮和损失较低是其维持较高氮肥利用率和高产的主要原因;而氮肥对WS土壤激发效应低,且肥料氮土壤保持能力较弱,因此,水稻生长对高量氮肥投入的依赖性更高。土壤是影响稻田氮肥增产效果和氮肥利用率差异的重要因素。

    • 磷肥减施对集约化露天菜地周年磷损失削减效果评价

      2023, 60(1):224-234. DOI: 10.11766/trxb202102050078

      摘要 (62) HTML (4) PDF 704.84 K (103) 评论 (0) 收藏

      摘要:集约化菜地因高量施肥以及大水漫灌导致其在农田磷污染排放中的占比最高,目前已成为种植业磷损失的优先阻控对象。在定量评估菜地周年磷损失量的基础上,明确蔬菜合理的磷肥投入阈值范围,通过源头控制菜地磷的迁移、流失,对于有效降低中国农业面源污染造成的环境压力具有重要意义。以太湖流域露天菜地为研究对象,设置农民习惯施磷(对照)和减量施磷处理(减施20%、30%、50%和100%),通过为期一年的蔬菜轮作试验,明确土壤磷素环境阈值及磷素周年径流流失特征。结果表明,菜地磷环境阈值为78.9 mg·kg–1,所有处理土壤表层有效磷(Olsen-P)含量均超过环境阈值。随施磷量的减少,菜地总磷(TP)径流损失浓度降低,并主要以可溶性磷(DP)流失形态为主,DP/TP比例为50.1%~63.1%。磷径流损失负荷呈现出明显的季节性特征,夏秋季磷素流失量为1.93~3.26 kg·hm–2(以P计),占全年磷素流失通量的59.2%~63.2%。结构方程模型结果表明,当季施磷量直接且极显著影响TP流失浓度,并且TP流失浓度对TP流失负荷存在极显著的正向影响,影响系数为0.97。菜地施肥处理的磷肥流失系数在1.36%~3.33%,减磷50%的流失系数最低。与对照相比,随施磷量的减少,磷径流损失削减效果越好,减磷100%的削减率达41.5%。三季蔬菜种植中,减磷20%和减磷30%处理的蔬菜产量和对照无显著差异,减磷20%处理出现增产趋势。综合考虑环境风险和经济产量,推荐露天菜地减施20%~30%的磷肥比较适宜。

    • 不同磷肥调控措施下红壤磷素有效性和利用率的变化

      2023, 60(1):235-246. DOI: 10.11766/trxb202104210207

      摘要 (72) HTML (13) PDF 628.71 K (111) 评论 (0) 收藏

      摘要:南方红壤区磷肥当季利用率仅为10%~25%,提高磷肥利用率是亟待解决的问题。通过两年田间试验,分析了不同磷肥品种(过磷酸钙、猪粪、钙镁磷肥、磷酸一铵、磷酸二铵)、磷肥梯度(常规施磷、减磷20%、减磷30%)以及调控措施(石灰、钙镁磷肥配施磷酸二铵、钙镁磷肥配施秸秆)对红壤磷素有效性和作物生长的影响,探索提高磷肥利用率的途径。结果表明,各磷肥品种间,以猪粪处理土壤有效磷、地上部生物量、磷肥累积利用率等指标最高,土壤有效磷较不施磷处理两年分别提高了32%和241%,地上部生物量较不施磷处理两年分别提高了73%和510%,两年的磷肥累积利用率分别为16.4%和26.5%;伴随磷肥用量的减少,土壤有效磷含量显著降低,而对油菜生长、磷肥利用率及磷肥农学效率无显著影响;与单施钙镁磷肥相比,钙镁磷肥配施磷酸二铵能显著提高油菜籽粒产量、土壤有效磷含量、磷肥累积利用率、磷肥农学效率、土壤磷素盈余量等指标。添加石灰可提高作物产量及土壤有效磷含量。油菜产量与土壤有效磷呈极显著正相关关系。上述结果表明,猪粪替代化学磷肥可达到减施增效、促进作物生长的目的,且以减磷30%为宜;钙镁磷肥配施磷酸二铵可推荐为磷肥调控措施。

