陆地生态系统甲烷产生和氧化过程的微生物机理

陆地生态系统存在许多常年性或季节性缺氧环境,如:湿地、水稻土、湖泊沉积物、动物瘤胃、垃圾填埋场和厌氧生物反应器等。每年有大量有机物质进入这些环境,在缺氧条件下发生厌氧分解。甲烷是有机质厌氧分解的最终产物。产生的甲烷气体可通过缺氧-有氧界面释放到大气,产生温室效应,是重要的温室气体。产甲烷过程是缺氧环境中有机质分解的核心环节,而甲烷氧化是缺氧-有氧界面的重要微生物过程。甲烷的产生和氧化过程共同调控大气甲烷浓度,是全球碳循环不可分割的组成部分。对陆地生态系统甲烷产生和氧化过程的微生物机理研究进展进行了概要回顾和综述。主要内容包括:新型产甲烷古菌即第六和第七目产甲烷古菌和嗜冷嗜酸产甲烷古菌的发现;短链脂肪酸中间产物互营氧化过程与直接种间电子传递机制;新型甲烷氧化菌包括厌氧甲烷氧化菌和疣微菌属好氧甲烷氧化菌的发现;甲烷氧化菌生理生态与环境适应的新机制。这些研究进展显著拓展了人们对陆地生态系统甲烷产生和氧化机理的认识和理解。随着新一代土壤微生物研究技术的发展与应用,甲烷产生和氧化微生物研究领域将面临更多机遇和挑战,对未来发展趋势做了展望。

秸秆还田与有机无机肥配施在稻麦轮作体系下对籽粒产量及氮素利用的影响

为探究太湖地区稻麦轮作区秸秆还田与化肥、牛粪堆肥配合施用下水稻和小麦产量以及氮素利用情况,通过大田试验比较不同施肥方式,即不施肥(CK)、单施化肥(CF,当地常规施用量)、70%CF+牛粪堆肥(OMCF)、CF+秸秆全量还田(CF+S)和OMCF+秸秆全量还田(OMCF+S)对稻麦产量及氮素吸收利用的影响。结果表明:稻麦产量从大到小的处理依次为OMCF+S、CF+S、OMCF、CF、CK。与CF处理相比,施用有机肥料提高了库容量和千粒质量,促进了干物质和氮素在作物生育后期的积累,并提高了干物质和氮素在籽粒中的分配比例,使生物产量更多地转化为经济产量;施用有机肥料还有利于营养器官中氮素的转运,从而提高了氮肥利用率。其中,秸秆和有机肥协同施用(OMCF+S)对作物氮肥利用的促进作用比OMCF和CF+S处理单独施用更明显;OMCF+S处理加强作物生育中后期土壤的供氮能力,改善作物生育中后期的营养条件,从而促进幼穗分化和籽粒灌浆,为产量的提高奠定基础。结论:在化肥施用量减少30%的基础上配施有机肥同时秸秆全量还田实现产量构成因素在较高的层次上协调统一,从而获得较高的产量,同时通过作物与土壤的自我调控实现氮肥利用率的提高。

施用有机无机复混肥对太湖平原乌泥土稻麦生长的影响

通过长期定位试验,于2009至2010年在苏南地区稻麦轮作体系下,研究以菜粕堆肥、猪粪堆肥和中药渣堆肥为原料的有机无机复混肥及无机肥对水稻和小麦产量、不同时期功能叶叶绿素含量(SPAD值)和氮素利用率的影响。结果表明:各施肥处理的水稻和小麦产量均显著高于不施氮肥处理,其中以菜粕堆肥、猪粪堆肥和中药渣堆肥为原料的有机无机复混肥处理的水稻产量分别比无机肥处理的水稻产量增加9.5%、16.2%和17.4%;3种有机无机复混肥处理的小麦产量显著高于无机肥处理(4 146.1 kg.hm-2),增产率为16.2%～20.3%。在水稻季和小麦季,3种有机无机复混肥处理的不同时期功能叶SPAD值及氮素利用率均不同程度高于无机肥处理或与无机肥处理持平。以中药渣堆肥为原料的有机无机复混肥处理,在稻麦轮作体系下能够获得比单施无机肥处理更高的小麦和水稻产量、功能叶SPAD值及氮素利用率。

断根、环割处理对烤烟内源激素水平及钾积累的影响

通过水培试验,对烟株进行断根、环割、断根+环割处理,探究了不同部位内源激素含量的水平及其与钾积累的相关关系。结果表明,对烤烟进行断根、环割处理,降低了烟草根系和叶片中IAA、GA3的含量以及伤流液中的GA3/ABA比值;根系中钾的积累量与叶片、根系中的IAA含量有显著和极显著的正相关关系;伤流液中单位时间内钾的积累量与叶片的GA3含量、伤流液中的GA3/ABA呈极显著和显著负相关;叶片钾的积累量与根系中的GA3含量有显著正相关关系,与伤流液中的GA3/ABA呈显著负相关关系。这说明断根、环割通过改变烤烟根系、伤流液、叶片中不同内源激素的含量和内源激素间的比值,从而调控钾由根系通过伤流液往上运输,最终提高烟叶钾的积累量。其中,断根+环割处理提高烟叶钾积累量的效果最好。

