土壤-植物-大气系统水分运行的界面过程研究

本文从水文循环的微观角度出发，针对大田土壤－植物－大气系统（ＳＰＡＣ）中的水分运行与转化，研究了ＳＰＡＣ各界面上水分与能量的交换过程，旨在通过各界面上水分运行与生态环境因子相互作用关系，探索各界面水分、能量通量的计算与人工调控的可能途径，为农业节水提供理论依据。本项研究属国家自然科学基金重大项目（１９９３年～１９９７年），所述内容主要根据近３年来在河北栾城与山东禹城两个台站取得的实测资料进行分析与概括。

喀斯特峰丛洼地3个建群树种“植物-凋落物-土壤”系统氮同位素特征

以喀斯特峰丛洼地3种常见次生林及其建群树种为研究对象,测定3种林分建群种的不同器官及凋落物、土壤的氮含量及氮同位素丰度值(δ^(15)N),探讨植物-凋落物-土壤氮含量及稳定氮同位素组成变化及内在联系。结果显示:3种次生林建群种植物中叶片氮含量最高,茎的氮含量最低,3种次生林建群树种叶片氮含量均显著高于掉落物和土壤氮含量,0~30 cm土壤氮含量显著高于30~90 cm土壤氮含量,土壤养分主要集中于表层土壤;白栎、栓皮栎和光皮桦器官中δ^(15)N变化范围分别为-2.82‰~14.94‰、-1.37‰~9.35‰和-4.39‰~26.06‰,3种建群种器官间氮同位素组成均表现出显著差异(P<0.05);3种建群种群落表层土壤δ^(15)N差异显著,3种林分中0~30 cm土壤δ^(15)N均显著低于30~60 cm和60~90 cm的土壤,δ^(15)N可能是这些群落土壤氮循环过程中的敏感指标,光皮桦叶片氮含量略大于白栎和栓皮栎,光皮桦林土壤表层δ^(15)N大于白栎林和栓皮栎林,光皮桦可能比白栎和栓皮栎更为适应喀斯特生境。

土壤-植物系统中硒的生物有效性及其影响因素研究进展

硒的生物有效性是决定硒在土壤-植物系统中转运、积累的关键因素,然而目前关于该方面研究进展还缺乏系统的总结和论述。本文结合赣南富硒脐橙调查研究结果,以硒在土壤-植物系统中的运移为切入点,系统总结和论述了硒在土壤-植物系统中的氧化-还原、吸收、转运过程,探讨了土壤理化性质、微生物、施肥、农艺管理和植物生长阶段等对硒生物有效性和迁移的影响,并提出未来硒的研究热点:土壤微生物活性与硒生物地球化学循环的耦合关系;植物生长、果实品质与硒代谢相关的分子机制;结合同位素示踪技术和薄膜扩散梯度(DGT)技术原位探究硒在生物地球化学中的归趋。本综述可为土壤硒生物有效性调控、植物体系中硒的有效积累和农艺生物强化富硒措施方面的研究提供理论参考。

氮负荷增强对闽江口短叶茳芏湿地植物-土壤系统氮累积与分配的影响

选择闽江河口短叶茳芏(Cyperus malaccensis)湿地为研究对象,基于野外氮负荷增强模拟实验,探讨了不同氮负荷水平下(NNT对照处理,0 g N m^(-2)a^(-1);LNT低氮处理,12.5 g N m^(-2)a^(-1);MNT中氮处理,25.0 g N m^(-2)a^(-1);HNT高氮处理,75.0 g N m^(-2)a^(-1))湿地植物-土壤系统的氮累积与分配特征。结果表明,不同氮负荷处理下湿地土壤(TN)、NH+4-N和NO-3-N含量均发生了明显改变。相较于NNT,LNT和MNT的TN、NH+4-N和NO-3-N含量均明显增加,增幅分别为9.44%、3.57%、11.99%(LNT)和6.71%、9.37%、46.50%(MNT)。与之不同,HNT的TN含量相比NNT增幅不大,而其NH+4-N、NO-3-N含量均显著降低,降幅分别为9.26%和40.77%。不同氮负荷处理下土壤氮含量的垂直分布特征亦发生了明显变化。除HNT外,LNT和MNT的TN、NH+4-N和NO-3-N含量均以表层土壤最高。不同氮负荷处理下的TN和NH+4-N含量分布主要受SOM的影响,而NO-3-N含量分布主要受植物吸收和垂直淋失的影响。氮负荷增强条件下植物不同器官的TN含量整体表现为叶>茎>根。不同氮负荷处理下植物-土壤系统的氮储量整体以LNT和MNT较高,而HNT最低。研究发现,短叶茳芏在中低氮负荷条件下可能将更多的氮优先分配给根系,进而以拓展地下空间和提高地下生物量的方式来适应环境;而在高氮负荷条件下,其可能通过增强“自疏效应”,并通过拓展地上空间的方式来适应环境。