    • 长江流域稻-油轮作区土壤磷库现状及环境风险分析

      2023, 60(1):247-257. DOI: 10.11766/trxb202108050327

      摘要 (111) HTML (9) PDF 660.96 K (104) 评论 (0) 收藏

      摘要:明确长江流域水稻-油菜轮作种植区土壤磷(P)库现状,评估土壤磷淋失风险,以期为长江流域水稻-油菜轮作体系合理施磷提供参考。2018年4—5月在长江流域水稻-油菜轮作典型种植区域的14个省(市/区)采集油菜收获后的耕层土壤样品247个,测定土壤全磷、有效磷(Olsen-P)和可溶性磷(CaCl2-P)含量,并参考土壤全磷和Olsen-P分级指标,明确我国长江流域水稻-油菜轮作种植区域土壤磷丰缺现状,建立Olsen-P与CaCl2-P之间的定量关系。还根据Olsen-P分级选取72个样本进行Hedley磷分级测试,分析了水稻-油菜轮作种植区域土壤磷库分布特征。结果表明:长江流域水稻-油菜轮作种植区域耕层土壤全磷、Olsen-P和CaCl2-P平均含量分别为0.62 g·kg–1、23.2 mg·kg–1和 0.49 mg·kg–1。土壤全磷在长江上、中、下游间无明显差异,区域整体48.6%处于丰富状态。土壤Olsen-P缺乏和过量的现象并存,占比分别为23.1%和31.1%,土壤Olsen-P缺乏和过量的区域分别集中在长江中游和长江下游区域。长江流域水稻-油菜轮作种植区域土壤磷库以无机磷为主,平均占比达到82.2%。H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po和Residual-P磷库平均含量分别为10.8、46.8、115.6、218.6、22.3、104.9和193.8 mg·kg–1。随着土壤Olsen-P水平的增加,NaHCO3-Pi和NaOH-Pi含量明显增加,稳定态磷库(HCl-Pi和Residual-P)含量相对稳定。长江流域水稻-油菜轮作种植区域耕层土壤Olsen-P和CaCl2-P的关系符合双直线模型,出现突变点时Olsen-P含量为39.9 mg·kg–1,对应的CaCl2-P含量为0.6 mg·kg–1。当土壤Olsen-P含量大于39.9 mg·kg–1时,土壤磷素淋失风险增加。整体而言,长江流域水稻-油菜轮作种植区域土壤磷含量呈上升趋势,土壤Olsen-P平均含量达到适宜养分供应水平,且存在13.0%的区域处于磷素高淋失风险状态。土壤磷素主要积累在稳定态磷库中,因此,应重视磷肥的合理施用,适当降低磷肥投入,挖掘土壤中稳定态磷库潜力。旨在减少稻-油轮作体系土壤有效磷积累和环境磷素损失,提高作物磷肥利用率。

    • 长期施用磷肥和有机肥对黄壤稻田锌形态转化的影响

      2023, 60(1):258-268. DOI: 10.11766/trxb202107290283

      摘要 (82) HTML (9) PDF 532.10 K (99) 评论 (0) 收藏

      摘要:为探明长期不同施肥下黄壤稻田锌形态变化规律及对土壤锌有效性的影响,以设立于1995年的长期定位施肥试验为对象,对比分析不施肥(CK)、氮钾肥配施(NK)、氮磷钾肥配施(NPK)、单施有机肥(M)、1/2有机肥替代1/2化学氮磷肥及全部化学钾肥(0.5MNP)、全量有机肥化肥配施(MNPK)6个处理耕层土壤有效锌及锌形态时序变化规律,并采用相关分析和通径分析方法分析不同形态锌与有效锌的关系。结果表明,NK处理土壤有效锌和锌活化系数随试验年限增加呈降低趋势,其中锌活化系数线性拟合方程达显著水平,年下降速率为0.05个百分点。与NK处理相比,2019年,NPK处理土壤有效锌和锌活化系数分别提高了44.1%和1.49个百分点,弱酸可溶态锌和可还原态锌含量分别提高了15.9%和5.3%。施用有机肥处理土壤有效锌和锌活化系数随试验年限增加呈不断增加趋势,年增长速率分别为0.074~0.1244 mg·kg–1和0.032~0.063个百分点。与NPK处理相比,施用有机肥的处理2019年土壤有效锌和锌活化系数分别显著提高了6.3%~22.6%和0.68~1.47个百分点,弱酸可溶态锌、可还原态锌、可氧化态锌含量分别显著提高了33.6%~84.0%、32.5%~47.4%、25.5%~36.3%,其占比分别提高了0.6~1.3个百分点、1.7~3.4个百分点、1.2~7.3个百分点,残渣态锌占比降低了3.6~12.0个百分点。相关分析表明,土壤有效锌与弱酸可溶态锌、可还原态锌、可氧化态锌呈极显著正相关,与残渣态锌呈极显著负相关。通径分析结果表明,弱酸可溶态锌对有效锌直接通径系数最大,有显著直接正效应,残渣态锌对有效锌有显著直接负效应,可还原态锌和可氧化态锌通过间接影响弱酸可溶态锌对有效锌有较强间接正效应。综上,弱酸可溶态锌是黄壤稻田有效锌的主要来源,可还原态锌和可氧化态锌是有效锌的重要缓存库。农业生产中,可通过合理施用有机肥促进锌向弱酸可溶态锌、可还原态锌、可氧化态锌转化,避免其向残渣态锌累积来提高土壤锌有效性。

