都市圈“土壤-饲料-动物”系统养分流动与环境效应——以北京市为例

【目的】随着中国城市化进程的加快和经济的快速发展,人们对食品的需求和饮食结构发生了明显变化。城郊农牧生产的集约化发展在满足人们日益增长的对动物性产品和高品质植物性产品需求的同时,也带来了严重的资源浪费和环境污染问题。论文通过分析都市圈"土壤-饲料-动物"体系养分流动和环境排放特征,为养分资源综合管理、促进农牧结合和保护生态环境等提供科学建议。【方法】通过对北京市生猪(92个)、奶牛(28个)、肉牛(11个)、蛋鸡(27个)、肉鸡(26个)和肉鸭(16)共计200个农场的生产管理、饲料来源和投入、粪尿管理、还田利用的调研,总结出北京市农牧生产不同规模体系的特征参数,结合食物链养分流动模型(nutrient flows in food chains,environment and resources,NUFER)、北京市历史统计数据和文献参数数据对北京市都市圈农牧系统的氮磷流动、养分利用率和环境损失进行综合评价。对1980年与2013年农牧生产体系养分流动特征、利用率和环境排放特征的时空变化进行比较分析。【结果】从"土壤-饲料-动物"体系氮磷流动特征分析结果可以看出,体系中氮磷的投入和输出结构发生了较大变化。2013年,"土壤-饲料-动物"体系中进口主产物饲料氮磷投入是主要的养分来源,而1980年进口副产品饲料是主要的氮磷投入源。2013年氮磷损失为主要的输出项,而1980年氮磷还田为主要的输出项。这就说明随着城市化的发展和农牧系统的规模化,越来越多的外来养分在都市农牧系统中集中,从而带来了更大比例的环境损失输出。2013年,农牧生产体系氮素利用率NUEC+A为29.0%,与1980年相似。其中2013年农牧生产体系中的作物生产体系氮素养分利用率NUEC为33.0%,低于1980年的39.5%,而2013年动物生产体系NUEA为20.6%,高于1980年的17.8%。环境损失特征分析结果显示,单位面积氮磷损失和损失途径均发生了较大变化。2013年,每公顷耕地面积氮素和磷素总损失分别为436.5和37.5 kg·hm^(-2),而1980年的氮素和磷素损失分别为77.5和3.2 kg·hm^(-2),2013年单位耕地面积的氮素和磷素损失量较1980年分别增加了4.6倍和10.7倍。2013年氮素气体损失占氮素总损失的比例最大,为61.1%,其次为直接排放,为31.3%,淋溶径流损失比例最小,为7.6%。与1980年相比,气体损失比例明显降低,而无序排放比例明显增加,超过淋溶径流成为第二大损失途径。2013年磷素直接排放损失比例超过淋溶径流成为最主要的排放途径。同时,北京市"土壤-饲料-动物"体系环境氮磷损失在城郊区域迅速增加,而在城市中心区域迅速减少。【结论】1980—2013年间,北京市"土壤-饲料-动物"系统氮磷流动特征和环境排放时空分布发生了很大变化。这些变化与种养结构的变化、养殖规模和方式以及环保政策密切相关。

微纳米塑料在土壤-植物系统中的迁移机制及毒性效应研究进展

微塑料是指粒径小于5 mm的塑料碎屑和颗粒,其中粒径小于100 nm为纳米塑料。微纳米塑料作为一种新型污染物,具有难以降解、容易发生积累和可长距离迁移等特点,进而对生态环境产生影响。但是,与其他环境中的微纳米塑料相比,人们对土壤环境中的微纳米塑料的认识与了解还比较少。所以,本文详细阐明了微纳米塑料在土壤环境中的生物和非生物迁移过程与机制,系统总结了微纳米塑料从土壤到植物的转运过程,并探讨了微纳米塑料对植物种子萌发和根系发育产生的直接毒性效应,通过改变土壤理化性质和吸附重金属、有机污染物进而成为污染物传输载体而对植物产生的间接毒性作用。最后,提出了土壤-植物系统中微纳米塑料污染目前还需要进一步研究和处理的问题。本文可为土壤-植物系统中微纳米塑料污染的生态风险评估提供科学参考。

