施肥对我国黑土农田土壤微生物群落多样性影响的研究及展望

东北黑土是珍贵的土壤资源,由于长期的重用轻养,农田黑土退化问题已是一个不争的事实。施肥是保持/提高黑土农田生产力、保障作物产量的一项重要的农艺措施。本文综述了长期施用有机肥、无机肥、有机无机肥配施,以及无机肥氮(N)、磷(P)、钾(K)及其不同的组合施肥对黑土农田土壤细菌、真菌、固氮菌、反硝化细菌等微生物的数量、群落alpha多样性和beta多样性等方面影响的最新研究进展。发现研究结果因试验地点、季节气候、试验处理、目标微生物种类、甚至研究者的采样年限而不同。多数研究发现,长期施用化肥,特别是氮肥显著地降低了细菌丰度和alpha多样性指数,但对真菌丰度和alpha多样性指数影响不显著。不同施肥明显改变了黑土微生物beta多样性,但这种改变是有限的,相同施肥处理没有驱动不同试验地点土壤微生物群落结构同质化演替,表明东北黑土微生物分布具有很强的地域性。对长期施用不同的无机肥研究发现,N素较P素和K素在驱动黑土农田土壤微生物群落变化上作用更为明显。在论述长期施用有机肥改变土壤微生物群落结构的同时,也阐述了有机肥施用带来潜在的抗生素抗性基因污染的生态风险及对抗性基因的阻控措施。文章最后总结了目前施肥影响黑土农田微生物研究中存在的不足之处,并提出5点未来应加强的研究建议。

长期保护性耕作对坡耕地黑土有机碳组分的影响

为对比长期保护性耕作模式与传统耕作模式对黑土有机碳组分的差异化,揭示长期保护性耕作对侵蚀退化黑土质量的恢复作用。基于典型黑土坡耕地连续15 a保护性耕作长期定位田间试验,设置免耕保护性耕作(NT)和旋耕传统耕作(CT)2个田间耕作试验,并实行玉米-大豆轮作模式,测定并分析了两种耕作措施下土壤有机碳及其不同碳组分随土壤剖面的垂直分布及变化特征。结果表明:连续实施15 a的NT与CT相比分别显著提高0~5和>5~10 cm土层的土壤有机碳质量分数(29.54%和22.38%)(P<0.05),碳储量(31.11%和27.34%)(P<0.05),全氮质量分数(53.74%和37.60%)(P<0.05),表层土壤碳氮质量分数提升显著(P<0.05),深层土壤碳氮质量分数变化不显著;以>5~10 cm土层土壤颗粒有机碳(69.85%)、0~5 cm土层的土壤轻组有机碳(130.81%)和0~5、>5~10 cm土层土壤微生物量碳(85.59%和59.53%)的提升为主,并且对深层土壤有机碳组分也产生一定的积极影响;耕作效应对于土壤团聚体稳定性指标影响显著(P<0.05),并且土壤团聚体稳定性指标对于SOC质量分数提升也起到了关键作用。研究表明,与传统耕作相比,连续实施15 a保护性耕作,增加的有机碳以活性有机碳为主。长期的保护性耕作对恢复退化农田黑土质量及土壤固碳均具有重要意义。

侵蚀性降雨对黑土坡耕地土壤侵蚀特征的影响

[目的]降雨是黑土坡耕地水力侵蚀的动力来源,研究天然降雨条件下坡耕地土壤侵蚀特征对水土流失防治具有重要意义。[方法]基于黑龙江省海伦市光荣小流域2021-2022年不同坡度(3°,5°和7°)顺坡垄作径流小区观测的43场次侵蚀性降雨事件,采用K-Mean聚类法对比分析不同雨型和坡度下径流与输沙特征,并探讨影响坡耕地径流与输沙的影响因素。[结果]研究区以短历时、大雨强、小雨量的降雨(雨型3)为主,其次是中等历时、中等雨强、中等雨量的降雨(雨型2),长历时、小雨强、大雨量的降雨(雨型1)极少发生。相同雨型下,累积径流深和输沙量均随坡度的增加而增大。相同坡度下,不同雨型对累积径流深响应不同,累积输沙量整体表现为雨型3贡献最高(50.90%~57.90%),雨型2次之(37.60%~44.10%),雨型1最低。雨型2事件降雨侵蚀力和坡度对径流深产生直接影响,径流深和坡度对输沙量产生直接影响。雨型3事件降雨侵蚀力通过直接和间接作用影响径流深,进而影响输沙量。[结论]对所有雨型事件,降雨侵蚀力和坡度是影响坡耕地径流深的主控因子,径流深和坡度是影响坡耕地输沙量的主控因子。

