三种生物质热解醋液矿物质和有机质组成及其辣椒叶面喷施效应

为了解生物质热解醋液的无机与有机组成特点及其叶面喷施对蔬菜生长和品质的影响,探讨其组成及作物效应变化与不同原料和热解工艺的潜在联系。本研究选择苹果枝条、玉米秸秆和稻壳等三种农业废弃物炭化工程的热解醋液,分析其基本物质组成性质及可溶性有机质(DOM)含量,并采用提取-浓缩-GC-MS分析法研究供试醋液主要有机分子组成,继而以其为载体分别配制叶面液体肥料,进行辣椒田间试验。设置对照(清水,CK)、市售常规液体肥料(WSF)、稻壳醋液炭基液体肥料(RF)、玉米秸秆醋液炭基液体肥料(CF)和苹果枝条醋液炭基液体肥料(AF)5个喷施处理,采集成熟辣椒测定植株生长和品质指标。结果表明:三种热解醋液的DOM均以有机酸、酚类物质为主,同时含有少量酮类、醛类和酯类等物质。其中,苹果枝条醋液含有机酸量最大,稻壳醋液含酚类最多。不同液体肥料喷施处理均能促进辣椒生长和改善辣椒品质,其中AF处理效果最优,其次是CF、RF和WSF处理。与CK相比,不同液体肥喷施辣椒平均增产在35%以上,AF处理增产达62%;AF显著提高了辣椒坐果数、叶面积和SPAD值,增幅分别为54.73%、26.99%和19.67%;各处理下辣椒果长、果径均显著增加,AF处理下增幅均在25%以上。不同液体肥料喷施均显著增加了辣椒可溶性糖和辣椒素含量(平均增幅约20%),并提高了可溶性蛋白含量(增幅约5%);AF处理下辣椒可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C、辣椒素和干物质等品质指标提升幅度在6%~30%之间。研究表明,热解醋液液体肥对辣椒的增产提质效应与热解醋液中微量矿质元素有关,也与小分子有机酸和抗氧化酚类物质含量有关,其分子过程和分子机理仍需要进一步研究。

施用蚓粪对滨海盐碱地土壤有机碳库及其稳定性的影响

为探讨施用蚯蚓粪后滨海盐碱地土壤有机碳库及其稳定性的变化,选择江苏省南通市如东县栟茶镇方凌垦区的滨海盐碱地,于2019年10月将蚯蚓粪以0、25、50、100、200 t/hm^(2)施用量一次性施于田间,2022年10月采集耕层(0~20 cm)土壤样品,测定其可溶性有机碳、钙结合有机碳、易氧化有机碳、颗粒态及矿物结合态有机碳的含量,计算碳库管理指数,并采用固体核磁共振波谱分析土壤有机碳的官能团结构。结果表明:与不施用蚯蚓粪相比,施用超过50 t/hm^(2)的蚯蚓粪后,土壤有机碳库变化显著,土壤有机碳含量增加了35%~97%,可溶性有机碳含量增加了27%~104%,钙结合有机碳含量增加了19%~26%,易氧化有机碳含量增加了6%~94%,颗粒态和矿物结合态有机碳分别增加了14%~124%和37%~85%,土壤碳库管理指数提高了6%~92%;土壤中脂肪族碳与芳香族碳的比值减小,烷基碳/O-烷基碳以及疏水碳/亲水碳的比值增大,表明土壤有机碳的结构稳定性有所提升。综上,施用蚯蚓粪对提高滨海盐碱地土壤有机碳库及其稳定性具有显著作用,且在50和100 t/hm^(2)施用量下效果最佳。

思政与科研融入土壤肥料学教学的改革探索

为在土壤肥料学课程中实现思政、教学和科研的有机融合,以提升“三全育人”效果,需采取一系列创新性的改革措施。首先,要加强思政元素的融入,培养学生高尚的思想品德。其次,建立高质量课程思政案例库,优化思想引导和教育。此外,整合最新的相关科研成果和前沿科技,确保学生紧跟行业趋势,培养实践能力和创新意识。同时,变革考核评价模式,激发学生学习兴趣,培养创新思维和实践能力。这些改革实践的核心在于促进思政、教学和科研的有机融合、相互支持。这种培养模式更符合国家对新时代农林学科人才的需求,通过实现土壤肥料学思政育人的目标,为社会可持续发展培养专业素养全面、思想道德良好的人才作出积极贡献。

