华北山前平原农田土壤养分循环的酶学调控

土壤酶是推动土壤养分循环的生物催化剂,研究华北山前平原农田养分循环的酶学调控机制将有助于评价该地区土壤养分状况。试验用土壤取自中国科学院栾城农业生态系统试验站,分析了土壤脲酶与碱性磷酸酶活性在0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm和30-40 cm 4个土层中的分布,研究了土壤粗砂(2 000-200μm)、粉砂(200-63μm)、粉粒(63-2μm)和黏粒(2-0.1μm)4个颗粒组中土壤酶活性与土壤养分之间的相关性。研究结果表明:土壤脲酶活性与碱性磷酸酶活性均随土壤深度增加而降低,土壤酶活性随土壤粒径减小而升高。在土壤粗砂和粉砂组分中,土壤酶活性与养分含量显著相关,而在土壤粉粒和黏粒组分中,土壤酶活性与土壤养分含量并不总是显著相关。这些结果说明:土壤酶活性在土壤养分循环中起到重要的调控作用,土壤粗砂和粉砂中的土壤酶具有较高的田间实际催化活性,对土壤养分循环的贡献较大;与此相反,土壤粉粒和黏粒中的土壤酶由于土壤无机矿物的吸附作用而失去部分田间催化能力,降低了其对土壤养分循环的贡献。

华北平原高产农区冬小麦农田土壤温室气体排放及其综合温室效应

研究不同农业管理措施下小麦农田N2O、CO2、CH4等温室气体的综合增温潜势,有助于科学评价农业管理措施在减少温室气体排放和减缓全球变暖方面的作用,为制定温室气体减排措施提供依据。本研究采用静态明箱气相色谱法对华北平原高产农区4种农业管理措施下冬小麦农田土壤温室气体(CO2、CH4和N2O)季节排放通量进行了监测,估算了不同农业管理措施下小麦季的综合温室效应。结果表明,华北太行山前平原冬小麦农田土壤是CO2、N2O的排放源,CH4的吸收汇。不同农业管理措施对不同温室气体的排放源和吸收汇强度的影响不同,增施氮肥、充分灌溉促进了土壤CO2、N2O的生成,强化了土壤CO2和N2O排放源的特征;但却抑制了土壤对CH4的氧化,弱化了土壤作为大气CH4吸收汇的特征。2009—2010年和2010—2011年冬小麦生长季T1(传统模式)、T2(高产高效模式)、T3(再高产模式)和T4(再高产高效和土壤生产力提高模式)处理土壤排放的温室气体碳当量分别依次为8 880 kg(CO2).hm 2、8 372 kg(CO2).hm 2、9 600 kg(CO2).hm 2、9 318kg(CO2).hm 2和13 395 kg(CO2).hm 2、12 904 kg(CO2).hm 2、13 933 kg(CO2).hm 2、13 189 kg(CO2).hm 2。各处理间温室气体排放差异主要是由于施肥和灌溉措施的不同引起的,秸秆还田与否是造成年度间温室气体排放存在差异的主要原因。T2处理综合增温潜势相对较低,产量和产投比相对较高,为本区域冬小麦优化管理模式。

华北平原农田温室气体排放与减排综述

华北平原作为典型的冬小麦-夏玉米轮作高水肥精细管理农田,高水高肥管理下其碳排放量高于秸秆还田的固碳量,其生态系统正在以每年77 g(C)×m^(-2)·a^(-1)的速度损失碳。华北平原农田>400 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)的过高氮素投入是造成其碳排放增加的主要原因,其土壤N2O排放强度在氮肥施入量为136 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)时最低,且在施氮量为317 kg(N)×hm^(-2)·a^(-1)时可获得最高作物产量。华北平原土壤中温室气体的产生和消耗主要发生在0~90 cm土壤剖面内,>90 cm土层主要作为土壤包气带中的缓冲层而存在。当前降低华北平原农田温室气体排放除了合理施肥和灌溉,还需要改变固有的农作制度,实行减免耕等保护性措施,并将减排和固碳同步进行。对华北平原温室气体净排放研究,今后需在以下几个方面加强:1)在地-气之间加强冠层尺度温室气体的原位连续在线监测研究,并将稳定性同位素技术应用到此研究中以达到追踪其来源和比例构成的目的。2)在土壤包气带中,利用稳定性同位素技术探索土壤空气中温室气体的来源比例,探索剖面土壤温室气体产生和消耗对土壤-大气界面温室气体排放的响应机制。3)将模型研究应用于土壤-大气连续体温室气体排放研究。