断根、环割对烟草体内钾、钙、镁循环和积累的影响

在网室内采用水培方式栽培烟草,于烟草打顶期及打顶后一周进行断根、环割处理,探讨断根、环割及断根+环割对烟草吸收钾、钙、镁和烟株体内钾、钙、镁循环、积累的影响。结果表明:断根降低了木质部汁液单位时间的钙、镁吸收循环量及钙、镁在韧皮部的积累量,而环割处理的结论刚好相反。断根+环割显著提高了木质部汁液单位时间的钾吸收循环量和烟叶的钾积累量,提高上部叶的钾含量,降低了中、下部烟叶钙、镁的含量,因此该处理提高烟叶品质的效果最好。

猪粪堆肥与化肥不同配施方式对水稻产量和养分累积的影响

通过田间试验,研究猪粪堆肥与化肥不同配施方式对水稻生产力、养分累积和氮肥利用率的影响。结果表明,与当地习惯施肥相比,施氮量减少15%(204 kg·hm-2)、12.5%(210 kg·hm-2)和10%(216 kg·hm-2)的情况下,有机无机肥配施[PMCF2(猪粪堆肥6 000 kg·hm-2+50%NPK)、PMCF1(猪粪堆肥3 000 kg·hm-2+70%NPK)和PMC1(猪粪堆肥有机无机复混肥1 800 kg·hm-2)]的水稻产量(8 807～9 634 kg·hm-2)与单施化肥的水稻产量(9 162 kg·hm-2)相当。猪粪堆肥与化肥不同配施方式均能显著影响不同生育期水稻地上部养分累积量,并在总施氮量比单施化肥减少15%(204 kg·hm-2)、12.5%(210 kg·hm-2)和10%(216 kg·hm-2)的情况下,也能保证养分累积。水稻地上部氮、磷和钾养分累积动态基本一致,与产量之间具有显著的正相关。除PMC2(猪粪堆肥有机无机复混肥3 600 kg·hm-2)外,其他猪粪堆肥与化肥不同配施方式处理的水稻氮肥回收率均高于单施化肥,其中以PMCF2和PMC1最高。因此在施氮量减少10%～15%的情况下,采用有机无机肥料配施或制成有机无机复混肥即能满足苏南地区水稻的生产需求。

砷(V)及苯胺联合暴露对土壤微生物群落组成及抗氧化酶活性的影响

砷(As)和苯胺是环境中常见的持久性有毒污染物,在石油、印染及化工等工业场地环境中具有较高的复合污染风险。目前采用单一物种及模式生物分析复合污染物的联合毒性效应的研究已有大量报道,相比而言,混合菌群具有复杂的种间相互作用且更接近实际环境,但是复合污染对混合菌群的毒性效应尚缺乏深入研究。本研究以从非污染土壤富集分离的混合菌群为研究对象,研究As(V)-苯胺的联合毒性效应及其产生机理。本研究发现土壤混合菌群对As(V)和苯胺的单一污染具有较高的耐受性,对As(V)和苯胺的半数抑制浓度(IC50)分别达到30 g·L^(-1)和3.2 g·L^(-1)。As(V)-苯胺复合污染在混合菌群中表现出协同抑制效应(1+1>2)。另外,As(V)-苯胺复合污染与单一污染相比,复合污染显著增加混合菌群胞内及细胞表面吸附的总砷浓度,并且降低细胞抗氧化酶(SOD和CAT)活性。As(V)和苯胺单一及复合污染下细菌群落组成分析的结果表明,菌株在单一污染中的耐受表现无法用来准确预测其对复合污染的耐受。我们的结果初步揭示了土壤混合菌群在单一及复合污染生物毒性评估中的重要性及复杂性,为场地污染物的生物毒性评估提供新的参考。

方解石和钾长石在模拟蚯蚓肠液中的初始溶解动力学机理及意义

蚯蚓肠道内小分子有机酸与摄入的土壤矿物相互作用,加速矿物溶解。摄入的土壤在蚯蚓肠道内平均停留时间约为12 h,不足以使土壤矿物产生显著的溶解特征,因此这一过程难以在蚯蚓体内进行评估。本研究通过体外实验控制pH值和有机酸浓度,模拟蚯蚓肠道中有机酸对土壤中常见矿物的溶解反应,探讨了方解石和钾长石在蚯蚓肠道环境中的初始溶解动力学。研究发现,矿物在混合有机酸中的溶解速率比在纯水中高一个数量级,说明有机配体和质子促进了矿物溶解。溶解速率及粒度分析表明,方解石(CaCO_(3))溶解速率不受溶解过程中粒度变化的影响,而钾长石(KAlSi_(3)O_(8))粒度在溶解期间未出现显著变化。在此基础上,采用初始速率法模拟了钾长石的初始溶解动力学,计算得出的溶解速率表明钾长石在溶解初期主要为表面K^(+)的释放。使用缩核模型(shrink core model)和Hixson⁃Crowell模型对方解石溶解过程进行动力学解析,发现方解石的溶解主要受溶液中反应物内扩散的速率影响。这定量描述了两种矿物在有机酸溶液和纯水中的溶解差异。现有研究表明,有机配体和质子协同促进了矿物的溶解,同时进一步说明蚯蚓肠道加速了土壤矿物的溶蚀以及矿物元素的释放。

