煤矸石堆场自燃危险性综合评价研究与应用——以抚顺市西舍场为例

随着我国煤炭产量增加,煤矸石堆场(以下简称堆场)也在持续增大,加剧了堆场区域地形地貌景观破坏及地表生态环境损毁,煤矸石自燃产生的有毒有害气体及高温对堆场生物多样性及开发利用造成了巨大的安全威胁。本研究运用卫星遥感时序监测、地表调查、有害气体监测及浅层地温值探测等方法,开展堆场自燃危险性评价研究,提出了浓度结合毒性危害指数确定权重的有害气体危险性评价方法、浅层地温聚类分析研判地温异常值方法及CRITIC赋权有害气体、自燃发展危险性及自燃灾害危害程度3个一级指标权重的堆场自燃危险性综合评价方法。结果显示,通过调整堆场开发利用平面部署,可有效降低堆场自燃危险性综合评价危险等级,为煤矸石堆场自燃灾害防治及可持续开发利用提供借鉴。

森林⁃草原生态系统交错带植物与微生物多样性研究进展

森林⁃草原生态系统交错带是森林和草原两种地带性植物群落之间的交接地带,景观类型多样,环境异质性强,边缘效应明显,对全球气候变化敏感,是生物多样性保护的重要地带。林草交错带特殊的生境导致地上与地下生物多样性及其生态关联比森林、草原、农田等生态系统复杂。本文综合评述了地形、生态系统养分内循环、全球变化以及人类活动干扰等因素对林草交错带植物多样性的影响,分析了土地利用类型、氮沉降和大气CO_(2)浓度升高、植物凋落物、土壤有机质及土层深度等对土壤微生物多样性的影响。今后,应当加强局域尺度控制实验与跨环境梯度调查相结合的研究手段,以揭示林草交错带生物多样性形成的地理格局与生态学机制。具体包括林草交错带复合系统物种多样性对土壤酸化、火灾、凋落物组成、围封和放牧及多因子交互作用的响应规律,以及地上⁃地下生物多样性的生态关联、退化生境修复与植被恢复等方面的研究,为林草交错带土地利用和生物多样性保护提供科学依据和数据参考。

氮水添加对中国北方草原土壤细菌多样性和群落结构的影响

研究了我国北方典型温带草原土壤细菌多样性和群落结构对氮水添加及环境因素的响应.结果表明:在常规降水条件下,土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)均随氮(N)梯度增加而逐渐降低;在增加降水条件下,MBC和MBN也随N梯度增加而降低,但降水增加削弱了N的抑制效应.在常规降水条件下,土壤细菌丰富度、Shannon多样性和均匀度等α-多样性指数随N梯度没有明显变化;增加降水条件下,各N梯度处理的土壤细菌α-多样性指数都显著高于常规降水条件下相应的N处理梯度.相关分析显示,土壤含水量、硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)与土壤细菌均匀度指数呈显著负相关关系;MBC和MBN与Shannon丰富度指数和均匀度指数呈显著正相关关系.土壤细菌群落非度量多维标度排序(NMDS)显示,在常规降水和增加降水处理下,土壤细菌群落结构均随N梯度增加发生明显改变.冗余分析(RDA)表明,MBC、MBN、p H和NH4+-N是影响土壤细菌群落结构的重要环境因子.

模拟氮沉降对内蒙古典型草地土壤pH和电导率的影响

陆地生态系统氮沉降增加可导致土壤酸化,从而可能造成土壤生态系统结构和功能的退化。依托内蒙古典型草地设置的模拟氮沉降试验,研究了连续6年9个氮添梯度(0、1、2、3、5、10、15、20、50 g m^(-2)a^(-1)),2个氮添加频次(一年两次或一月一次)及2种管理方式(封育或刈割)等4种模式对土壤p H和电导率的影响。结果表明,4种模式下氮添加量3 g m^(-2)a^(-1)以下4个处理间的土壤p H无显著差异,在氮添加量为20 g m^(-2)a^(-1)(与我国粮食作物年施氮量接近)时,土壤p H分别比对照平均降低了1.1~1.9个单位;封育一年两次添加氮素在添加量5 g m^(-2)a^(-1)以上时土壤p H显著下降,而封育每月一次添加氮素在添加量20 g m^(-2)a^(-1)以上时,土壤p H才出现显著下降的现象。4种模式下土壤p H与土壤阳离子交换量及土壤交换性钙呈极显著正相关,说明高量氮添加促进了土壤中盐基离子的耗竭。高量氮添加(50 g m^(-2)a^(-1))显著增加了土壤EC值;除封育每月一次添加氮素处理外,氮添加10 g m^(-2)a^(-1)以下各处理间的土壤电导率(EC)无显著差异;土壤EC值与土壤硝态氮含量呈极显著正相关。研究结果将为我国北方半干旱草地土壤酸化的量化表征及氮素管理提供数据支撑。

