黄土丘陵区人工移植生物结皮集雨面的集雨效率及其抗侵蚀破损能力

[目的]为探讨黄土丘陵区不同类型人工生物结皮集雨面的集雨效果及抗侵蚀破损能力。[方法]以人工移植培养的藻类和藓类生物结皮为研究对象,以裸土为对照,分别对其进行野外模拟降雨和抗侵蚀试验(坡面冲刷、土壤静水崩解和单雨滴溅蚀试验),分析不同类型集雨面的集雨效率与土壤抗冲系数、土壤崩解速率和溅蚀量等抗侵蚀能力指标的差异。[结果](1)生物结皮集雨面显著提高集雨效率。当雨强为100 mm/h时,相较于裸土,生物结皮集雨面的集雨效率显著提高33.3%(F=300.12,p<0.001)。(2)生物结皮显著降低产沙量并提高抗冲系数。与裸土相比,藻结皮和藓结皮的产沙量分别减少178.8%和364.6%,藓结皮和藻结皮的最大抗冲系数分别是裸土的4.6,2.8倍。(3)生物结皮显著降低土壤崩解速率和最大崩解率,且不同生物结皮类型差异显著。与裸土(6.46 g/min)相比,藻结皮和藓结皮的土壤崩解速率分别降低35.0%和60.2%;生物结皮平均最大崩解率较裸土降低23.8%。(4)生物结皮显著提高临界击穿雨滴动能并降低土壤溅蚀量。藓结皮和藻结皮的临界击穿雨滴动能分别是裸土(0.5 J)的3.9,21.9倍。同时,生物结皮较裸土(0.156 g)的单雨滴溅蚀量平均减少75.3%。[结论]人工移植培养的生物结皮集雨面显著提高集雨效率和表层土壤的抗侵蚀能力,对旱区集雨措施的可持续利用和水土保持方面具有重要意义。

农用地土壤重金属生态安全阈值确定方法的研究进展

农用地土壤重金属生态安全阈值作为农用地土壤环境质量基准制定的重要依据,近年来随着多学科的共同发展,农用地土壤重金属生态安全阈值的确定方法变得越来越完善,但目前对其的研究综述却鲜见报道。因此,文章综述了农用地土壤重金属生态安全阈值的确定方法,详细阐述了点模型、概率模型以及经验模型中的代表方法在确定农用地土壤重金属生态安全阈值方面的概念、原理、发展及应用,并深入探讨了各方法的适用情况和优缺点,系统分析了各方法在确定农用地土壤重金属生态安全阈值时的不确定性及影响因素,最后在前人的研究基础上提出了今后的主要发展方向,以期为我国农用地土壤环境质量标准的完善与细化及农用地土壤其他污染物生态安全阈值的确定提供参考依据。

黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化的响应

全球气候变化加剧背景下,干旱和半干旱地区的降雨模式将进一步改变,其造成的土壤水分波动是引起土壤呼吸动态变化的重要因素,但生物结皮土壤呼吸响应降雨模式变化继而影响陆地生态系统碳源/汇功能的机制尚不明确。针对黄土高原风沙土发育的藓结皮,以自然降雨量为对照,分别进行幅度为10%、30%、50%的模拟增雨和减雨处理,并利用便携式土壤碳通量分析仪(LI-8100A)测定了模拟增减雨后的藓结皮土壤呼吸速率,对比分析了其对降雨量变化的响应及机制。结果表明:(1)整个实验周期(2018和2019)增雨和减雨分别显著提高(增幅分别为17.9%—48.2%和27.1%—54.2%)和降低了(降幅分别为1.8%—26.8%和5.2%—20.8%)土壤含水量,但对土壤温度的影响不显著;(2)增雨抑制了藓结皮土壤呼吸速率(降幅分别为7.8%—31.7%和14.7%—39.4%),且随梯度增大抑制作用越明显;减雨则取决于减雨梯度,减雨10%和30%会促进土壤呼吸速率(增幅分别为27.5%、9.6%和23.6%、9.7%)而减雨50%具有抑制作用(降幅分别为15.6%和18.5%)。不同实验周期和不同降雨处理间藓结皮土壤呼吸速率大多差异显著;(3)增雨和减雨下藓结皮土壤呼吸速率与土壤温度均成显著指数正相关关系,同时,低含水量时(小于约15%)与土壤含水量均成显著线性正相关关系,而高含水量(大于约15%)时增雨下成显著线性负相关关系。综上,黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化具有明显响应,降雨量整体波动减小时其可能成为一潜在碳源。因此,未来黄土高原土壤碳源/汇功能研究中应考虑降雨模式改变对生物结皮土壤呼吸的影响。