钾高效型菜用大豆氮磷利用分配对低钾的响应

钾高效型菜用大豆对钾(K)素及干物质的利用分配效率更高,但此过程中氮(N)、磷(P)元素在植株中如何分配利用并不清楚。为探究低钾条件下菜用大豆N、P元素的积累和分配是否因K效率类型不同而呈现差异,本研究以不同钾效率类型菜用大豆为研究材料,设置低钾0 kg(K_(2)SO_(4))·hm^(-2)(K0)和正常施钾120 kg(K_(2)SO_(4))·hm^(-2)(K120)两种处理,比较了植株营养器官和籽粒中的N、P、K含量和积累量的变化分配。结果表明,低钾降低了菜用大豆植株营养器官及籽粒中N、P、K元素的积累量,但是增加了植株营养器官的N、P相对含量。低钾降低了菜用大豆植株营养器官K/N和K/P,尤其以钾高效型材料降幅更大,但在籽粒中差别不大。同时,钾高效型菜用大豆植株营养器官N/P相比于钾低效型材料更低,植株中P元素相对含量的增加在帮助根系吸钾、固氮方面可能发挥作用。低钾条件下,钾高效型菜用大豆的N、P、K收获指数均高于钾低效型材料。从源-库转化的角度来看,钾高效型菜用大豆对营养元素的平衡利用的核心是优先保证籽粒养分供应。本研究为N、P、K协同高效型菜用大豆品种选育提供了参考依据。

东北黑土区不同种类有机物料腐解特征及驱动因素分析

有机物料高效还田是培肥黑土的重要途径,有机物料自身性质和腐解过程中的温度是影响有机物料腐解的关键要素。寒地黑土区不同种类有机物料的动态腐解过程及腐解影响因素的研究还较少。该研究通过在东北黑土区不同积温地点布设不同种类有机物料腐解田间联网试验,研究有机物料的动态腐解特征及主要影响因素。结果表明:1)有机物料自身性质存在明显差异,其中秸秆的碳氮比最高,有机肥最低,腐解指数变化趋势与碳氮比相反。2)经过720 d的腐解,6种有机物料的累积腐解率和累积释碳率具有明显的季节性和地带性变化规律。在积温较高的夏、秋季节累积腐解率和累积释碳率高于积温较低的春、冬季节;试验地点积温越高,累积腐解率和累积释碳率越大,从积温最低的黑河到积温最高的昌图,累积腐解率和累积释碳率分别增加了15.8%~41.0%和47.8%~114.0%。不同有机物料的累积腐解率表现为作物秸秆>菌糠>畜禽粪便,累积释碳率与之相反。3)有机物料腐解的同时发生碳释放和氮富集过程,除海伦和黑河地区玉米和水稻秸秆经过720 d的腐解后碳氮比未降至25以下外,其余处理碳氮比均低于25,腐解效果较好。腐解残留率衰减方程可较好的拟合了有机物料的腐解过程,作物秸秆的腐解速率常数k(0.23~0.25)显著高于木耳菌糠(0.15)和畜禽粪便(0.08~0.13)(P<0.05)。结构方程模型表明,有机物料自身性质对腐解特征的贡献率高于试验地点的积温、腐解时间和土壤性质,是影响有机物料腐解最主要的驱动因素。