长期施肥和增水对半干旱草地土壤性质和植物性状的影响

本文对内蒙古多伦退化草地2005年建立的长期野外控制试验中施肥和增水对土壤性质和植物群落特征的影响进行了总结和综合评述.结果表明:加氮导致了表土酸化并降低酸缓冲容量,提高了表土中碳氮磷硫有效性及DTPA-浸提态铁锰铜含量,导致盐基离子钙镁钾钠总量的消耗,降低了土壤微生物群落多样性,促进了优势植物物种叶片对氮磷硫钾及锰铜锌的吸收,抑制植物叶片对铁的吸收,而对钙镁吸收无显著影响,增加了植物地上净初级生产力(ANPP),降低了植物物种多样性和群落稳定性.单独加磷增加了表土全磷和Olsen-P含量及真菌丰度,促进了植物叶片对氮、磷、硫的吸收,但对其他土壤基本化学性质及ANPP、物种多样性无显著影响.增水提高了植物群落对干旱的抵抗力,但对ANPP增长的贡献受到土壤氮有效性的限制.增水对于加氮导致的土壤酸化、植物和微生物多样性降低等具有一定的缓冲作用;加氮增水和加磷增水下,土壤微生物多样性及功能受地上植物群落结构及功能变化的影响.长期野外控制试验对于深入理解草地生态系统结构和功能对环境变化的响应具有重要意义,但单点的研究结果仍需与不同区域多点控制试验的联网研究相结合,深入开展地上与地下生态过程的关联研究,才能深入理解草地生态系统生态学的相关机制.

玉米秸秆还田和有机配施提高黑土酸中和容量

长期施用化肥导致农田黑土酸化、盐基离子耗竭、养分失衡及作物重金属污染等诸多问题。本文依托吉林公主岭国家黑土肥效监测基地25 a的施肥试验,研究了不施肥对照(C)、N、NP、NK、PK、NPK、厩肥—化肥配施(MNPK)、玉米秸秆还田(SNPK)等8个施肥处理对土壤酸中和容量(ANC)的影响,N、P、K施用量分别为165 kg hma、36 kg hma、68.5 kg hma,MNPK和SNPK处理与NPK处理为等N量。结果表明,施化肥导致表土pH下降0.37~1.39,MNPK和SNPK处理分别提高土壤p H值0.21和0.53。以pH 5.0为参比,N、NP、NK、PK、NPK各处理的酸中和容量ANCpH 5.0分别为对照的42.85%、61.79%、54.05%、82.26%、63.68%;MNPK处理的ANC是对照的1.86倍;加酸160 mmol kg,SNPK处理的土壤pH值仅从7.65降至6.42,表现出极强的酸中和能力。SNPK和MNPK处理的土壤交换性盐基总量SEB分别是对照的1.37和1.14倍,土壤有机质SOM分别是对照的1.32和1.63倍,二者是提高土壤ANC主要原因。总之,有机物料添加显著提高了黑土抗酸化性能及土壤基础肥力水平,研究结果可为东北黑土区玉米秸秆还田保护性耕作及有机肥部分替代化肥实践提供长期试验的理论依据和数据支撑。

外源硫输入对草地土壤-植物系统养分有效性的影响

外源硫输入增加是草地生态系统土壤酸化的一种重要诱因,在一定程度上抑制了土壤有机质的矿化从而有利于有机碳积累,但可导致石灰性土壤中碳酸盐的分解;硫输入可提高土壤中氮及微量元素铁、锰、铜、锌、硼的有效性,降低钼的有效性;导致交换性盐基离子淋失并降低钙、镁、钾的有效性;增加石灰性和中性土壤磷的有效性,而降低酸性或强酸性土壤磷的有效性。外源硫输入可促进草地植物对氮和磷的协同吸收,总体上可以促进草地植物对金属微量元素的吸收,但土壤酸化可能引起植物锰毒害,增加植物锰吸收的同时抑制了对铁的吸收。高量硫输入及土壤重度酸化可导致草地生产力和物种多样性降低;低剂量硫输入对草地生产力有一定的促进作用,但对物种多样性及群落稳定性的影响目前尚缺乏系统的研究资料。