微纳米塑料在土壤-植物系统中的迁移机制及毒性效应研究进展

微塑料是指粒径小于5 mm的塑料碎屑和颗粒,其中粒径小于100 nm为纳米塑料。微纳米塑料作为一种新型污染物,具有难以降解、容易发生积累和可长距离迁移等特点,进而对生态环境产生影响。但是,与其他环境中的微纳米塑料相比,人们对土壤环境中的微纳米塑料的认识与了解还比较少。所以,本文详细阐明了微纳米塑料在土壤环境中的生物和非生物迁移过程与机制,系统总结了微纳米塑料从土壤到植物的转运过程,并探讨了微纳米塑料对植物种子萌发和根系发育产生的直接毒性效应,通过改变土壤理化性质和吸附重金属、有机污染物进而成为污染物传输载体而对植物产生的间接毒性作用。最后,提出了土壤-植物系统中微纳米塑料污染目前还需要进一步研究和处理的问题。本文可为土壤-植物系统中微纳米塑料污染的生态风险评估提供科学参考。

土壤-植物-大气连续体(SPAC)系统中植物根系吸水模型研究进展

土壤植物系统是土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的一个重要子系统。植物根系吸水过程是SPAC系统中水分运移规律研究的重要内容。从影响根系吸收土壤水分的影响因素入手,现有根系吸水模型可分为经验模型、半经验半理论模型和理论模型3类。文章综述了自20世纪60年代初第一个单根吸水模型以来的植物根系吸水模型及其最新研究进展,指出未来研究的重点是注重根系吸水机理同时,修改和完善已有根系吸水模型,简化模型参数,使之更易应用于实际。

酸沉降地区大气汞对土壤-植物系统汞累积影响的调查研究

按酸沉降危害程度的差异及不同功能区，进行了大气、植物、土壤汞的同步调查采样分析。结果表明，大气汞对土壤－植物系统汞累积的影响非常明显，土壤、植物含汞量均随大气汞浓度的升高而升高，土壤－植物系统汞累积与大气汞浓度有显著的相关（相关系数分别为ｒ植＝０．８８２＊＊，ｎ＝５３；ｒ土＝０．７４１＊＊，ｎ＝５２）。调查还发现，当大气汞浓度大于３０ｎｇ／ｍ３时，土壤－植物系统汞累积较为明显。

粪肥还田对土壤-植物系统中抗生素和抗性基因分布特征的影响研究综述

粪肥还田对土壤-植物系统造成了抗生素和抗性基因(ARGs)的污染,具有潜在环境风险。本文系统总结了粪肥、土壤、植物中抗生素和ARGs的分布特征,分析了土壤-植物系统中的关键影响因素。通过分析发现,微生物长时间处于低抑制浓度的抗生素和重金属环境中容易诱导ARGs的产生,粪肥还田和改良土壤中抗生素浓度和ARGs丰度存在明显的地理分区和粪肥种类差异。总体来看猪粪和鸡粪肥及对应土壤中的抗生素和ARGs残留高于牛粪肥,叶类与茄科类蔬菜容易富集抗生素及ARGs。粪肥类型、植物种类、土壤理化性质、重金属以及微生物群落等均影响土壤-植物系统中的抗生素和ARGs的分布规律;粪肥中抗生素向土壤和植物的迁移受抗生素特性的影响较大,且其浓度随跨介质迁移过程不断降低;细菌群落显著影响ARGs的迁移,ARGs在从土壤到植物的迁移过程中可被稀释100~1000倍。未来需加强有机肥产品中抗生素及ARGs的浓度控制标准以及环境中ARGs的产生与迁移机制等研究。本综述旨在全面揭示土壤-植物系统中抗生素及抗性基因的分布特征及影响因素,为科学有效应对微生物耐药性的跨介质迁移提供基础。