天津滨海湿地土壤有机碳和有效磷的盐度响应及影响因素

滨海湿地是脆弱的生态敏感区,正面临着海平面上升等严峻的环境挑战。海水的入侵导致了土壤盐度升高,带来土壤养分失衡、生产力水平降低等一系列负面效应。为探究土壤盐度对土壤有机碳(SOC)和有效磷(AP)含量的影响,采集了天津市典型滨海湿地土壤,对土壤样品中SOC、AP和不同形态磷的含量及土壤盐度、pH、粒径、碱性磷酸酶活性等指标进行了测定分析。结果表明:研究区内SOC含量为1.88~8.51 g·kg^(-1),AP包含H2O提取态磷和NaHCO3提取态磷,其含量为10.50~56.07 mg·kg^(-1);天津滨海湿地土壤中的无机磷以HCl提取的Ca结合态磷为主;随着盐度的升高,SOC和AP含量呈现先升高后降低的趋势;SOC含量与土壤总氮含量、碱性磷酸酶活性呈极显著正相关(P<0.01),与NaOH-P含量呈显著正相关(P<0.05),与土壤砂粒含量呈显著负相关(P<0.05);AP含量与土壤总磷、NaHCO_(3)-P、NaOH-P含量呈极显著正相关(P<0.01),与H_(2)O-P含量呈显著正相关(P<0.05),与土壤砂粒含量呈显著负相关(P<0.05)。本研究揭示了滨海湿地SOC和AP含量的盐度响应变化特征与影响因素,对于全球变化背景下滨海湿地的养分管理具有一定的参考价值。

苏南地区稻麦轮作系统对不同有机无机复混肥的响应

通过田间试验,研究了苏南地区2006—2007年稻麦轮作体系下,施用菜粕堆肥有机无机复混肥(RCC)、猪粪堆肥有机无机复混肥(PMC)、中药渣堆肥有机无机复混肥(CMC)和化肥(CF)对小麦和水稻;产量及氮素利用率的影响.结果表明:各施肥处理的小麦和水稻产量均显著高于对照;RCC、PMC和CMC处理的小麦产量分别比化肥处理(6760kg·hm-2)减少了13.1%、32.2%和39.3%;而不同有机无机复混肥处理的水稻产量(8504～9449kg·hm-2)则显著高于化肥处理(7919kg·hm-2),增产率达7.4%～19.3%.在小麦季,RCC、PMC和CMC处理的地上部干物质量、氮素积累量、氮素利用率普遍低于化肥处理,而水稻季则显著高于化肥处理或与之相当.综上,在苏南稻麦轮作体系下,3种有机无机复混肥均能提高水稻产量及氮素利用率,其中菜粕堆肥处理提高效果最为显著.

DGT/DET与CID技术联用获取环境微界面元素异质性分布特征:进展与展望

环境中广泛存在的微界面是物质循环和能量交换的门户,显著影响元素(如S、Fe和P)的迁移转化过程与生态效应。而微界面元素分布具有高度的时空异质性,因此开发和应用原位且高分辨率的表征技术手段显得尤为必要。薄膜扩散梯度(DGT)和薄膜扩散平衡(DET)技术是研究微界面元素和化合物分布及其生化过程的利器。近30年的大量实验证据表明,DGT/DET通过扩散-吸附/平衡作用原位被动采样结合后续高分辨化学分析手段,比如一维/二维膜物理切割-化学仪器分析、激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)以及计算机/比色密度成像计量法(CID),可以获取元素的高分辨浓度分布和生物有效性信息以及多元素间耦合作用的动态过程。在上述3种后续分析方法中,CID手段是最为便捷、快速和廉价的,空间分辨率与LA-ICP-MS分析相当,纵横方向均可达几十至几百微米,推广应用潜力巨大。本文在对DGT/DET和CID技术概述的基础上,总结了技术联用的思路,并依据获取二维高分辨图像的步骤差异对技术联用的进展进行了分类介绍,一类是原位即时显色成像,比如以AgI为吸附膜的DGT与CID方法联用测定硫化物,另一类是预处理后显色成像,比如以氧化锆为吸附膜的DGT与CID方法联用测定磷酸根和铬酸根、DET-CID方法测定二价铁离子和碱度。最后展望了DGT/DET与CID技术联用的发展趋势。