内蒙古草甸草原土壤理化性质和微生物学特性对刈割与氮添加的响应

频繁的刈割和氮输入增加是导致草地生态系统退化的重要原因.土壤微生物学特性作为评估土壤质量的重要生物学指标,对草地刈割和氮输入增加的响应规律仍不十分明确.本研究依托内蒙古呼伦贝尔草原刈割复合氮添加野外实验平台,分析了土壤理化性质、土壤微生物生物量、土壤呼吸和土壤酶对刈割、氮添加的响应及其生长季动态变化.结果表明:刈割显著降低了土壤微生物生物量碳、氮、磷和土壤呼吸(基础呼吸和底物诱导呼吸),与刈割后导致的水分限制及碳限制有关.刈割显著降低了氮磷获取酶(N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶和酸性磷酸单酯酶)的活性,符合'资源分配假说'.氮添加显著降低土壤pH值,但土壤微生物生物量对氮添加和pH降低均无显著响应,表明氮输入增加引起的土壤酸化不是影响微生物生物量的主要因素.氮添加对土壤呼吸和酶活性也无显著影响,与以往在典型草原的大多数研究结果不一致.刈割和氮添加复合处理显著降低了土壤微生物生物量磷,但提高了土壤中有效磷含量,降低了酸性磷酸酶活性.微生物生物量碳、氮、磷和土壤呼吸等的相关参数均在7月最高,这与夏季高温多雨有关.土壤酶活性在春夏季较高,生长季末期较低.这表明在该草甸草原,刈割将导致土壤碳氮磷养分失衡,从而加剧草原退化;而氮添加在短期内并未对土壤微生物生物量和活性产生显著影响.

森林草原过渡带持久土壤种子库沿降水梯度的格局

为了解全球气候变化背景下森林草原过渡带持久土壤种子库对未来降水减少的响应,本研究以呼伦贝尔森林草原过渡带为研究区域,沿降水梯度采集0~10 cm土层的持久土壤种子库样本,研究种子库密度、物种组成、多样性及其与地上植被的关系,并利用结构方程模型研究年降水量对持久土壤种子库的直接影响及其通过地上植被和土壤有效氮、有效磷、土壤pH值产生的间接影响。结果表明:随着降水量的降低,种子库密度和物种丰富度有增加趋势,森林草原过渡带草地土壤种子库物种多样性高于森林。土壤种子库与地上植被相似性整体较低。结构方程模型结果显示,年降水量对种子库的密度和物种丰富度的总效应为负效应,标准路径系数为-0.051和-0.122。年降水量对种子库的密度和物种丰富度的直接效应为正效应,降水量通过土壤全氮对种子库密度和物种丰富度产生显著的间接正效应,通过土壤pH和土壤有效磷对种子库物种丰富度产生显著的间接负效应,通过土壤pH对种子库密度产生显著的间接负效应。气候变化下降水减少会改变植物应对风险的策略,森林草原过渡带的持久土壤种子库对应对未来可能发生的降水减少具有一定的缓冲作用。

氮沉降对草地土壤及团聚体元素有效性的影响

深入理解土壤及团聚体元素有效性对氮沉降的响应机制,是研究全球变化背景下土壤养分供应及生态系统结构和功能的关键.本研究综合评述了草地生态系统土壤表土及团聚体内元素分布及其对氮沉降的响应机制.总体而言,草地表土内碳、氮、磷、硫有效性研究较多,且研究结果因氮添加形态、添加时间及生态系统类型而异.氮沉降通过改变碳、氮、磷、硫等生源要素的转化过程及其在土壤团聚体内的再分配,而影响这些元素的生物有效性.然而,氮沉降影响草地土壤交换性盐基及有效态微量元素的研究较少.氮沉降促进土壤酸化,导致各团聚体内钙、镁差异性流失,其中大粒径团聚体内盐基元素更易流失;酸化还有助于提高团聚体内铁、锰、铜、锌有效性.土壤小粒径团聚体内的养分对外界环境变化响应不敏感.当前研究的不足之处在于,较少关注氮沉降对土壤团聚作用及团聚体元素有效性的影响.今后应加强团聚体元素有效性与土壤酶活性耦合变化关系的研究,并分析氮沉降背景下土壤物理结构和化学组成的变化对植物群落的反馈作用.