华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应研究

华北平原是我国重要粮食生产基地,农业生产中,片面追求高产,过量施肥现象普遍存在,由此造成了肥料利用率低下,氮素损失严重,对环境造成了巨大压力,影响到本区域农业经济和生态环境的可持续发展。本文对中国科学院栾城农业生态系统试验站建站以来有关农田氮素过程方面的研究成果进行了梳理,从相关长期定位试验介绍、氮素转化研究方法的创新集成、氮素过程通量与转化机制研究、氮素综合管理与调控等方面入手,全面汇总了有关华北平原农田生态系统氮素过程及其环境效应的研究进展。自建站以来先后建立了8组与氮素有关的长期定位试验,基于此开展了土壤培肥与高产高效、养分循环再利用、农田生态过程及其对人为干扰和环境变化响应和反馈效应等方面的试验研究。研究过程中不断对研究方法进行完善与创新,建立了N_2高背景浓度下原位土壤反硝化研究的方法体系,为土壤反硝化室内机理与原位无扰动反硝化脱氮总量及产物构成规律研究提供了新的方法;量化了乙炔抑制法测定反硝化的系统误差,为克服乙炔抑制法的误差提供了新的技术途径;建立了深层土壤剖面气体监测的技术体系,使N_2O的研究由单纯的农田排放通量测定扩展到深层土体N_2O的产生机制、扩散与还原过程研究,为定量深层土壤产生的N_2O对表层排放的贡献提供了技术支撑。通过对农田氮素转化机制、过程通量及其环境效应的综合研究,分析了该区域农田生态系统氮素平衡状况,定量评价了农田氮素不同损失途径的相对重要性,提出了阻控氮损失、提高肥料利用率的合理调控途径。

作物根系对根际土壤N_(2)O产生与排放的调控机制研究进展

农田土壤是大气N_(2)O的重要排放源。农田土壤N_(2)O排放不仅受农业管理措施影响,还与作物根系生长密切相关,根系自身代谢对农田土壤N_(2)O生成与还原产生影响,进而影响农田N_(2)O排放。根际是根系-土壤-微生物相互作用的重要界面,是根系影响土壤N_(2)O排放最直接、最强烈的关键场所,也是农田土壤N_(2)O产生的热点区域,在农田N_(2)O排放中所占份额不容忽视。因而根系对根际N_(2)O排放的影响机制研究普遍受到重视。本文以国内外相关研究为基础,综合梳理了有关作物根系生长对农田土壤N_(2)O排放的影响强度以及对根际微域N_(2)O产生与排放的调控机制方面的研究进展,剖析了作物根系影响根际微域土壤N_(2)O产生与排放研究中存在的难点,并对未来相关研究工作进行了展望。根系对农田N_(2)O排放的影响过程复杂,涉及因子颇多。大量研究表明,施肥量及肥料种类,土壤氮素含量与形态、温湿度、光强等因素可通过调控根系生长来影响作物从土壤中汲取水分和营养以及光合产物向根系的传导与分泌,改变根际微域通气状况以及微生物赖以生存的碳氮源等营养成分,进而影响根际微生物的群落结构、数量和活性以及在土壤中的分布,由此介导根际微生物的硝化、反硝化过程,影响根际土壤N_(2)O生成、还原与排放。鉴于众多因素的影响,作物根系生长对土壤N_(2)O的生成与排放的影响具有促进或抑制双重作用,其作用方向与强弱将影响农田生态系统中N_(2)O的总体排放预算。因此,研究作物根系对土壤N_(2)O排放的调控作用及其对全球变暖的反馈机制势在必行,对减少全球N_(2)O排放预测的不确定性、减缓人类活动对全球变化的影响意义重大。