碘在土壤-植物系统中的行为及其毒理学研究进展

碘作为一种亲生物元素,是甲状腺激素的重要组成部分,但人为核活动产生的放射性碘是潜在致癌物。碘在土壤中主要以有机碘、碘化物、碘酸盐的形式存在。土壤和植物也是碘进行全球化学循环的重要一环。碘元素的毒理学主要表现为,环境中的放射性碘对动植物的危害以及不同剂量和形态的碘对植物生长的影响。

陕西神木弃耕1-49年的苜蓿地土壤理化特性和植物物种多样性数据集

在半干旱地区,弃耕苜蓿地的面积在持续增加。明确长期弃耕苜蓿地的土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙度、土壤饱和导水率、土壤pH值、土壤氨态氮、土壤硝态氮、土壤有效磷、土壤有机碳、土壤全氮、Margalef指数、Pielou指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数的变化,对半干旱地区植被恢复具有重要意义。本数据集收集于陕西神木侵蚀与环境国家野外科学观测研究站(简称“神木站”),分别于2003年(1-30年)、2014年(12-41年)和2022年(20-49年)对不同弃耕时间的紫花苜蓿地进行了调查,调查获得土壤理化特性和植物物种多样性数据。本数据集在野外调查、室内测定、数据计算、数据入库、质量控制方面均严格按照国际观测技术标准进行,所获取数据质量高,数据可为半干旱地区苜蓿地演替过程等方面研究提供数据基础。

利用大型蒸渗仪模拟土壤-植物-大气连续体水分蒸散

在农田水量转化各分量中，蒸散与潜水蒸发是最难测定的．在地下水浅埋地区，地下水通过毛管上升而补给包气带土壤水的作用十分明显，对作物生长意义重大．利用大型蒸渗仪、波文比、水力蒸发器等仪器，获得了大量水平衡因子的试验数据和土壤植物大气连续体（ＳＰＡＣ）模型中的有关参数．以大型蒸渗仪实测值为基准，验证了农田土壤植物大气连续体模型的模拟值，并主要就蒸散和潜水蒸发量，对实测与模拟值作了比较分析，探讨了导致两者差异的原因．

若尔盖高原湿地土壤-植物系统有机碳的分布与流动

湿地碳素变化对全球气候变化的影响一直是国内外湿地研究的热点。国内对沼泽湿地碳循环的研究主要集中在三江平原,其它地区则鲜见报道。若尔盖高原位于全球气候变化最敏感的区域之———青藏高原的东北部,冷湿的气候条件下沼泽十分发育,泥炭贮量丰富,沼泽面积和泥炭资源贮量均居中国首位。为了评估该区湿地;在全球气候变化中的作用,作者以该区分布最为广泛的 3种沼泽植物群落——木里苔草(Carex muliensis)群落、乌拉苔草(Carex meyeriana)群落和藏嵩草(Kobresia tibetica)群落以及最为典型的3种湿地土壤——泥炭土、泥炭沼泽土和草甸沼泽土为对象,采用田间腐解试验方法,系统研究了高原湿地植物——土壤系统中有机碳的分布与流动,其目的在于:1)探明该区湿地土壤有机碳的数量与分布状况;2)了解植物碳在向土壤流动过程中的消失与残留情况。结果表明,若尔盖高原湿地土壤的有机碳含量一般较高且随土层加深而降低;在植物由活体—立枯—残落物的不同阶段,植物不同化学组分中碳的消失率各异,其中易分解组分碳的消失率最大(3种群落分别为61.37％、69.59％和66.34％),木质素碳的消失率(44.53％～52.98％)略大于纤维素碳的消失率(38.23％～43.86％),3种群落植物碳的总消失率分别为53.8％、60.03％和55.18％;3种群?