土壤pH对镉形态影响的研究进展

镉作为生物体的一种非必需元素,因其在土壤中的强迁移性和对人体的高度危害性而被列为国家重点关注的五大毒性重金属元素之一。镉在土壤中的迁移性及毒性与其形态密切相关,而土壤pH是影响镉形态的最重要因素之一,因此,本文综述了土壤镉形态的分析方法,阐述了土壤pH对镉形态的影响,并深入探讨了土壤pH对镉形态的影响机制,最后对今后的研究方向进行了展望,以期为镉污染土壤的修复与治理提供参考。

土壤pH对汞迁移转化的影响研究进展

近年来土壤重金属污染已经成为全球性的环境问题。而汞作为五大毒性重金属元素之一,其在土壤中的迁移转化不仅会影响作物的正常生长,还会对农产品质量和安全造成严重威胁。土壤pH是影响汞迁移转化的重要因素之一,对其作用机理的不断探索已经成为近年来的研究热点。本文在前人的研究基础上,概述了土壤中汞的来源、危害及存在形态,并从汞的生物有效性及迁移转化过程两个方面详细阐述了土壤pH对汞迁移转化的影响机制。研究表明,酸性条件可能会使土壤中有效态汞的含量增加,进而导致其生物有效性提高,迁移能力增强;土壤pH对汞迁移转化过程中吸附-解吸的影响较大;土壤pH对汞迁移转化过程中络合-螯合、氧化-还原及甲基化反应的影响机理分别体现在离子竞争吸附、价态变化及甲基化促使因子的合成等方面。最后对今后的研究方向作出展望,旨在为汞污染土壤的修复与治理及汞污染扩散模型的建立提供参考依据。

叶菜类蔬菜产地镉环境质量类别划分技术研究

以农业农村部环境监测总站对我国主要叶菜类蔬菜产地的例行监测数据为基础,综合考虑种类和土壤理化性质的影响,深入探讨了应用物种敏感性分布法(SSD)基于不同累积概率建立我国叶菜类蔬菜产地"优先保护类、安全利用类和严格管控类"的土壤镉环境质量类别划分阈值,并对其合理性验证.结果表明:pH值、阳离子交换量(CEC)和土壤有机质(SOM)对叶菜类蔬菜富集镉的影响均达到了极显著水平(P<0.01),并由其构建的三因子生物有效性模型为lgBCF=-0.122pH+0.025lgSOM-0.048lgCEC+1.252(R^2=0.746,P<0.01,n=134),可解释叶菜类蔬菜富集系数74.6%的变异;利用上述模型将不同土壤理化性质条件下叶菜类蔬菜镉的生物富集系数(BCF)归一化处理可最大程度降低土壤理化性质对其富集镉的影响,凸出叶菜类蔬菜的内在敏感性;利用归一化后的BCF通过log-logistic拟合函数构建SSD曲线得到,不同叶菜类蔬菜种类对镉的敏感性差异明显;依据SSD曲线基于保护80%、50%和5%的叶菜类蔬菜种类分别推导出p H≤6.5、6.5<pH<7.5及pH≥7.5时"优先保护类、安全利用类和严格管控类"的叶菜类蔬菜产地土壤镉环境质量类别划分阈值,并验证其具有一定的合理性.此方法可为我国叶菜类蔬菜产地土壤镉环境质量类别划分提供技术支撑,并为特定农产品产地土壤环境质量类别划分技术及方法的完善奠定坚实的工作基础.