碳氮磷化学计量比对土壤有机碳矿化激发效应的影响

土壤有机碳矿化激发效应(priming effects)是指由外源有机物料添加所引起的短期内土壤有机质周转剧烈改变的现象,是影响土壤生态系统碳动态的关键过程之一。尽管激发效应的诱发机制已广为人知,但目前的大多数研究仅考虑了外源有机碳输入的影响。碳氮磷是土壤生态系统中的基本营养元素,碳氮磷化学计量比通过影响微生物可获得的营养元素的均衡进而调控激发效应的方向与强度。本文总结了碳氮磷化学计量比调控土壤激发效应的相关研究进展,分析了土壤碳周转相关微生物群落结构及活性对不同碳氮磷输入配比的响应机制,总结出“共代谢”“微生物营养挖掘”和“化学计量分解”3种有关碳氮磷化学计量比调控激发效应的机制。未来急需将碳氮磷化学计量比调控土壤激发效应的理论运用于农田固碳减排的生产实践,服务于我国“碳达峰碳中和”“双碳”战略的实施。

氮足迹研究进展

自19世纪工业革命以来,由于氮肥施用、化石燃料燃烧等人类活动带入全球生态系统的活性氮逐年增加。这些流入生态系统的活性氮造成了严重的环境问题,例如水体富营养化、地下水硝态氮污染、平流层臭氧层破坏等。氮足迹模型是在全球活性氮污染日趋严重的背景下提出的。氮足迹研究在定量评价人类生产生活方式对活性氮排放的影响,调整人类的生产生活方式,减少活性氮危害等方面有重要的理论价值与实践意义。近年来,氮足迹的研究日益受到西方各国科学家的关注,其中已有少量相关研究发表。相比较而言,国内科学界对氮足迹研究的关注还不多,目前为止还没有有关氮足迹研究的文献资料。本文综述了氮足迹的概念、研究意义、主要模型方法、国外研究进展以及未来研究热点。并指出氮足迹计算模型的改进与发展、主要活性氮在氮足迹计算中的权重以及活性氮污染严重区域或国家的氮足迹评价将是未来氮足迹研究的热点。