    • 秸秆还田方式对丛枝菌根真菌群落和玉米磷素利用的影响

      2023, 60(1):269-279. DOI: 10.11766/trxb202103280167

      摘要 (100) HTML (14) PDF 3.79 M (138) 评论 (0) 收藏

      摘要:丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)与80%左右的植物可形成共生结构,在农田生态系统中对植物—土壤系统养分循环起重要作用。为改善我国南方典型瘠薄红壤加速酸化、磷有效性低和土壤生物功能退化等严重问题,采用高通量测序技术揭示秸秆还田方式对根际AMF群落、土壤磷酸酶活性和磷素利用率的作用机制。结果表明,不同秸秆还田方式显著影响土壤理化性质,其中秸秆猪粪配施处理显著提升有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、有效磷(AP)以及酸性磷酸酶(acid phosphomonoesterase,ACP)和碱性磷酸酶(alkaline phosphomonoesterase,ALP)活性。秸秆还田显著影响AMF多样性和群落结构,球囊霉属(Glomus)和类球囊霉属(Paraglomus)是AMF群落的优势属,SOC是影响AMF多样性和群落结构的关键因子。秸秆猪粪配施处理对玉米磷素利用率的提升效果最佳,显著高于秸秆还田和秸秆生物质炭处理。AP、TP、ACP活性和AMF群落多样性显著影响了磷肥利用率。不同秸秆还田方式下根际AMF群落可能调控了土壤磷素活化过程和玉米磷素利用效率,对于加强土壤健康管护和粮食产能提升具有重要意义。

    • 人工植被重建对沙化高寒草地土壤真菌群落特征的影响

      2023, 60(1):280-291. DOI: 10.11766/trxb202107050329

      摘要 (80) HTML (9) PDF 818.25 K (175) 评论 (0) 收藏

      摘要:采用实时荧光定量PCR(Quantitative real-time PCR)和Illumina Miseq高通量测序技术研究了天然草地(NG)、沙化草地(DG)、草本人工草地(AG)和人工灌丛植被(AS)四种不同草地类型的表层(0~10 cm)土壤真菌群落的生物量、多样性和结构,以揭示不同人工植被恢复措施对沙化高寒草地土壤真菌群落恢复的影响及其驱动因子。结果表明:1)草地沙化显著(P<0.05)降低了真菌群落的生物量和α多样性,人工植被重建则明显促进了二者的恢复,22年后与NG无显著差异。2)草地沙化和人工植被重建均极显著(P=0.001)改变了真菌群落结构。草地沙化后,担子菌门相对丰度显著(P<0.05)下降,一些稀有真菌趋于消失,而未分类真菌门的相对丰度则显著(P<0.01)增加。经过22年的生态恢复,绝大多数真菌门的相对丰度与NG无显著差异;AG与NG的真菌群落结构比AS与NG更为相似。3)真菌群落α多样性与植被和土壤属性之间的相关关系因多样性指数的不同而异,而其群落结构与大多数植被和土壤属性极显著(P<0.01)正相关,植被和土壤属性二者结合解释了21.4%~50.0%的真菌群落结构变化。以上结果表明,人工植被重建22年后,沙化高寒草地真菌群落的多样性和相对丰度基本得以恢复,但其群落结构与天然草地的相似度仍不高,而利用草本植物进行沙化高寒草地的恢复比灌木物种更有利于土壤真菌群落结构的恢复。

    • 肥力提升措施对林地红壤生物结皮层微生物群落结构的影响

      2023, 60(1):292-303. DOI: 10.11766/trxb202108130311

      摘要 (85) HTML (13) PDF 1.91 M (123) 评论 (0) 收藏

      摘要:微生物在土壤生物结皮形成中起重要作用,但是目前对于南方红壤生物结皮层中微生物群落的研究鲜少涉及,尤其是在林地改良措施下红壤结皮层中微生物群落结构的变化尚不清楚。本研究以中亚热带典型第四纪红黏土严重侵蚀湿地松裸露林地为对照,添加有机肥、生物炭和石灰+微生物肥料为肥力提升措施,采用Illumina MiSeq高通量测序技术研究不同肥力提升措施对红壤生物结皮层细菌和真菌群落结构的影响。结果表明:该林地土壤生物结皮层共检测出21个细菌门和7个真菌门,优势细菌门为酸杆菌门(Acidobacteria)(27.39%)、变形菌门(Proteobacteria)(25.90%)、放线菌门(Actinobacteria)(16.68%)和绿弯菌门(Chloroflexi)(12.26%);优势真菌门为担子菌门(61.19%)和子囊菌门(29.48%);肥力提升措施对细菌和真菌多样性无显著影响,却显著改变了其群落结构,作用大小依次为有机肥处理、生物炭处理、石灰+微生物肥料处理,且对细菌群落结构的影响高于真菌;三种措施均明显提高了变形菌门(Proteobacteria)细菌的相对丰度,降低了绿弯菌门(Chloroflexi)细菌的相对丰度,有机肥处理和石灰+微生物肥料处理均明显提高了子囊菌门(Ascomycota)真菌的相对丰度,却降低了担子菌门(Basidiomycota)真菌的相对丰度,而生物炭处理则相反;土壤环境因子中pH、有机碳和全氮对微生物群落结构的影响较大。研究结果对于红壤侵蚀区调控土壤微生物群落结构,进而促进生物结皮形成,防治林下水土流失具有重要指导意义。

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