养分和水添加对弃耕草地土壤无机磷组分的影响

合理的养分和水分管理措施是提高退化草地生产力和生物多样性的有效途径,但养分和水添加对弃耕草地土壤无机磷组分的影响研究较少。本文依托内蒙古多伦县2005年建立的养分(N:10 g·m^(-2)·a^(-1)、P:10 g·m^(-2)·a^(-1))和水分(植物生长季增水180 mm)添加田间试验,研究了表土(0~10 cm)无机磷组分及有效磷(Olsen-P)含量。结果表明:11年的磷添加显著增加了表土无机磷总量,外源磷大部分转化为磷酸钙(Ca-P:62.6%~69.2%),其次是磷酸铝(Al-P:19.9%~25.1%)、磷酸铁(Fe-P)和闭蓄态磷(O-P)。磷氮添加通过降低土壤pH、促进Fe^(3+)、Al^(3+)活化而显著增加Fe-P和Al-P的含量。单独增水显著增加Fe-P、Al-P、磷酸十钙(Ca_(10)-P)含量;磷水处理的Fe-P、Al-P、磷酸八钙(Ca_(8)-P)、Ca_(10)-P含量均显著高于单独加磷处理,而磷氮水与磷氮处理间土壤各组分无机磷含量均无显著差异。磷及氮磷添加处理显著增加了土壤Olsen-P含量,但磷及氮磷处理在增水条件下土壤Olsen-P含量显著降低。石灰性土壤中,过磷酸钙添加主要通过增加Ca-P组分来增加土壤无机磷库。

草甸草原土壤与植物系统自然丰度氮稳定同位素的年际变化及其指示作用

氮是陆地生态系统生产力的首要限制性养分,利用自然丰度δ^(15)N(^(15)N/^(14)N)可以有效指示生态系统氮循环过程。本试验研究了内蒙古草甸草原土壤与植物系统自然丰度δ^(15)N、土壤净氮矿化潜势的年际变化。结果表明:2017-2020年,土壤NO_(3)^(-)-N含量(9.83~^(14).79 mg·kg^(-1))均显著高于NH_(4)^(+)-N含量(3.92~5.00 mg·kg^(-1));土壤NH_(4)^(+)的δ^(15)N值(13.3‰~18.3‰)显著高于NO_(3)^(-)的δ^(15)N值(3.76‰~6.^(14)‰),土壤NO_(3)^(-)的δ^(15)N值与土壤NO_(3)^(-)含量呈显著负相关;干旱年NH_(4)^(+)的δ^(15)N值相对较高,降水较高或较低年NO_(3)^(-)的δ^(15)N值显著降低。干旱年土壤净氮矿化速率、净氨化速率显著高于湿润年,而土壤硝化速率与年降水量无显著相关性。植物δ^(15)N值与土壤δ^(15)N值无显著相关性,但与植物N含量呈显著负相关;豆科植物与非豆科植物δ^(15)N值、N含量均呈显著正相关,在一定程度上表明豆科植物对非豆科植物的N吸收具有促进作用。研究结果可为草原土壤-植物系统氮循环过程及其对降水变化的响应提供数据支撑。

大气沉降氮在土壤-植物系统中的留存机制

大气沉降氮在土壤和植物中的留存特征,是陆地生态系统氮截获和持续供应的关键。采用稳定性氮同位素技术标记15NO3-和15NH4+,可以量化两种形态沉降氮的归趋动态。国内外氮同位素示踪试验的主要特点是氮添加量小(多小于250 mg15N·m^(-2)),运行时间短(少于48个月),15NO3-和15NH4+归趋的对比研究少。大气沉降氮中NO3-和NH4+在生态系统中的留存,会因植物吸收偏好、微生物-植物氮竞争状况和生物-非生物固定过程的差异而不同。已有的研究表明,持续周转的微生物生物量氮是外源氮转化和固持的主要场所之一,土壤微生物偏好吸收利用NH4+,而非NO3-;多数植物物种偏好吸收NO3-,且能更快地转移到根表而被固定;团聚体组成对植物-土壤的氮留存量和土壤氮饱和过程具有重要的调节作用。大气活性氮在生态系统各组分分布与稳定的时空格局,不同粒径土壤团聚体对沉降氮的留存机制方面尚需要系统研究。相关研究可为完善生态系统氮循环理论,优化氮循环模型提供科学依据和数据支持。