不同耕作措施下小麦–玉米轮作农田温室气体交换及其综合增温潜势

研究不同耕作措施下小麦-玉米轮作农田N_2O、CO_2和CH4等温室气体的综合增温潜势,有助于科学评价农业管理措施在减少温室气体排放和减缓全球变暖方面的作用,为制定温室气体减排措施提供依据。基于2001年开始的位于华北太行山前平原中国科学院栾城农业生态系统试验站的不同耕作与秸秆还田方式定位试验,应用静态箱/气相色谱法于2008年10月冬小麦播种时开始,连续两个作物轮作年动态监测了秸秆整秸覆盖免耕播种(M1)、秸秆粉碎覆盖免耕(M2)、秸秆粉碎还田旋耕(X)、秸秆粉碎还田深翻耕(F)和无秸秆还田深翻耕(CK,代表传统耕作方式)5种情况下冬小麦-夏玉米轮作农田土壤N_2O、CO_2和CH4排放通量,并估算其排放总量。试验期间同步记录每项农事活动机械燃油量、灌溉耗电量、施肥量,依据燃油、耗电和单位肥料量的碳排放系数统一转换为等碳当量,测定作物产量、地上部生物量,估算农田碳截存量,根据每个分支项对温室效应的作用估算了5个处理的综合增温潜势。结果表明,华北小麦-玉米轮作农田土壤是N2O和CO2的排放源,是CH4的吸收汇,每年M1、M2、X、F和CK农田土壤N2O排放总量依次为2.06 kg(N_2O-N)·hm^(-2)、2.28 kg(N_2O-N)·hm^(-2)、2.54 kg(N_2O-N)·hm^(-2)、3.87 kg(N2O-N)·hm^(-2)和2.29 kg(N2O-N)·hm^(-2),CO_2排放总量依次为6904 kg(CO_2-C)·hm^(-2)、7 351 kg(CO2-C)·hm^(-2)、8 873 kg(CO_2-C)·hm^(-2)、9 065 kg(CO2-C)·hm^(-2)和7 425 kg(CO2-C)·hm^(-2),CH4吸收量依次为2.50 kg(CH4-C)·hm^(-2)、1.77 kg(CH4-C)·hm^(-2)、1.33 kg(CH4-C)·hm^(-2)、1.38 kg(CH4-C)·hm^(-2)和1.57kg(CH4-C)·hm^(-2)。M1和M2处理农田生态系统综合增温潜势(GWP)均为负值,表明免耕情况下农田生态系统为大气的碳汇,去除农事活动引起的直接或间接排放的等当量碳,每年农田生态系统净截留碳947~1 070 kg(C)·hm^(-2);其他处理农田生态系统的GWP值均为正值,表明温室气体是由系统向大气排放,CK、F和X每年向大气分别排放等当量碳3 364 kg(C)·hm^(-2)、989 kg(C)·hm^(-2)和343 kg(C)·hm^(-2)。故华北小麦-玉米轮作体系中,秸秆粉碎还田旋耕是最优化的耕作措施,其温室效应相对较低,而又能保证较高的经济产量。

保护性耕作对冬小麦-夏玉米农田氮肥氨挥发损失的影响

【目的】保护性耕作有利于水土保持和提高土壤有机碳库,而对氮素氨挥发的影响并不是很清楚。研究长期定位试验下华北农田施肥后氨挥发发生规律,探索保护性耕作条件下的氮素利用率。【方法】采用间歇动态箱式法对翻耕、旋耕和免耕3种耕作方式下冬小麦-夏玉米农田氨挥发通量及其影响因素进行比较研究。【结果】相对于翻耕和旋耕处理,免耕显著促进了小麦季和玉米季地表追肥的氨挥发,但显著降低了小麦基肥期的氨挥发速率。翻耕、旋耕和免耕下小麦-玉米全生育期氨挥发损失量为15.8、18.4和28.6 kg hm-2 a-1,分别占施肥量的4.9%、5.7%和8.8%。实验室培养分析表明,免耕和旋耕显著提高了表层(0—5 cm)土壤脲酶活性,加速尿素水解为NH4+,从而促进氨挥发。【结论】免耕条件下,肥料表施易发生氨挥发,采用一次性深施是减少免耕氨挥发的有效途径之一。

重金属铅对不同品种小麦种子发芽和幼苗生长的影响

[目的]探讨重金属铅胁迫对小麦种子发芽率和根系生长的影响。[方法]以4个小麦品种为试材,铅胁迫处理设100、150、200、300、600和1 200 mg/L 6种浓度营养溶液,分别处理小麦种子,观测处理后各品种的种子发芽和幼苗生长情况。[结果]在种子萌发前期,低浓度铅对种子萌发有促进作用,但在种子萌发后期,所有浓度铅均对种子萌发产生抑制作用。不同品种对铅胁迫的耐受能力有所不同。从第7天的发芽率看出,普冰S-30、石4185和京411对铅胁迫的耐受能力优于科农199。铅胁迫对小麦根伸长和茎伸长均有抑制作用,且对根部的抑制作用强于对茎的伸长。当铅浓度达到300 mg/L时,小麦根系生长受到严重胁迫。[结论]铅对小麦种子具有毒害作用,且不同品种种子对铅胁迫的耐受能力不同。