铅锌矿区土壤-植物系统中植物吸收铅的研究

基于野外现场系统采样,结合室内全量、形态含量检测技术,分析了湘西铅锌矿区几类粮食中铅等元素的质量状况以及水稻植株中铅的吸收和分配.结果表明,湘西铅锌矿区粮食中存在高铅污染风险,与对照相比,矿区稻米、玉米、黄豆等粮食中铅的平均含量分别增加2.4倍1、.2倍和3.3倍.粮食铅含量因品种不同、采集部位不同而异,铅含量由高到低依次为:黄豆>稻米>玉米(粮食品种间),根>茎叶>籽粒(植株部位间),稻根对铅表现出极强的束缚力和耐受性.相关分析显示稻根中的铅主要来自土壤,而水稻地上部分的铅则可能主要源自大气.矿区粮食中汞、镉、铅等多种重金属共同富集,亟需开展矿区粮食中重金属复合污染的机理及其健康风险研究.

沙漠化过程中科尔沁沙地植物-土壤系统碳氮储量动态

研究了科尔沁沙地不同沙漠化阶段(潜在、轻度、中度、重度和严重沙漠化)植物-土壤系统的有机碳与氮储量,以揭示沙漠化对碳氮动态的影响.结果表明,从潜在沙漠化到轻度、中度、重度和严重沙漠化,生物量(地上与地下)有机碳储量分别下降26.4%、51.0%、79.0%和91.0%,生物量氮储量分别下降33.6%、66.9%、87.4%和93.2%;土壤有机碳储量分别下降52.2%、75.9%、87.0%和90.1%,土壤全氮储量分别下降43.5%、71.0%、81.3%和82.7%.植物-土壤系统的有机碳与氮储量大小为:潜在沙漠化(C:5 266 g.m-2和N:534 g.m-2)>轻度沙漠化(C:2 619 g.m-2和N:303 g.m-2)>中度沙漠化(C:1368 g.m-2和N:156 g.m-2)>重度沙漠化(C:715 g.m-2和N:99 g.m-2)>严重沙漠化(C:517 g.m-2和N:91 g.m-2).研究结果表明,生物量碳氮储量的衰减在沙漠化后期(从重度到严重)快于沙漠化初期(从潜在到轻度),而土壤碳氮储量的衰减在沙漠化初期快于沙漠化后期;沙漠化过程中土壤有机碳储量的衰减要快于全氮,而生物量氮储量的衰减在沙漠化初期快于碳,在后期则相反.

浅埋条件下地下水-土壤-植物-大气连续体中水分运移研究综述

地下水-土壤-植物-大气连续体系统中水分运移研究对于水资源的有效利用及生态环境问题有着重要的科学研究意义。在地下水浅埋条件下,地下水、土壤水、植物水、大气水是一个连续的水分过程。通过归纳国内外在地下水浅埋条件下土壤水分运移、土壤盐分运移、以及水盐运移对植物生长发育等生物过程作用的机理等方面的研究成果,综述了近年来国内外在地下水浅埋深条件下GSPAC系统水运移在研究方法、试验和模型方面的进展、各种研究方法的原理、优缺点和今后的研究方向,分析指出定量地研究浅埋深地下水对SPAC系统水分过程、生物过程和能量过程等的作用和影响是一个复合过程,由单个过程研究向过程的综合分析发展难度较大,目前研究相对比较薄弱,是今后需要重点发展的一个方向,在此基础上阐述了GSPAC系统水运移的研究需要深入发展的几个方面。