氮负荷增强对闽江口短叶茳芏湿地植物-土壤系统氮累积与分配的影响

选择闽江河口短叶茳芏(Cyperus malaccensis)湿地为研究对象,基于野外氮负荷增强模拟实验,探讨了不同氮负荷水平下(NNT对照处理,0 g N m^(-2)a^(-1);LNT低氮处理,12.5 g N m^(-2)a^(-1);MNT中氮处理,25.0 g N m^(-2)a^(-1);HNT高氮处理,75.0 g N m^(-2)a^(-1))湿地植物-土壤系统的氮累积与分配特征。结果表明,不同氮负荷处理下湿地土壤(TN)、NH+4-N和NO-3-N含量均发生了明显改变。相较于NNT,LNT和MNT的TN、NH+4-N和NO-3-N含量均明显增加,增幅分别为9.44%、3.57%、11.99%(LNT)和6.71%、9.37%、46.50%(MNT)。与之不同,HNT的TN含量相比NNT增幅不大,而其NH+4-N、NO-3-N含量均显著降低,降幅分别为9.26%和40.77%。不同氮负荷处理下土壤氮含量的垂直分布特征亦发生了明显变化。除HNT外,LNT和MNT的TN、NH+4-N和NO-3-N含量均以表层土壤最高。不同氮负荷处理下的TN和NH+4-N含量分布主要受SOM的影响,而NO-3-N含量分布主要受植物吸收和垂直淋失的影响。氮负荷增强条件下植物不同器官的TN含量整体表现为叶>茎>根。不同氮负荷处理下植物-土壤系统的氮储量整体以LNT和MNT较高,而HNT最低。研究发现,短叶茳芏在中低氮负荷条件下可能将更多的氮优先分配给根系,进而以拓展地下空间和提高地下生物量的方式来适应环境;而在高氮负荷条件下,其可能通过增强“自疏效应”,并通过拓展地上空间的方式来适应环境。

土壤-植物系统中硒的生物有效性及其影响因素研究进展

硒的生物有效性是决定硒在土壤-植物系统中转运、积累的关键因素,然而目前关于该方面研究进展还缺乏系统的总结和论述。本文结合赣南富硒脐橙调查研究结果,以硒在土壤-植物系统中的运移为切入点,系统总结和论述了硒在土壤-植物系统中的氧化-还原、吸收、转运过程,探讨了土壤理化性质、微生物、施肥、农艺管理和植物生长阶段等对硒生物有效性和迁移的影响,并提出未来硒的研究热点:土壤微生物活性与硒生物地球化学循环的耦合关系;植物生长、果实品质与硒代谢相关的分子机制;结合同位素示踪技术和薄膜扩散梯度(DGT)技术原位探究硒在生物地球化学中的归趋。本综述可为土壤硒生物有效性调控、植物体系中硒的有效积累和农艺生物强化富硒措施方面的研究提供理论参考。

山东沂南东部土壤-玉米系统重金属元素与其他元素间相互作用及其生物有效性研究

在沂南县东部地区重金属元素高的背景状态下,为研究土壤-玉米系统中重金属元素和与人体健康关系密切的微量元素间的相互作用及其生物有效性,在研究区采集了50件玉米籽实及其根系土土壤样品。通过样品中重金属元素和微量元素含量分析,统计其含量及富集特征,探讨了玉米籽实及其根系土土壤中各元素间的相互关系。通过玉米根、茎、叶、籽实中重金属元素含量及根系土土壤中重金属元素形态分析,总结了玉米根、茎、叶、籽实以及根系土土壤中重金属元素的分布规律并对玉米籽实进行了安全性评价。结果显示:①各元素含量在玉米根系土土壤和玉米籽实中差异明显,玉米籽实中元素富集系数间多呈显著-极显著正相关;②玉米籽实中As、Ni、Se含量与土壤中元素含量多呈拮抗作用,玉米籽实中元素含量间多呈协同作用;③Cu、Zn、Cd、Hg主要富集于叶中,Cr、Pb、Ni、As主要富集于根中,除1件玉米籽实样品外,其他样品均符合绿色、无公害等相关标准,研究区玉米籽实安全性较好。研究成果可为农业高质量发展、土壤污染综合治理提供支撑。

碘在土壤-植物系统中的行为及其毒理学研究进展

碘作为一种亲生物元素,是甲状腺激素的重要组成部分,但人为核活动产生的放射性碘是潜在致癌物。碘在土壤中主要以有机碘、碘化物、碘酸盐的形式存在。土壤和植物也是碘进行全球化学循环的重要一环。碘元素的毒理学主要表现为,环境中的放射性碘对动植物的危害以及不同剂量和形态的碘对植物生长的影响。