黑土区种养结合型循环农业模式探究-以海伦市为例

种养结合型循环农业能有效发挥种植业和畜禽养殖业优势,一定程度上减少资源浪费和环境污染。东北黑土区地处冷凉干旱区,农业生产活动受气候影响显著,该区域内农业资源利用率较低、资源再利用成本较高,严重制约了区域经济发展,开展种养结合型循环农业模式可最大限度加快农业系统内物质循环,实现区域经济效益最大化。本文首先充分总结了东北黑土区内不同种养结合循环农业模式的特点,对比分析了不同模式下的生态和经济效益,再以位于松嫩平原北部厚层黑土区的海伦市为代表,结合持续高效节粮型种养循环农业模式的实际需求,重点阐述了海伦市开展种养结合型循环农业的发展历程,对比分析了传统农业生产模式与循环农业模式的经济效益,提出了海伦市种养结合循环农业的未来发展建议,以期为持续提高黑土生态系统生产力,保障黑土资源永续发展和利用提供参考依据,为东北黑土区循环农业发展提供借鉴。

苏打盐碱地稻米品质研究进展与展望

水稻是苏打盐碱地改良的先锋作物,稻米品质是水稻特征的重要指标。当前研究多关注盐碱地治理及水稻产量,有关盐碱胁迫下稻米品质的研究相对较少。本文从稻米的加工、外观、营养及感官食味品质4个方面系统梳理了苏打盐碱地条件下稻米品质特征,并总结苏打盐碱地水稻品种以及典型改良及栽培措施对稻米品质的影响。研究发现,苏打盐碱地条件下,稻米品质整体表现为较低的整精米率、精米率、糙米率及直链淀粉含量,较高的垩白粒率、垩白度及高蛋白质含量的特点,具有糙米蛋白含量高(更高的营养价值)、半透明颗粒少、淀粉低、钠等金属离子含量高等优点。研究提出未来需要进一步探讨苏打盐碱地条件下水稻品质形成、优异种质资源挖掘、产量与品质的协同提升,以期为苏打盐碱地水稻食味品质提升与特色品质的挖掘提供理论与实践参考。

生物炭添加对人工湿地氨气排放的影响研究——基于微生物群落组装机制分析

基于中宇宙模拟实验,探究了不同生物炭添加比例对表流人工湿地脱氮性能及氨气减排效果的影响及作用机理,并通过机器学习和基于系统发育分箱的零模型(iCAMP)进一步探讨了其中的微生物学机制.结果表明,与未添加生物炭的对照组相比,添加50%的生物炭显著促进了人工湿地中氨氧化菌(如Chloroflexi、Rhodocyclaceae)的生长,增强了系统内氨氮的转化,减少了32%的氨气排放量.随机森林模型筛选得到的敏感微生物物种(如Planctomycetes、Parcubacteria)可作为指示氨挥发排放通量的初步指标.人工湿地基质中生物炭的比例与群落结构的变化存在密切联系.生物炭添加比例的升高导致物种系统发育结构聚集并促进了与碳、氮循环相关的特定功能细菌群落(如Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria)的生长和建立.本研究为揭示控制人工湿地微生物群落的驱动因素提供了新的视角,对生物炭在人工湿地中的实际应用具有指导意义.

三江平原松花江流域地下水环境变化及其控制因素

针对近年来我国农业地区地下水水质明显退化,严重威胁水环境安全和人类健康的问题,选取典型农业区——三江平原松花江流域作为研究区,基于2012、2022年采集的浅层地下水样品,运用熵权水质指数(EWQI)评估地下水水质变化情况,并通过Piper图分析地下水的水化学特征变化,进而综合运用Gibbs图和阴阳离子比值分析法,识别地下水环境变化的主要控制因素。结果表明,研究区地下水水质明显下降,水化学类型由HCO_(3)-Ca·Mg型演变为HCO_(3)-Ca·Mg和SO_(4)·Cl-Ca·Mg混合型;研究区地下水化学特征主要受水—岩相互作用控制,同时也受到阳离子交替吸附作用的影响;2022年农业活动、粪便和污水排放等人为输入对研究区地下水水质的影响加剧,是导致地下水水质下降的主要因素,未来应加强区域人为输入对地下水水质影响的研究,制订相关污染物排放管理政策。研究结果可为三江平原松花江流域地下水资源的可持续开发利用提供理论参考。