植物排放N2O研究进展

氧化亚氮(N2O)是主要的温室气体之一,对大气环境质量与全球气候变化具有重要的影响。N2O排放不仅增加温室效应,同时也会导致陆地生态系统氮损失与平流层臭氧消耗。长期以来土壤被认为是陆地生态系统N2O的主要排放源,但近年来越来越多的证据表明,植物可能是陆地生态系统N2O排放的另一重要来源。近年来有关植物排放N2O的报道逐年增多,但对植物排放N2O的途径及其调控机制方面还缺乏文献综述。本文首先在总结长期以来人们普遍认为的N2O源与汇的基础上,提出陆地植物可能是另一个尚未被广泛认可的重要的N2O的排放源。植物排放N2O可能有两种潜在途径:1)植物作为土壤中通过微生物产生的N2O的运输通道,2)植物通过自身代谢或内生菌的作用产生N2O并排放到大气中。然后分析了关键因素(养分、光照、温度和植物器官及生长阶段)对植物排放N2O的影响机制。最后指出未来需进一步探明植物体内产生N2O的具体途径及其对全球N2O排放的贡献,重点是探明植物自身的生理生化过程以及与其伴生、共生的微生物在N2O产生中的作用。

土壤氮气排放研究进展

自20世纪初人类发明并掌握工业合成氨的技术以来,氮肥施用量迅速增长。在一部分国家或地区,氮肥的施入量已经超过作物对氮素的需求,导致大量氮素损失到环境中,造成氨挥发、氧化亚氮排放、地下水硝酸盐污染等环境问题。土壤在微生物的作用下可以通过反硝化、厌氧氨氧化等过程将活性氮素转化为惰性氮气,达到清除过多活性氮的目的。由于大气中氮气背景浓度太高,因此很难直接准确测定土壤的氮气排放速率,导致土壤氮气排放通量、过程与调控机制研究远远落后于土壤氮循环的其他方面。本文综述了土壤氮气排放主要途径(反硝化、厌氧氨氧化与共反硝化)及其对土壤氮气排放的贡献;测定土壤氮气排放速率的方法(乙炔抑制法、氮同位素示踪法、N2/Ar比率-膜进样质谱法、氦环境法与N2O同位素自然丰度法)及其优缺点;调控土壤氮气排放通量的主要因素(氧气、可溶性有机碳、硝酸盐、微生物群落结构与功能基因表达等)及其相关作用机制。最后指出研发新的测定原位无扰动土壤氮气通量的方法是推进本领域相关研究的关键;定量典型生态系统(如旱地农田、稻田、森林、草地与湿地)土壤氮气排放通量,阐明其中的微生物学机制,模拟并预测土壤氮气排放对全球变化的响应规律是本领域的研究热点与发展方向。

“PPP+施工总承包”项目一体化管理初探——以云南SXM项目为例

目前,基础设施建设通常采用PPP模式。由政府指定机构和社会投资者共同出资设立项目公司全程负责该项目投融资、建设、运营、维护和后期所需增加的投资,期满后无偿移交给政府部门指定的机构运营。云南SXM项目采用的是PPP模式,成立了施工总承包管理机构,云南SXM项目通过采取合理的一体化管理措施,在建设总承包施工环节探索项目一体化管理取得了不俗的成绩,促使各参与项目建设的单位不仅提升管理水平,也实现了项目安全、项目质量、如期完工等建设目标,为社会创造了财富的同事,自身也积累了丰富的经验,对今后建筑施工企业PPP模式下的项目施工总承包施工管理有值得借鉴的作用。