太行山坡地不同管理措施植被-土壤系统耦合关系

植被和土壤的耦合协调关系可以用来衡量生态系统的一致性和协调性程度。研究以河北省临城县太行山东麓丘陵坡地为研究区,以原生灌草地、不管理的人工核桃林、人工核桃林下清除灌草、人工核桃林下清除灌草并施肥等4种不同管理措施的植被-土壤系统为研究对象,建立由4个植被因子(Shannon-Wiener、Simpson、Margalef、Pielou等指数)和7个土壤因子(土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、pH、电导率、含水率等)组成的评价指标体系,采用层次分析法和熵权法确定各因子权重,以耦合协调度模型评价二者的协调程度。结果表明:(1)不同管理措施下,除植被因子Pielou指数外,其余植被和土壤因子均存在显著差异性(P<0.05)。(2)土壤有机碳与Simpson指数呈显著正相关(P<0.05),与Shannon-Wiener、Pielou、Margalef指数呈显著负相关(P<0.05),土壤全氮与Shannon-Wiener和Margalef指数呈显著负相关(P<0.05)。(3)不同管理措施下植被-土壤系统耦合协调程度总体处于失调发展状态,原生灌草地为严重失调发展模式的植被-土壤同步发展型,不管理的人工核桃林和林下清除灌草并施肥均属于中度失调发展模式的土壤滞后发展型,林下清除灌草属于轻度失调发展模式的植被滞后发展型。综上,种植人工核桃林并清除林下灌草有利于提升植被-土壤系统耦合协调度,但尚未达到最佳的协调状态。

北京“土壤-饲料-奶牛”系统氮磷流动及环境损失时空特征

分析大城市郊区"土壤-饲料-奶牛"养殖体系养分流动和环境排放特征是合理控制养殖规模、促进农牧结合、保护生态环境和保障畜禽产品供应等政策制定的基础。本研究选取北京市郊区28个规模化奶牛农场,调研包括饲料来源和投入、奶牛生产和粪尿管理以及产品输出情况。结合公开发表的文献数据和北京市统计数据,利用NUFER-animal模型对1980—2013年北京市规模化奶牛农场"土壤-饲料-奶牛"生产系统养分流动特征、利用效率和环境损失的时空变化进行了定量化分析。结果表明,1980—2013年,奶牛个体尺度(仅包括泌乳牛)氮利用效率从14.9%增加到21.2%,磷利用效率从13.8%增加到27.3%;群体尺度(包括犊牛、育成牛、青年牛、泌乳牛和干乳牛)氮利用效率从14.5%增加到18.2%,磷利用效率从15.8%增加到24.9%;系统尺度(土壤-饲料-奶牛)氮利用效率从11.3%增加到15.8%,磷利用效率从13.3%增加到22.3%。北京市奶牛养殖个体尺度、群体尺度和系统尺度氮利用效率在1985年前减少;而1985年后逐渐增加。个体尺度、群体尺度和系统尺度磷利用效率均不断增加。系统尺度氮总损失从1980年的1 516 t增加到2013年的16 973 t;磷总损失从114 t增加到1 763 t。生产1 kg氮磷产品造成的氮和磷损失均表现出不断减少的趋势。北京市"土壤-饲料-奶牛"生产系统氮磷流动特征发生了很大变化,养分利用效率和总环境损失不断增加。产生这一变化的原因是养殖数量的增加、养殖模式从传统向集约化转变和环保管理措施的完善。因此,调整奶牛养殖从数量型向质量型转变以及提高喂养技术和粪尿管理水平等是提高都市奶牛养殖可持续发展的必要措施。

原生动物-病原菌互作与土壤健康综述

土壤健康是维持植物、动物和人类生命系统及陆地生态系统健康的重要保证。原生动物在土壤中分布广泛,可调控土壤微生物组、养分循环、污染物去除等众多生态过程,在维持土壤生态系统功能及土壤健康中发挥着重要作用。土壤原生动物捕食及杀菌机制与哺乳动物巨噬细胞免疫机制类似,其与细菌的相互作用,尤其是与病原菌的胞内共生关系,是影响病原菌毒力、扩散传播及感染风险的重要环境选择压力。本文总结了原生动物对病原菌毒力、进化、传播扩散的影响,以及病原菌在原生动物胞内的存活和进化机制,为预防环境病原菌富集、扩散和传播提供新的研究思路,对维持土壤健康有重要意义。

全氟及多氟烷基化合物在土壤-地下水系统多介质界面行为研究进展

近年来,全氟和多氟烷基化合物(PFASs)在全球范围内受到广泛关注,其在多种环境介质中均有不同程度检出。其中,土壤既是PFASs污染的重要受体,也会在吸附-解吸、淋溶等作用影响下成为释放PFASs的污染源,从而对受纳水体造成持续污染,尤其是对土壤下覆地下水系统的影响持久而深远。因此,理解PFASs在土壤-地下水系统中的迁移转化过程是预测其环境归趋和风险控制的重要任务。文中总结了近年来国内外的相关研究,对土壤-地下水系统中PFASs的污染来源和界面行为进行了综述,并对现存问题和未来需求进行了展望,以期为PFASs在土壤-地下水系统的监测与控制提供参考和支撑。