有机物料还田对白浆土物理特性及玉米产量的影响

有机物料还田能够改善土壤物理性质,而对于存在障碍性白浆层的低产白浆土,施用不同有机物料对不同土层土壤物理性质及对作物产量影响研究较少。本研究以黑龙江省双鸭山市852农场管理区内典型白浆土为研究对象,通过连续两年不同有机物料还田的试验,探究无有机物料还田(CK)、秸秆还田(S)、有机肥还田(M)、秸秆+有机肥还田(SM)等在深翻条件下对白浆土全耕层(0~35 cm)物理特性以及玉米产量的影响。结果表明,与对照CK比较,S、M和SM处理分别在0~15 cm和15~35 cm土层显著降低了土壤容重和土壤三相比偏离值,增加广义土壤结构指数;其中SM处理0~15 cm和15~35 cm土层土壤容重较CK分别显著降低4.71%和6.10%(P<0.05)。SM处理玉米产量显著高于其它处理,相比CK年平均增产2935 kg·hm^(−2)。相关性分析表明,15~35 cm土壤孔隙度、土壤容重及0~15 cm土壤容重对玉米产量的影响最为显著,其对玉米产量的贡献度分别达到7.32%、7.31%和6.98%。深翻配合秸秆和有机肥还田可以改善白浆土0~35 cm土层物理特性,促使土壤三相结构分布趋于理想状态,增加玉米产量,可为东北白浆土区域构建适宜作物生长的耕层提供理论依据和技术参考。

基于发生层的均腐土理化性质和元素生态化学计量特征分析

为明确土壤剖面理化性状及元素生态化学计量的变化规律,从而为认识土壤形成机制和保护土壤资源提供科学依据,本研究以黑龙江省干润和湿润均腐土亚纲为研究对象,基于发生层采集土壤剖面样品,对其理化性状及元素生态化学计量进行了比较分析。结果表明,从A层到C层,均腐土的有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、铵态氮(NH4+-N)、速效磷(AP)和砂粒含量以及土壤颗粒表面积和体积平均径(SMD和VMD)逐渐降低;相反,土壤pH、黏粒和粉粒含量则明显升高。研究发现不同土系均腐土C层(母质层)显示出了比Ah层(腐殖质层)更大的土壤异质性,并且湿润均腐土理化性质沿着剖面的垂直变化程度比干润均腐土更大。此外,元素生态化学计量分析发现,均腐土C∶N、C∶P和N∶P随着发生层深度的增加而明显降低,说明深层土壤养分循环过程受到碳和氮限制增强。

不同贮藏方式对籽莲种子耐盐碱能力的影响

为探究不同贮藏方式对籽莲种子耐盐碱能力的影响,本研究通过模拟控制实验,分析了常温干藏、常温沙藏、低温干藏、低温沙藏和冷冻贮藏共5种不同贮藏方式处理下,籽莲种子的性状变化及幼苗的耐盐碱特征,以期筛选出最优的种子贮藏方式。结果表明,常温沙藏下的籽莲种子及幼苗在盐碱胁迫下表现出较好的生长状态,其发芽势、发芽率,幼苗的芽长、鲜重及过氧化物酶活性均显著高于其他贮藏方式,而低温贮藏会使籽莲种子处于逆境状态,进而导致幼苗脯氨酸、可溶性糖、超氧化物歧化酶活性增加。

有机肥施用改良盐碱地及其作用机理

盐碱地是我国重要的耕地后备资源。有机肥来源丰富,在盐碱地改良中具有广泛前景。本文综合分析了有机肥对盐碱土壤理化性质、养分、土壤微生物和酶活性等方面进展。有机肥施用改良盐碱地的主要作用机理为:(1)改善土壤结构,增加大粒径土壤团聚体,提高土壤孔隙度与透水性,降低土壤中盐碱含量;(2)提高营养元素和有机质含量,增加土壤养分;(3)优化土壤微生物群落结构,促进微生物产生有机酸,增强土壤酶活性等。未来研究中,要强化盐碱地专用功能型有机肥研发,筛选不同地域不同类型轻中重度盐碱地的适宜有机肥施用量,为盐碱地改造利用提供技术支撑。