稻米镉的生物富集系数与其影响因素的量化关系

为进一步明确田间环境中稻米镉的生物富集系数(BCF)与其影响因素的定量关系,以原农业部环境监测总站对我国南方水稻产地的例行监测数据为基础,系统分析了土壤有效镉、pH、土壤有机质(SOM)及阳离子交换量(CEC)与稻米镉BCF的相关关系,并通过多元线性回归构建了二者间的定量关系模型。结果表明:研究区域土壤全镉范围为0.25~10.34 mg/kg,平均值为1.94 mg/kg,是我国《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618—2018)中镉污染风险筛选值(0.4 mg/kg)的4.85倍;简单线性相关分析表明,稻米镉的BCF与土壤有效镉和SOM呈极显著正相关(P<0.01),相关系数分别为0.395和0.474,与pH呈极显著负相关(P<0.01),相关系数为–0.470,与CEC呈显著负相关(P<0.05),相关系数为–0.200;通过多元线性回归得到土壤有效镉、pH和SOM构建的三因子量化关系模型lgBCF=–0.346pH+0.013lgSOM+0.181lgCdavailable+2.001(R^(2)=0.560,P<0.01,n=112)达到了极显著水平,能较好预测我国南方水稻产地稻米镉含量及土壤镉的生态安全阈值。

黄土丘陵区生物结皮集雨面的集雨效果及其关键影响因子

雨水蓄集系统是黄土丘陵区广泛用于提高水资源利用效率、减少水土流失的生态工程措施,而生物结皮作为一种潜在的集雨面制作材料,其集雨汇流的效果及关键影响因子尚不明确。本研究针对黄土丘陵区风沙土发育的藻类和藓类生物结皮,以裸土为对照,分别开展了40、60、80和100 mm·h^(-1)降雨强度下的野外模拟试验,比较了不同降雨强度条件下裸土与生物结皮集雨面的初始产流时间、累积集雨量和集雨效率的差异,并进一步揭示了影响生物结皮集雨效果的关键因子。结果表明:生物结皮集雨面显著降低了初始产流时间,且藓结皮效果显著优于藻结皮。当雨强为40~100 mm·h^(-1)、坡度为40°时,藓结皮的初始产流时间比藻结皮和裸土分别降低了49.7%~77.5%和89.7%~110.0%。生物结皮集雨面显著增加了累积集雨量和集雨效率。当雨强为100 mm·h^(-1)、坡度为40°时,与裸土相比,藓结皮和藻结皮的累积集雨量分别增加了29.6%和7.8%,集雨效率分别提高了25.7%和6.8%。方差分析表明,坡度、雨强和地表覆盖类型均能显著影响集雨效率,且除坡度与雨强外其他因素间交互作用显著。此外,集雨面坡长、坡度及生物结皮培育方式等是布设集雨小区时需统筹考虑的关键影响因子。综上,黄土丘陵区生物结皮集雨面具有良好的集雨效率且藓结皮集雨效果更佳,随着坡度和雨强增加其集雨效率更优。