长期喷施稀土对土壤-植物(小麦)系统中稀土元素分布、累积及运移的影响

在我国施用稀土时间最长的黑龙江省花园农场 ,研究比较了施用稀土 1 2 a和不施稀土的对照处理上小麦和土壤中的稀土元素的分布、累积及运移 .结果表明 ,长期叶面喷施稀土并未造成耕层土壤和下部土层的稀土元素的累积 .成熟期小麦植株各部位的稀土元素含量顺序为根 >叶 >茎、壳 ;稀土元素主要累积在根部 ,其次是叶 ,茎和壳累积较少 .喷施处理小麦根部的稀土元素累积量高于对照 ,叶部也有此趋势 ,而茎、壳等部位差异不大 .根、茎、叶、壳稀土元素分布模式与土壤中相似 ,与施用的常乐稀土差别较大 ;

闽江河口芦苇与短叶茳芏空间扩展植物-土壤系统硫含量变化特征

2015年7月,选取闽江河口鳝鱼滩的芦苇湿地、短叶茳芏湿地以及二者交错带湿地为对象,研究了两种植被空间扩展过程中植物-土壤系统全硫(TS)含量的空间变化特征。结果表明,不同湿地表层土壤的TS含量表现为交错带湿地>短叶茳芏湿地>芦苇湿地,其差异主要与两种植被的空间扩展改变了交错带湿地土壤的质地及有机质等参数,进而对硫的迁移及转化过程产生重要影响有关;交错带不同植被的根系分布及其对土壤硫养分的竞争导致土壤TS含量的水平和垂直变异性均较芦苇或短叶茳芏纯群落发生较大改变,其土壤的TS含量受芦苇根系分布的影响更为明显,含量和储量均在深层土壤中较高。芦苇与短叶茳芏的空间扩展改变了两种植被的株高、密度及生物量分配格局,尽管二者在交错带中的地下生物量分配比均高于纯群落,但芦苇地下空间占据能力要高于短叶茳芏。研究发现,芦苇与短叶茳芏的空间扩展是双向过程,二者在空间扩展中通过不同的硫养分吸收、累积与分配策略适应竞争环境,即交错带湿地中的芦苇通过增加根部对硫养分的累积能力来保持其竞争力,而短叶茳芏则通过拓展地上空间及提高地上器官的硫养分累积能力来抗衡芦苇的空间扩展。

苗期玉米、大豆在土壤-植物系统N_2O排放中的贡献

为区分植物在土壤 植物系统N2 O排放中的贡献 ,用封闭式箱法对在温室内砂培和土培的玉米、大豆幼苗及砂、土、砂 植物系统、土壤 植物系统的N2 O排放进行了测定 ,同时对植物N2 O排放与植物叶片中的硝酸还原酶 (NR)活性及NO- 3 N、NO- 2 N含量的关系进行了分析 .结果表明 :在 5 3d的观测期内 ,玉米、大豆幼苗本身均可排放N2 O ,且在土壤 (砂 ) 植物系统的N2 O排放中占有很大份额 (79 1 8%～ 1 0 0 % ) ;植物N2 O的排放与植物叶片的硝酸还原酶活性和NO- 3 N、NO- 2 N的含量显著正相关 (R2 ≥ 0 97,n =6 ) .

水循环的生态学方面:土壤-植被-大气系统水分能量平衡研究进展

针对中国水循环与土壤植物大气水分能量传输生态研究的问题， 进行了综述。阐述了水循环研究的需求与水量转化重要机制， 包括模式与子系统耦合的界面。评述了水、热平衡研究若干工作， 包括农田生态系统， 干旱、半干旱区， 陆面过程模式， 遥感信息的应用以及系统耦合的尺度问题。

土壤-植物-大气界面中水分迁移过程及模拟研究进展

介绍了水循环过程中界面水分迁移转化理论,及SPAC连续体的概念及其发展过程,阐明了一些国内外SPAC理论研究的主要成果;对国内外各种典型土壤-植物-大气界面模型的基本结构、适用范围、主要研究对象、优势以及局限性做了系统介绍和对比;在此基础上对土壤-植物-大气系统的相互作用过程以及系统模拟中存在的问题提出了展望。分析得出如何解决下垫面与土壤-植物-大气系统复杂的关系,以及尺度转化问题将是面临的主要挑战。认为借助于水分和能量交换过程中的模型参数优化,来实现界面中水分迁移过程的精确化和简化模拟是未来的重要研究方向。