种养循环系统中典型有害物质对动物的危害研究进展

种养循环系统是农业生态系统的重要组成部分,循环系统要素健康对于维护生态平衡和保障食品安全至关重要。然而,农药残留、重金属、微/纳米塑料以及抗生素及抗性基因等有害物质在这一系统中的累积和迁移,已成为一个不可忽视的问题,其对生物体的危害效应日益引起关注。众多研究揭示,这些有害物质可通过土壤-植物系统进入食物链,对人类和动物的健康构成潜在威胁。本文综述了当前种养循环系统的主要发展模式以及典型有害物质对动物生理代谢及健康的危害,旨在为开展种养循环系统中有害物质风险评估提供参考。

微塑料对稻田土壤-水界面重金属分布及迁移的影响

研究微塑料(microplastics,MPs)对稻田土壤-水界面中重金属空间分布和迁移的影响机制,可为微界面环境中MPs和重金属交互作用及生态风险评估提供理论支撑和科学依据。2021年7月对采自东北地区稻田的土壤添加不同浓度不同粒径的MPs,借助薄膜梯度扩散技术(DGT)在毫米尺度上获取稻田土壤-水微界面生物有效态重金属元素的原位高分辨信息,并根据Fick第一扩散定律评估不同MPs添加处理下重金属元素的迁移特征和释放通量。结果表明:(1)稻田土壤-水微界面生物有效态Mn、Co、Fe、Ni、Zn、Pb、Cu和Cd浓度在剖面上具有显著的空间分布差异;(2)MPs的添加显著降低了有效态Cu(-50.7%~8%,P<0.001)、Zn(-17.1%~-4.1%,P<0.001)和Cd(-16.7%~-2.2%,P<0.001)的浓度;(3)土壤MPs的添加改变了有效态Cu的迁移方向,使土壤由Cu源转化成Cu汇,说明MPs对Cu存在明显的吸附效应;(4)不同粒径MPs的添加对生物有效态Ni的影响差异较大,大粒径(80μm)MPs增加了其浓度,小粒径(10μm)则相反。

光照、磷和AMF对白车轴草生长的影响

外来植物成功入侵受非生物因素与生物因素的共同调控。本研究以典型入侵植物白车轴草(Trifolium repens L.)为研究对象,通过三因素两水平正交实验,探究光照(L)、磷(P)和丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)及其交互作用对其生长的影响。结果显示:(1)高光照、高磷和接种AMF均显著提高白车轴草的生物量及生长速率,且接种AMF对生物量的促进作用随着光照的增加而增强,低磷条件下AMF对总生物量和相对生长速率的促进效应更明显;(2)高光照降低比叶面积;高磷和接种AMF显著增加叶片数和总叶面积,在高光强下尤为明显;(3)高光照可显著提高根表面积、根直径和根质量分数,但降低细根占比和比根长。高磷显著降低根质量分数。不接种AMF时,高磷增加根表面积与根直径,降低细根长占比;但接种AMF后,高磷则降低根表面积与根直径,增加细根长占比。AMF显著降低根质量分数和比根长。研究结果表明,三种因素对白车轴草的生长具有显著影响,且磷和AMF对其生长及地上性状的影响与光照强度相关,AMF对其地下性状的影响与磷浓度相关。

大豆GmMATH基因家族鉴定与盐胁迫下的表达模式分析

植物MATH基因参与发育、激素信号转导和非生物胁迫等过程,但是大豆GmMATH基因未见详细的研究报道。本文在大豆中鉴定到40个保守的GmMATH基因,根据蛋白相似性分为6个亚家族。对全部GmMATH基因上游2kb启动子上的顺式调控元件进行分析,发现431个与植物发育、应激反应相关的顺式调控元件,表明GmMATH基因参与调节发育和响应胁迫等过程。转录组数据分析显示,GmMATH基因参与大豆不同阶段生长发育过程,并发现32个GmMATH基因在盐胁迫下表达水平会发生显著变化;其中GmMATH01和GmMATH13基因在盐耐受材料中表达明显高于盐敏感材料,表明大豆GmMATH基因表达模式与大豆盐碱耐性相关。本研究为深入解析大豆GmMATH基因在响应外界胁迫和发育调控中的作用提供了重要依据。