生物炭的老化及其对温室气体排放影响的研究进展

生物炭是生物质在无氧或限氧条件下经高温热解后产生的多孔富碳物质,其被广泛施加到土壤中改良土壤性质,调节温室气体排放。生物炭施入土壤后,长期受外界物理、化学和生物等环境作用导致生物炭性质发生缓慢改变,这个过程称为生物炭的老化。文章综述了原位生物炭自然老化和实验室模拟老化的方法以及老化后生物炭理化性质的变化,从理化性质变化的角度论述了生物炭老化过程对二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)这3种温室气体排放的影响,并初步解释生物炭老化过程对增加或减少温室气体排放的可能机制。主要内容如下:生物炭老化方法可以分为自然老化和人工模拟老化,模拟老化方法包括生物、物理和化学老化。生物炭发生老化后,生物炭的比表面积(SSA)和孔容根据老化强度而有不同变化,自然或人工模拟的温和老化方法使生物炭表面上有新的纳米微孔生成,生物炭SSA增加,而使用强酸或强氧化剂的强烈老化方式可破坏生物炭孔隙结构,导致SSA和孔容下降。从化学性质方面来讲,生物炭C/N比随老化过程而降低,但是O/C比却随老化过程而升高;此外,当生物炭老化时,生物炭表面含氧官能团增加,例如羧基、羰基和酚基等,这些含氧基团可以和阳离子结合形成羧酸盐和酚盐,同时释放H^+,导致老化生物炭的pH值降低。基于有限的研究报道,老化生物炭仍然具有一定的CH4减排潜力,这得益于土壤通气状态的改善和甲烷氧化菌氧化CH4潜力提升。相反,由于生物炭极性增强和pH值降低,生物炭老化过程有促进土壤有机质矿化增加CO2和N2O排放的趋势。然而为了辅正这一论断,准确评估生物炭老化的环境效应,长期原位生物炭老化并同时设置新鲜生物炭对照的研究需要进一步开展,以探明生物炭老化过程对温室气体排放的影响机制,为生物炭生产和合理施用提供科学应用指导。

畜禽粪便超高温好氧堆肥工程案例

超高温好氧堆肥是高效、绿色的有机固体废弃物资源化技术,为了弥补超高温好氧堆肥在大规模工程性处理研究中的不足,通过对规模化畜禽粪便超高温好氧堆肥工程案例(处理量300 t·d^(-1))的分析,阐述了超高温好氧堆肥在工程应用中的原理、工艺选择、运行参数以及经济效益。槽式及条垛式规模化畜禽粪便超高温好氧堆肥的最高温度可超过80℃,20~30 d完成堆肥。堆肥结束后,含水率和有机质分别保持在44%和35%左右,EC值为2.9 mS·cm^(-1),水溶性有机碳和水溶性总氮的含量分别保持在3.0 mg·kg^(-1)和0.9 mg·kg^(-1)。此外,腐熟料经过二次加工,可制备为功能性有机肥料。超高温好氧堆肥投资成本小、产品价值高,具有更高的经济效益。目前,已形成的可复制的畜禽粪便循环利用新模式,可为农林残余、生活垃圾、厨房残余等其他有机固废的规模化超高温好氧堆肥处置提供参考。

铁膜促进水稻土N_(2)O排放的根际微域反硝化微生物机制解析

稻田是温室气体氧化亚氮(N_(2)O)的主要排放源之一,反硝化作用是引起N_(2)O释放的重要过程,主要由微生物驱动完成,nirK、nirS和nosZ功能基因是反硝化菌的重要生物标志.本研究通过诱导水稻根表形成铁膜,使用N_(2)O直接测定法和基于反硝化功能基因引物的高通量测序,采用盆栽试验研究了水稻土N_(2)O累积排放浓度、根际土和根内反硝化微生物群落结构的分布变化.Pearson相关分析表明,N_(2)O累积排放浓度与铁膜含量呈正相关,铁膜促进N_(2)O排放.诱导根表形成铁膜后,反硝化微生物的多样性和丰富度提高,具体表现为nirK、nirS和nosZ型OTU增多,nirK型在根内明显增加,而nirS型在根际土中增加.此外,假单胞菌(Pseudomonas)是水稻根际土和根内优势菌属,铁膜提高其丰度,尤其是nirS、nosZ型假单胞菌丰度占比提升更显著.显然,铁膜的形成改变了水稻根际和根内nirK、nirS和nosZ型反硝化微生物的群落结构,进而可能促进水稻土N_(2)O排放.