水稻土微生物群落、酶活性及理化性质对有机肥、石灰连续施用的响应

【目的】探究水稻土微生物群落、酶活性及理化性质对有机肥、石灰连续施用的响应规律,为培育健康水稻土提供理论依据。【方法】于2014年冬季,选取湘东双季稻区典型酸紫泥田,分别进行了连续施用鸡粪发酵商品有机肥、生石灰的大田试验。每年早、晚稻翻耕前各撒施一次有机肥、石灰,施用量均为2.25 t/hm^(2),分别以不施有机肥、石灰的处理为对照。在处理后第3年(2017年)和第7年(2021年)晚稻黄熟期,采集表层(0—15 cm)混合土壤样品,测定土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)含量、酶活性及理化性质,筛选指示性强、响应敏感的土壤指标。基于土壤理化性质与生物学性质间的相互关系,构建结构方程模型,解析土壤PLFAs含量与酶活性对有机肥、石灰处理的响应机理。【结果】与对照相比,有机肥连施3年后,土壤革兰氏阴性菌(G^(-))PLFAs含量提高23%,革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌值(G^(+)/G^(-))因而降低29%;连施7年后,总PLFAs、细菌、革兰氏阳性菌(G^(+))和放线菌PLFAs含量分别提高16%、13%、28%和38%,腐生真菌PLFAs含量降低19%,而G^(-)菌PLFAs含量、G^(+)/G^(-)均与对照无显著差异。石灰连施3年后,土壤微生物类群PLFAs含量平均降低30%,连施7年后,平均降幅增至36%。有机肥施用3年后,土壤脲酶活性提高了29%;施用7年后,土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性分别显著提高了63%、82%和39%。连施石灰3年,脲酶活性显著提高25%,连续施用7年则显著降低39%,对其他酶活性无显著影响。有机肥连施3、7年,土壤通气孔隙度分别增加了14%、33%,有机质总量分别增加了12%、7%,3个活性有机碳组分平均分别提高29%、69%;pH和碱解氮、有效磷、速效钾含量无显著变化;连续施用石灰3、7年,土壤pH分别提高0.6、0.6个单位,而通气孔隙度分别显著降低了47%、28%,总有机质和易氧化有机碳含量无显著变化,细颗粒有机碳含量分别提高了24%、9%,粗颗粒有机碳含量分别提高了100%、21%,施用石灰3年对速效养分含量无显著影响,施用石灰7年土壤碱解氮含量显著降低而有效磷含量显著增加。土壤物理、化学、生物学指标对连续施用有机肥的响应比值以正值为主,对连续施用石灰的响应比值以负值为主,土壤生物、化学指标对连续施用有机肥7年的响应比值较3年趋向更高正值,而对施用石灰趋向更高负值,达到17%~149%。结构方程分析结果表明,连续施用有机肥主要通过增加粗颗粒有机碳含量提升土壤易氧化有机碳,提升微生物总PLFAs含量和脲酶活性,而随着石灰累积用量的增加,降低土壤通气孔隙度、粗颗粒有机碳和碱解氮含量,降低土壤微生物总PLFAs、脲酶活性。【结论】长期连续施用有机肥可持续改善土壤通气性,增加有机质积累,提高土壤物理、化学和生物学性质,短期施用石灰有利于改善土壤物理、化学和生物学性状,但长期连续施用则降低石灰的正向效果。粗颗粒有机碳对土壤生物和化学性状响应有机肥、石灰连续施用的影响最为关键,具有预测土壤健康的潜能。

连续流动-钼酸铵分光光度法测定土壤全磷

利用硫酸-高氯酸湿法消解土壤,采用连续流动分析仪直接测定消解液磷酸根含量,建立了高通量测定土壤全磷的实验方法。方法检测限6.0 mg·kg^(-1),土壤样品的加标回收率为85%~100%。将该方法用于土壤标准物质(GBW07405、GBW07406a)全磷含量测定,结果准确,相对标准偏差(RSD)分别为3.5%、4.5%(n=3)。方法具备无需调节待测液pH值、分析速度快、消耗试剂少、结果准确可靠等优点,适用于大批量土壤全磷的测定分析。