农田土壤重金属垂直分布迁移特征及生态风险评价

为探讨农田土壤环境中重金属的垂直分布迁移特征及潜在生态风险,以我国湖南省湘潭县某镇为研究对象,系统分析了8种常见毒性重金属(Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、As、Hg、Ni)在农田土壤剖面中的含量及垂直分布迁移特征,并通过Hakanson潜在生态风险指数法对其进行评价。结果表明:研究区域土壤Cd、Cr、Cu、Zn、Pb、As、Hg和Ni均有一定积累,但仅有表层土壤Cd含量均值为0.59 mg/kg,超过了土壤污染风险筛选值(0.3 mg/kg,p H<5.5),说明该区域农田土壤表层受Cd污染;分析农田土壤剖面重金属的垂直分布迁移特征得到,除Cr和Ni外,Cu、Zn、As、Cd、Hg和Pb 6种重金属主要富集在表层;重金属的潜在生态风险单项系数评价中,Cd在表层和中层土壤中表现为强生态危害,底层表现为中等生态危害,而Cr、Ni、Cu、Zn、As、Hg和Pb在表层、中层和底层土壤中均表现为轻微生态危害,表明Cd是该区域不同土层中的主要生态风险因子;综合潜在生态风险指数评价表明,研究区域表层土壤为中等生态危害,中层和底层土为轻微生态危害。综上,该区农田土壤表层重金属生态风险较高,主要由Cd污染引起,应当采取农艺调控或替代种植等安全利用措施进行风险管控,以保障农产品质量安全。

我国南方水稻产地镉环境质量类别划分技术

针对我国耕地质量类别划分技术及方法体系不完善的现状,提出应用物种敏感性分布法(SSD)基于不同保护率建立"优先保护类、安全利用类和严格管控类"的土壤镉划分阈值,并对其合理性和科学性验证.结果表明,我国南方水稻产地土壤p H、土壤有机质(SOM)和阳离子交换量(CEC)对水稻富集镉的影响均达到了极显著水平(P<0.01),并由其构建的三因子生物有效性模型可解释水稻富集系数62.0%的变异;水稻对镉的SSD曲线表明,不同水稻品种对镉的敏感性差异明显,主要与其基因型相关;依据SSD曲线基于保护率为80%和5%推导出我国南方水稻产地"优先保护类和严格管控类"的土壤镉划分阈值分别为0.26 mg·kg^-1和1.67 mg·kg^-1,且当土壤镉≤0.26 mg·kg^-1时划分为优先保护类耕地,土壤镉≥1.67 mg·kg^-1时划分为严格管控类耕地,土壤镉介于0.26~1.67 mg·kg^-1时划分为安全利用类耕地,并通过134组独立数据验证其具有一定合理性和科学性.本研究表明应用SSD法对我国南方水稻产地镉环境质量类别划分时体现出较好的普适性、科学性和合理性,同时可为我国农用地土壤环境质量类别划分技术及方法体系的建设和完善奠定坚实的工作基础.

黄土高原封禁林地藓结皮呼吸速率对放牧踩踏干扰强度的响应

放牧踩踏造成的土壤属性变化是引起土壤呼吸速率和碳固排波动的重要原因,但目前有关不同强度放牧踩踏对生物结皮呼吸的影响尚不明确。本研究针对黄土高原风沙土发育的藓结皮,以未干扰为对照,分别进行强度为10%、30%、50%和70%的模拟放牧踩踏干扰,连续测定了藓结皮呼吸速率的变化,分析了藓结皮呼吸速率对不同干扰强度的响应规律。结果表明:1)适度干扰会激发藓结皮呼吸速率,而重度干扰则会抑制其呼吸速率。与未干扰相比,干扰10%和30%的藓结皮呼吸速率分别增加了41.1%和22.2%,而干扰50%和70%的藓结皮呼吸速率则分别降低了8.9%和15.3%。2)踩踏干扰显著改变了土壤温度,但对土壤含水量的影响不显著。与未干扰相比,干扰10%和30%的土壤温度分别显著降低了0.4和1.2℃,干扰50%和70%则分别显著增加了1.1和1.0℃。3)不同干扰强度下藓结皮呼吸速率与土壤温度和含水量分别呈显著指数和线性正相关关系,但与藓结皮基本特性无显著相关关系,土壤温度和水分可分别解释藓结皮呼吸速率动态变化的70.6%~96.3%和49.1%~70.0%。综上,放牧踩踏显著影响了藓结皮呼吸速率,短期适度放牧踩踏会激发藓结皮呼吸速率,而过度放牧踩踏则会抑制其呼吸速率。因此,在未来黄土高原地区土壤碳收支平衡研究中应考虑不同强度放牧踩踏对生物结皮呼吸的影响。