不同形态秸秆还田下乌栅土耕层土壤有机质含量与组成变化

【目的】基于田间试验,探讨不同形态秸秆还于稻田后耕层土壤有机质含量及其分子组成的动态变化,为秸秆资源化利用和稻田土壤固碳提供依据。【方法】选择江苏省常熟市某村的乌栅土稻田,选用新鲜未处理(CS)、过腹处理(CM)和炭化处理(CB)的玉米秸秆,于2015年6月以等碳量(10 t C·hm^(-2))一次性还田,并以未还田处理作为对照(CK),分别于2015、2017和2019年水稻收获时采集耕层(0—15 cm)土样测定有机碳含量,并采用13C同位素丰度和生物标志物提取-GC/MS鉴定探析有机质组成变化。【结果】与CK相比,还田当年和2年后所有还田处理都显著提高了耕层土壤有机碳含量(8%—36%),但还田4年后,仅CB处理有机碳含量显著增加(24%),且增加的碳来源于施入的生物质炭。还田2年后,CS和CM处理土壤有机质中木质素酚丰度达到峰值,分别比CK增加了115%和66%;还田4年后,所有还田处理的植物源脂类的丰度均显著提高,相应地,植物源与微生物源脂类的丰度比(PL/ML)和生物标志物组分的多样性指数(H’)也显著提升。【结论】分子组成的变化可以用来判明不同形式秸秆还田下土壤有机质质量的变化;秸秆炭化还田比直接还田和过腹还田有利于稻田土壤固碳,且增强了植物源有机组分在土壤中的持留,提升了土壤有机质的分子多样性。

土壤有机质与土壤固碳

全球地表以下至1米深的土层储存碳约25000亿吨(15500亿吨有机碳和9500亿吨的无机碳)^([1])。其中有机碳库为大气碳库(7500亿吨)的2倍,接近陆地植被生物量碳的1.8倍。土壤有机碳库是地球表层系统中最大、最具有活性的生态系统碳库,其微小变化将对大气二氧化碳浓度产生巨大影响,据统计,全球每年因土壤呼吸(包括土壤生物呼吸和土壤中植物根系呼吸)释放的二氧化碳为500亿〜760亿吨.

乡村小流域不同土壤景观表土有机质团聚体分布与分子组成变化

【目的】探讨丘陵山区乡村不同土壤景观表土有机质积累的团聚体分布及其化学组成的变化,为认识自然条件和人为利用下土壤有机质的空间变化特点提供新视角。【方法】选取江苏省南京市溧水区芳山小流域内保护林地、园地、旱地和稻田等景观样地,采集0—20 cm土壤样品,分析有机碳(SOC)总量。将土壤样品通过湿筛法分出宏团聚体(2000~250μm)、微团聚体(250~53μm)和粉黏粒(<53μm) 3个粒径组,测定其中有机碳含量,计算土壤中各团聚体结合态碳的比例。再者,对土壤样品依次进行总溶剂(TSE)提取,碱水解(BHY)提取和氧化铜氧化(CUO)提取,分别主要得到游离脂、结合态脂和木质素酚,采用气相色谱–质谱联用仪(GCMS)测定各组分中生物标志物有机分子丰度,计算分子多样性指数。【结果】与林地相比,园地、旱地和稻田表土本体有机碳含量分别降低70%、57%和51%,其中宏团聚体结合有机碳的含量分别降低了85%、81%和71%,微团聚体结合有机碳分别降低了74%、79%和67%,粉黏粒结合有机碳则分别降低了48%、18%和3%。表土中提取得到游离态脂类、结合态脂类和木质素酚类的有机分子丰度分别介于2.24~6.74、4.81~14.87和3.51~6.16 mg/g SOC;不同土壤景观间,这些提取态生物标志物分子丰度的变化趋势均表现为林地>稻田>园地>旱地。而木质素酚类丰度表现为林地和稻田相近。相对于林地,园地、旱地和稻田的脂肪酸丰度、烷醇、甾类及萜类等生物标志物分子丰度显著降低,但烷烃分子丰度明显增加,同时微生物来源有机质对土壤有机质的贡献提高;林地及园地土壤中结合态脂类组分以羟基酸丰度较高,而旱地和稻田则以烷酸为主。通过计算的生物标志物分子多样性指数的变化,发现游离态脂类和结合态脂类是林地和稻田高于旱地和园地,而木质素酚是稻田高于旱地,旱地又高于园地和林地。【结论】自然林地和农用地土壤的有机碳含量和团聚体结构具有较大差异,在提取态有机分子的组成上也具有不同的组成特征。林地土壤有机碳含量高,宏团聚体、微团聚体和粉黏粒比例均衡,有机碳的团聚体分配也均衡,而且有机质主要以植物源有机碳为主,具有碳链长、分子多样性高等特点。因之,稳定性也高。相反,园地、旱地的有机碳总量低,宏团聚体和微团聚体趋于分解,团聚体结合态有机碳显著减少,而且结合态和游离态脂类有机分子的多样性均显著降低,微生物来源有机碳对土壤有机碳的贡献更高。而稻田土壤有机碳和分子多样性均高于旱地及园地。因此,合理的土壤管理特别是有机物料的投入是提高农地土壤健康程度的重要途径。

土坷垃与泥疙瘩:如何认识和表征土壤团聚体生物物理结构?