土壤碳氮磷和酶化学计量特征对原始林转换的响应

为了解区域典型农林用地土壤碳、氮、磷、胞外酶生态化学计量特征,采用时空代换法研究湘西北本底一致、土地利用史清晰的常绿阔叶原始林及其转换而来的人工林地、果园、坡耕地和水田0~40 cm土层中有机碳含量、全氮含量、全磷含量、胞外酶活性、计量比值及其与活性碳、氮、磷组分的关系。结果表明,与原始林相比,果园和坡耕地土壤有机碳、全氮、全磷含量的降幅(40%~79%)较高,且深层土壤(20~40 cm)和表土(0~20 cm)的降幅类似,表明原始林转换为果园、坡耕地不利于深层土壤有机碳和养分的保存。果园、坡耕地、水田和原始林土壤碳、氮、磷含量的比值无显著差异。杉木人工林土壤碳、氮、磷含量比值较原始林高60%~124%,说明人工林土壤存在较强的氮、磷素共同限制作用。与原始林相比,土地利用方式转换后,土壤胞外酶活性降低18%~64%;果园和坡耕地表土碳磷获取酶计量比(E_(C/P))也显著降低,而深层土壤E_(C/P)显著升高。土壤中碳含量、氮含量、磷含量、酶活性及其计量比值与活性碳、氮、磷组分含量显著相关。原始林转换导致表土和深层土壤中的碳含量、氮含量、磷含量、胞外酶活性大幅下降,微生物底物有效性降低,表明土壤质量/健康退化。土壤碳、氮、磷含量计量比和酶计量比值对原始林转换的响应较弱,对土壤健康的指示作用有待进一步探索。

酸紫泥田连续5年单施碱性物料提升土壤有机碳活性

碱性物料连续施用对土壤有机碳库活性的影响仍有较大不确定性。选取了湖南省东部双季稻传统产区典型的酸紫泥田,应用大田成对比较试验,研究了有机、无机碱性物料(商品有机肥、生石灰、硅钙镁土壤调理剂)连续单施5年后,0~15 cm表土活性有机碳组分含量、胞外酶活性及其与土壤养分的关系。与对照相比,连续单施碱性物料处理,土壤粗颗粒有机碳(cPOC)、细颗粒有机碳(fPOC)和轻组有机碳(LFOC)含量分别提高57%~136%、27%~77%和51%~60%,也提高了土壤活性有机碳组分占总有机碳的比例(P<0.05)。连续单施石灰、土壤调理剂,土壤中较稳定的钙键合态有机碳含量分别显著提高22%和34%,但连续单施有机肥,土壤β-葡萄糖苷酶(βG)、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性均显著降低约20%。土壤活性有机碳含量与总有机碳、速效养分含量显著相关。碱性物料连年施用提高了酸性水稻土有机碳水平和活性,有利于土壤碳吸存。水稻土POC和LFOC组分含量对碱性物料投入的响应敏感,可有效地指示水稻土有机碳库的早期变化。

湘西北土壤物理健康对土地利用转换的响应

[目的]揭示原始林转换为其他土地利用方式对土壤物理健康的影响,以期为中亚热带山区土地资源合理开发利用提供科学依据。[方法]选取湘西北典型原始林及其转换而来的人工林、园地、坡耕地和水田表土作为研究对象,通过野外调查采样和室内分析,研究了主要土壤物理特性对原始林转换的响应规律。[结果](1)原始林转换为园地、耕地,土壤砂粒含量增加,颗粒组成呈粗骨化趋势。原始林转换为果园、坡耕地,表土明显压实,容重和紧实度分别增加24%~28%和27%~76%(p<0.05)。(2)与原始林相比,果园、坡耕地和水田土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量分别降低15%~30%,15%~32%和13%~21%;土壤大团聚体含量、平均重量直径、几何平均直径和团聚体稳定性指数也分别降低34%~59%,27%~52%,36%~73%和49%~61%,分形维数增加31%~80%(p<0.05),小团聚体、微团聚体和粉-黏颗粒含量也呈增加趋势。[结论]原始林转换导致土壤持水能力下降、结构劣化和物理健康退化。原始林转换为杉木人工林,土壤物理指标响应敏感性一般低于原始林转为园地、耕地,相对有利于保持水土和维持土壤物理健康。土壤团聚体稳定性指数响应敏感、测试简单且成本低,推荐应用于土壤健康评价。