植物与立枯丝核菌的互作机理

立枯丝核菌(Rhizoctonia solani Kühn)引起的严重病害是作物生产的一个重要威胁。本文介绍了立枯丝核菌的遗传学、病原生物学、致病机制和控制方法;阐述了植物对立枯丝核菌的防御反应,包括物理和化学防御机制、细胞表面受体、胞内受体介导的免疫反应和抗性激素介导的防御;总结了当前植物与立枯丝核菌互作的研究方法,展望了未来研究方向;旨在为进一步理解植物与立枯丝核菌之间的互作机理提供科学参考。

东北黑土区水土资源配置及其空间格局优化

在水资源刚性约束条件下,如何综合考虑多个目标实现东北黑土区水土资源优化配置仍是有待解决的国际前沿问题.因此,本研究首先分析了该地区水土资源演变规律,然后研发了基于水-碳-经济-生态耦合的水土资源优化配置模型,通过NSGAⅢ智能算法对模型进行求解,最终在4种情景下对黑土区40个城市水土资源进行优化配置和生态安全保障分析.结果表明:(1)在气候变化和人类活动的影响下,1980年之后水田和旱田面积分别增加了91%和14%,林地、草地和湿地分别减少了2%、27%和10%.(2)2001~2020年东北黑土区平均水资源总量为1972亿m^(3),大部分城市的地表水资源量、地下水资源量以及水资源总量呈现增加趋势.(3)4种情景下,东北黑土区主要粮食作物的毛灌溉需水量在491~722亿m^(3)之间.通过优化配置后,在平水年通过增强节水,水稻种植面积仍可增加13.7%;其余水平年通过调整种植结构和增强节水也可大幅度提高粮食产量、农民收入、固碳量和生态效益,减少水资源开发利用,保障东北黑土区粮食安全和生态安全.针对目前水土资源存在的问题,提出了相关对策建议,为东北黑土区粮食增产工程和生态安全提供策略支撑.

基于Sentinel-2卫星影像的黑龙江绥化市土壤全氮定量遥感反演

为及时准确评估黑土区土壤全氮(soil total nitrogen,STN)含量的空间分布,以指导作物精准施肥和提高农作物产量,该研究基于绥化市实测STN数据和Sentinel-2卫星Level-2A遥感影像反射率,构建光谱指数结合环境变量的STN预测模型,包括随机森林(random forest,RF)、自适应增强(adaptive boosting,AdaBoost)、梯度提升(gradient boosting categorical features,CatBoost)等集成学习算法和多元逐步线性回归(simple linear regression,SLR)、支持向量机(support vector regression,SVR)、神经网络(back propagation neural network,BPNN)等监督学习算法,并考虑波段1~12遥感反射率、波段1~12遥感反射率联合光谱指数和环境变量作为算法输入变量的2种情景。结果表明:1)绥化市实测STN平均含量为1904.06 mg/kg,变异系数为17.93%;2)以波段1~12遥感反射率作为输入变量时,6种STN模型验证集拟合决定系数(coefficient of determination,R^(2))小于0.6,模型验证集决定系数精度由大到小顺序为:RF、CatBoost、AdaBoost、BPNN、SLR、SVR;3)结合波段1~12遥感反射率、光谱指数和环境变量优选方法,构建STN含量预测模型,模型验证集决定系数精度由大到小顺序为:RF、CatBoost、BPNN、AdaBoost、SLR、SVR,验证集模型决定系数精度提升幅度从大到小依次为RF、SVR、BPNN、AdaBoost、CatBoost、SLR,其中RF模型验证集决定系数预测精度提升最大,决定系数增加0.22,均方根误差(root mean square error,RMSE)降低了35.30 mg/kg;4)基于光谱指数和环境变量优选的机器学习算法具有强大的非线性拟合能力,RF能够更好地模拟STN与遥感光谱信息及地形因子之间复杂的多元非线性关系,并获得较高的实测和反演模型拟合结果;5)结合模型,绥化市STN的空间分布呈现东北高西南低、由北向南逐渐降低及中部略高的空间分布特点。研究结果为东北黑土区STN含量实时动态监测、土地肥力评价和农业可持续发展提供技术支持,为开展黑土地保护与利用及农田生态系统保护提供决策依据。