近20年来土壤团聚体的研究逐渐成为土壤学研究的主要方向,其理论和方法不断推陈出新。通过回顾土壤团聚体形成发育的基本理论沿革,梳理了土壤团聚体粒径分组、组分分析和结构表征的技术沿革,讨论和归纳了土壤团聚体分离制备和生物物理结构解剖分析的技术方法,并凝练了对土壤团聚体系统的本质科学认识。得到的主要认识包括:(1)土壤团聚体是土壤中矿物质、有机质和生物质相互作用构成的最小微域构造单元,应赋予功能性土壤颗粒的本质地位;(2)土壤中不同层级团聚体的不同微域分布格式是土壤异质性和功能多样性的原由;(3)土壤团聚体的最终本质是土壤(生物)动态孔隙系统,不同层级团聚体在总孔度、孔径及其堆砌构造上或者说团聚体-孔隙的偶联构造上具有固有的特征;(4)主要可从宏团聚体-微团聚体-(未团聚的)粉黏粒3个层级的组合关系来表征土壤团聚体系统,可用“石榴”模式来理解粉黏粒和微团聚体进一步发育为宏团聚体;(5)在团聚体分离制备方法中,尽管干筛法和润筛法对于干土样本应用较多,但湿筛法制备的样品更接近于团聚体的自然形成和稳定;(6)计算机断层扫描孔隙微形貌技术提供了刻画团聚体孔隙系统并与土壤生命过程和生态系统服务相联系的定量化和可视化技术途径。未来需要通过广泛国际合作发展全球土壤团聚体系统的定量化解剖、功能化分析和可视化呈现的通用方法和实验室操作规范,以便从团聚体系统层面解构土壤复杂系统,特别是生物多样性系统,为开发基于团聚体理论的全球土壤管理政策及技术路径提供科学依据和参考。

土坷垃与泥圪塔:认识和表征土壤团聚体系统的生态系统功能及服务

土壤生态系统功能与服务是土壤支撑地球环境和全球社会可持续发展的基石。土壤团聚体系统是土壤形成的物质基础,也是土壤和这些生态系统功能与服务的物质支撑。通过总结土壤有机碳积累和稳定、生物多样性保持及土壤酶活性与微域生物地球化学过程调控等关键生态系统功能和服务,探讨了它们与土壤团聚体系统发育的关系,特别是对团聚体性质及功能的测试方法及数据处理方法进行了详细梳理,并对这些方法如何促进人们对土壤团聚体系统的科学认识进行了总结。着重分析讨论了土壤团聚体系统作为多样化微域空间对土壤固碳、生物多样性和酶活性的调节或控制机制,强调了团聚体颗粒—孔隙系统的多样性与这些功能和服务的多样化提供的关系,提出团聚体系统的多样性是理解和诠释土壤对于生态系统多样性发育及其可持续服务的重要视角。同时,通过案例研究的数据挖掘和分析提出了改进的试验分析数据表达方法,以便客观反映土壤团聚体系统在土壤功能和服务中的基础作用,以及人类管理活动对这些功能和服务的改善和提升作用,以此指导土壤的可持续管理。最后,讨论了土壤团聚体系统研究在土壤与环境可持续发展关系研究中的重要性,建议将土壤团聚体系统视作土壤最基础的功能单元,而不仅仅是野外(田间)活动的直接受体。总之,土壤团聚体系统在地球生物地球化学循环和土壤健康中扮演着关键角色,因而需要对其进行长期且深入的系统研究,并建立全球统一的土壤团聚体系统生态过程、功能的分析和表征方法框架。现代土壤学的发展以促进土壤健康和推动可持续发展为目标,其核心基础在于对土壤团聚体系统的深入研究和理解。

从土壤腐殖质分组到分子有机质组学认识土壤有机质本质

梳理了与土壤生态系统功能相联系的,特别是对固碳减排的土壤有机质本质认识的研究进展及路径,探讨了经典腐殖质学说存在的问题,概述了新近的有机质保护稳定学说及腐殖质组学学说,并追溯了生物标志物有机质分子研究,最后从土壤学的基本理念和理论出发讨论和重新认识土壤有机质的本质及其价值。从形成条件、分离条件和分子鉴定等多方面分析,土壤腐殖质形成和稳定学说越来越显示出局限性;而面向气候变化的碳固定研究可以深入探析土壤有机质的复杂存在状态。越来越认识到土壤有机质是投入土壤的有机物质经不同程度生物利用或降解的产物残留,只是被土壤不同程度地区隔和封闭,本质上仍是分子量变化极大的生命源有机物的集合。因此,可通过生物标志物分子作为靶标在土壤中提取和识别,该技术的发展将孕育萌生土壤有机质分子组学。后者可以用于判读土壤有机质的结构支撑、反应活性和促生功能等方面的本质差别,这些差别可能是由有机分子组成结构及存在状态所决定而不是由有机分子稳定性决定的。从这个概念出发,类似于土壤微生物分子生态,土壤有机质的丰度、组成、结构与功能间的联系可能是土壤有机质本质的核心问题。对这种关系的量化和参数化表征可用以探索土壤有机质永续固定,且可以保持生命活性的土壤有机质的管理策略及技术,并配合土壤的团聚体理论诠释土壤的本质和生态系统功能服务,这将是未来土壤学服务人类可持续发展的理论立足点。