湘西北天然林转换对土壤活性有机碳与酶活性的影响

[目的]了解土壤活性有机碳(SOC)组分和酶活性对天然林转换的响应,为预测区域土壤健康演变和环境变迁提供科学依据。[方法]选取本底一致,利用历史清晰的天然常绿阔叶林以及由此转变而来的针叶人工林、果园、坡耕地和水田,应用物理、化学和生物化学分析技术,研究表土活性有机碳组分和酶活性对天然林转换的响应规律与差异。[结果]天然林改为果园、坡耕地和水田后显著降低土壤有机碳、活性有机碳含量和酶活性,降幅分别为42%~67%,47%~88%和36%~89%。其中,以易氧化有机碳、微生物生物量碳含量和蔗糖酶活性的敏感性相对高于SOC敏感性,敏感地指示土壤有机碳库及活性的降低,易氧化有机碳更适宜推广应用。天然林改为人工林,土壤活性有机碳、酶活性的敏感性一般低于天然林改为果园、坡耕地,相对有利于土壤中活性有机碳库的保存。活性有机碳占总有机碳的比例由天然林改为人工林后显著降低,敏感地指示土壤碳库质量的下降。[结论]天然林转换不仅导致土壤活性有机碳数量大幅减少,有机碳库的质量下降,与之相关的酶活性也降低;土壤有机碳的活性和酶活性的降低,指示天然林转换后土壤生物健康/质量的退化。

双季稻酸紫泥田土壤健康对连续单施有机肥、石灰的响应

【目的】为明确双季稻酸紫泥田土壤健康对连续单施有机肥、石灰的响应规律,验证不同土壤健康评价方法在水稻土健康评价中的适应性、敏感性及筛选敏感指示指标。【方法】选取长江中下游植稻区双季稻酸紫泥田作为研究对象,基于配对试验设计的原则,设置对照和处理田块,研究连续6年单施有机肥、石灰后,土壤物理、化学、生物学共24项指标的变化规律,应用康奈尔土壤健康评价(CASH)、Haney土壤健康测试(HSHT)及主成分分析结合最小数据集(MDS),构建综合土壤健康指数,评估土壤健康的响应差异。【结果】与对照相比,单施有机肥的土壤容重、紧实度、微团聚体(<0.25 mm)含量分别显著下降14%、25%和32%,0.5—1 mm团聚体、铵态氮、活性有机碳、水溶性有机碳和氮、土壤呼吸与柠檬酸盐可浸提蛋白含量分别显著上升100%、37%、54%、21%、44%、59%和8%,最小数据集(MDS)、康奈尔土壤健康(CASH)、2015、2018及Ward实验室(SHS)版本的Haney土壤健康测试(HSHT)指数,分别显著提高75%、20%、42%、95%和55%(P<0.05);与对照相比,连续石灰处理土壤的紧实度、微团聚体、水溶性有机氮和pH分别显著上升44%、22%、61%和0.57个单位,但0.5—1 mm团聚体、有效态锌含量和土壤呼吸分别显著下降39%、14%和52%,MDS、CASH和SHS HSHT指数分别显著下降59%、15%和47%(P<0.05)。【结论】连续6年单施有机肥和石灰后,总体上对双季稻酸紫泥田的土壤健康分别产生了正面和负面作用。土壤健康指数无法反映本试验土壤的总镉累积量及其有效性的变化,镉超标水稻土健康评价方法仍有待开发。

土壤健康的评价方法及应用

健康的土壤是作物生长、绿色农业和文明永续发展的基础,合理评价土壤健康也是精准农业和再生农业的必然要求。当前,针对土壤健康评价及敏感指标的筛选,已有大量研究;但不同土壤健康评价方法的适用性及其优劣仍不明晰,如何敏感而准确地评估土壤健康状况亟待解决。本文在厘清土壤质量和土壤健康内涵的基础上,评述了国内外主流土壤健康评价方法的指标体系、优缺点、应用状况及局限性,从重视高强度人为利用土壤(水稻土、城市绿地、矿山开采地和保护地土壤)健康状况评价,加强开发和优化基于土壤生物学指标的土壤健康评价工具和开发适应不同空间尺度的土壤健康评价工具三个方面进行了展望。

磷肥施用对土壤呼吸及其组分影响的研究进展

土壤磷肥大量输入,增加土壤磷有效性,将显著影响陆地生态系统碳循环过程。土壤呼吸作为碳循环过程中的关键组分在全球碳平衡和气候变暖中扮演重要的角色,其对磷肥响应模式及机制是当前生态学研究领域的热点问题。综述了土壤呼吸及其组分对磷肥的响应,发现磷肥对土壤呼吸及其组分的影响表现为增加、降低和无影响,且因生态系统类型、施磷量、施磷时长不同而不同。磷肥主要通过改变土壤pH、可溶性有机碳、植物生产力、凋落物、微生物群落组成等影响土壤呼吸的环境因子,直接或间接影响土壤呼吸及其组分。未来应重点关注施磷对土壤呼吸组分的影响及微生物学作用机制,同时开展土壤呼吸组分对磷肥介导的多种环境因子变化的响应研究,为全面认识磷肥对全球碳平衡的调控提供理论参考。

外源磷在2种母质发育米槠林土壤中的分配及影响因素

了解外源磷在不同母质森林土壤中的转化特性,对合理施肥和森林生态系统可持续发展和经营具有重要意义。分别以砂岩和花岗岩发育米槠林土壤为研究对象,通过添加NaH_(2)PO_(4)的室内培养实验,测定磷添加后土壤磷组分变化特征,旨在探究外源磷在亚热带不同母质森林土壤中磷转化特性,并通过建立磷组分变化量与土壤理化性质、土壤质地等的关联性,明确影响外源磷转化的驱动因子。结果显示:磷添加后,砂岩和花岗岩发育土壤中不同活性无机磷组分的含量显著增加,但变化幅度不同,顺序依次为NaOH-Pi>Resin-Pi>NaHCO_(3)-Pi;磷添加后砂岩发育米槠林土壤不同活性有机磷组分含量均增加,而花岗岩米槠林土壤各有机磷含量则显著降低;磷添加后,砂岩和花岗岩发育土壤酸性磷酸酶活性均显著降低,微生物量磷则显著增加。冗余分析(RDA)表明,游离铁含量、阳离子交换量和土壤质地是影响外源磷在土壤不同磷组分转化的关键因子。研究结果有助于了解外源磷在土壤不同磷组分中的分配特征,有望为中亚热带森林土壤合理施磷肥提供理论依据。

莽山土壤发生学属性的垂直分异与系统分类

[目的]弄清亚热带地区花岗岩中山土壤发生学属性与土壤类型的垂直地带性分布规律。[方法]选取莽山不同海拔带的8个典型单个土体,野外观测土壤剖面形态,室内测定土壤理化性质,划分土壤类型,在地理发生分类、中国土壤系统分类和国际土壤系统分类之间进行参比。[结果]土体厚度介于18~180 cm,以山体中部最为浅薄。质地主要为砂质壤土和砂质黏壤土,黏粒含量随海拔升高而降低;山体上部(>1000 m)土壤B层有腐殖质、黏粒胶膜和黏粒累积形成的黏化层。土壤有机碳和CEC值随海拔升高而升高,但腐殖质层浅薄,多为淡薄表层。这些土壤指标呈垂直地带性,反映了花岗岩中山土壤发生学特性。供试剖面土壤呈酸性,铝饱和度和铁游离度较高,铁质特性与铝质现象普遍,CEC为9.7~29.1 cmol(+)kg^(-1),一些土壤发生学属性指标(土壤色调、pH、铁游离度、铝饱和度)无明显垂直地带性。中国土壤系统分类划分出富铁土、淋溶土、雏形土和新成土4个土纲、5个亚纲、6个土类、8个亚类、8个土族和8个土系。[结论]土纲垂直带谱为雏形土、富铁土(400~700 m)—雏形土、新成土(700~1200 m)—雏形土、淋溶土(1200~1800 m),呈组合、跨带地域分布规律。与土壤地理发生分类相比,土壤系统分类侧重体现更多土壤发生学属性指标,同一海拔带内划分出了更多土壤类型,反映土壤多样性。

中亚热带不同母质发育森林土壤磷组分特征及其影响因素

本研究以福建三明砂岩和花岗岩发育的米槠林土壤和杉木林土壤为对象,分析土壤磷组分、铁铝氧化物、微生物生物量以及磷酸酶活性等指标,研究母质和森林类型对土壤磷组分的影响程度和机制。结果表明:母质和森林类型显著影响土壤不同磷组分含量。总体上,砂岩发育土壤全磷含量、活性无机/有机磷、中等活性无机/有机磷以及惰性磷含量均显著高于花岗岩发育土壤,并且砂岩发育米槠林土壤活性有机磷含量、中等活性无机/有机磷以及惰性磷含量显著高于砂岩发育杉木林土壤,而花岗岩发育米槠林与杉木林土壤磷组分的含量差异不显著。花岗岩发育的2种森林土壤酸性磷酸酶(ACP)活性显著高于砂岩,而砂岩发育米槠林土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量磷(MBP)显著高于砂岩发育杉木林土壤。土壤不同磷组分的含量与土壤不同形态铁铝氧化物含量、MBP、MBC呈显著正相关,而与土壤pH、ACP呈显著负相关,表明土壤母质和森林类型可能主要通过土壤铁铝氧化物赋存形态、ACP、MBP等生物及非生物因子影响中亚热带森林土壤磷组分分配特征。

双季稻田土壤微生物群落对连续5年施有机肥和石灰的响应差异

【目的】土壤微生物是土壤健康的敏感“指示器”,但不同的土壤微生物类群对连续施用有机肥和石灰的响应规律及不同指标的敏感性仍不明确。【方法】本文选取中亚热带双季稻区的紫泥田作为研究对象,研究连续5年施用有机肥或石灰后,土壤微生物“黑箱指标”(微生物生物量碳氮、微生物熵和土壤呼吸速率)和土壤活体微生物(PLFAs)组成的响应规律与差异。【结果】与对照相比,连续施用有机肥后,土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量和土壤呼吸速率分别提高37%、28%和44%~59%,微生物多样性也显著提高,土壤细菌结构发生改变,尤其是革兰氏阴性菌(G−)的PLFAs绝对量提高了100%,但真菌类群的响应不敏感。相反,连续施用石灰5年后,土壤微生物生物量碳、氮含量均呈下降趋势,微生物熵和土壤呼吸速率分别降低11%和26%~52%,微生物多样性显著降低,细菌、放线菌和绝大多数真菌类群PLFAs绝对量下降30%~58%。相关性分析结果表明,土壤有机质含量与土壤微生物总PLFAs和细菌PLFAs含量呈显著正相关关系;而土壤pH仅与Simpson多样性指数呈显著正相关关系。施有机肥显著提高了土壤有机质含量进而导致细菌MBC、MBN、G−和土壤呼吸速率显著增加;而施石灰后土壤微生物群落结构及活性降低与土壤pH有关。【结论】连续5年施用有机肥、石灰后,土壤微生物指标分别表现为正面、负面响应。与“黑箱指标”相比,某些特定微生物类群(如G−)的敏感性指数值更高,在土壤健康评价中极具应用潜力。

亚热带砂岩发育森林土壤酚氧化酶活性测定方法优化

酚氧化酶在土壤有机质降解过程中起重要作用,然而,目前用于测定土壤酚氧化酶活性的方法尚未统一。本研究以亚热带地区砂岩发育的3种不同林分的森林土壤为对象,探讨底物类型、pH值、土壤储存条件、储存时间、底物浓度、水土比、培养时间和温度对土壤酚氧化酶活性的影响,以期建立统一、可比较的测定亚热带森林土壤酚氧化酶活性的方法。结果表明:浸提液pH值显著影响土壤酚氧化酶活性,且与目前普遍使用的左旋多巴胺(L-DOPA)相比,2,2′-联氨-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)-二胺盐(ABTS)所测得的氧化酶活性更高、适用pH值范围更广,说明ABTS可能更适合作为测定亚热带森林酸性土壤酚氧化酶活性的底物。储存方式显著影响酚氧化酶活性,3种供试土壤样品酚氧化酶活性均随时间呈降低的趋势,降幅表现为风干>4℃冷藏>-20℃冷冻>-80℃冷冻,表明在无法保证快速测定土壤酚氧化酶活性的情况下,冷冻保存方式更有利于维持土壤酚氧化酶活性。底物浓度、水土比以及培养时间和温度均影响土壤酚氧化酶活性。当土壤样品与浸提液比例为1∶100时,选择2 mmol·L^(-1)浓度的ABTS为底物,在25~30℃下培养4 h,测定酚氧化酶活性结果重复性好、灵敏度高,是测定亚热带森林酸性土壤酚氧化酶活性的最优条件。