海水-土壤双源热泵系统的气候适用性研究

海水-土壤双源热泵系统是有效利用海洋能与地热能的典型技术之一。为评估海水-土壤双源热泵系统在我国不同气候区的适用情况,选取大连、青岛、上海、舟山、湛江、三亚作为应用该热泵技术的典型城市,通过DeST搭建不同气候区典型城市的办公建筑模型,并根据现场实验台建立TRNSYS系统仿真模型,最后提出适用性评价指标来分析不同气候区应用海水-土壤双源热泵系统的性能、经济及环保效益。结果表明:性能效益优劣对比为大连>青岛>上海>舟山>湛江>三亚;经济效益优劣对比为三亚>湛江>大连>青岛>上海>舟山;环保效益优劣对比为大连>青岛>上海>舟山>湛江>三亚。

土壤-植物系统中抗生素抗性的传播过程与影响机制

土壤是抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的重要储存库,土壤-植物系统是ARGs从土壤向人体传播的主要渠道。因此,关注土壤-植物系统中抗生素抗性的传播过程与影响机制有助于系统性地了解抗生素抗性细菌(antibiotic resistant bacteria,ARB)、ARGs在土壤-植物中的迁移途径、传播规律和影响因素,可以为阻控抗生素抗性传播提供思路。本文总结了土壤中抗生素抗性的来源与演变机制,着重强调了抗生素抗性从土壤向植物的传播过程与影响因素,最后讨论了阻断ARGs在土壤-植物系统中传递的物理化学和生物控制技术,并提出了未来的研究方向,对遏制抗生素抗性传播、保障蔬菜作物安全与人体健康具有重要现实意义。

全自动样品制备系统-超高效液相色谱-串联质谱法测定动物源食品中五氯酚钠

本研究采用全自动样品制备系统提取,无水硫酸镁和C18吸附剂进行净化,结合超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)技术,在负离子扫描模式下,建立了3种动物源食品(猪肉、鱼肉、鸡肉)中五氯酚钠残留的检测方法。样品中五氯酚钠在酸性条件下转化为五氯酚,采用4 mL 0.02 mol/L盐酸和10 mL乙腈作为提取溶剂,加入匀浆转子,用全自动样品制备系统匀浆提取两次,将有机相浓缩后,用无水硫酸镁和C18吸附剂进行净化,过PTFE膜。采用Waters Acquity UPLC HSS T3色谱柱梯度洗脱分离,在电喷雾离子源(ESI)、负离子模式和多反应监测模式下检测,基质匹配外标法定量。在1.0、2.0、4.0μg/kg添加水平下,3种基质(猪肉、鱼肉、鸡肉)中五氯酚的加标回收率为75.4%~95.3%,相对标准偏差为4.3%~10.6%;定量限为1.0μg/kg。该方法简便、快捷、提取效率高,适合用于大批量动物源食品中五氯酚钠的测定。

基于Meta分析的沼液施用对作物-土壤系统效应的研究

定量分析沼液施用对作物产量和土壤肥力及重金属累积的综合效应,旨在明确等氮沼液对作物产量、土壤肥力参数和重金属累积的影响,为优化沼液施用综合管理措施,发挥沼液施用积极效果提供数据参考。运用Meta分析方法将中英文数据库中已发表有关等氮沼液(BS)和全施化肥(CF)处理对作物和土壤肥力影响文献进行检索筛选,共选出有效文献62篇,获得可进行分析的试验数据591组。研究结果表明:与全化肥处理相比施用沼液作物增产7.62%但差异不显著(p=0.07);土壤容重降低6%、总孔隙度增加14%、较大团聚体含量增加10%~20%,差异显著(p<0.05);土壤有机质、总氮、速效磷、阳离子交换量和电导率增幅6%~20%并导致盐分累积加剧(p<0.05);土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性及微生物碳氮含量、香农指数和辛普森指数增幅6%~21%(p<0.001);土壤Cu、Zn和As含量比全化肥(CF)处理显著增加10%~18%。沼液施用对作物增产和土壤肥力提升显著正效应,需要考虑沼液施用年限、土壤类型、作物种类,严格控制施用量降低盐分和重金属累积风险,实现沼液安全高效利用。

土壤微生态系统中3,6-二氯咔唑对土壤酶活性的影响

卤代咔唑作为一类新型有机污染物,给人类的健康和生态环境带来了潜在的危险。研究卤代咔唑对土壤中动物、植物和微生物的影响,具有较好的现实意义。研究了在蚯蚓和大豆同时存在的土壤生态系统中,3,6-二氯咔唑(3,6-CCZ)对土壤脱氢酶、脲酶和蔗糖酶活性的影响。实验结果表明:低浓度和高浓度实验组较空白组,土壤脱氢酶活性上升了76.5%和29%,土壤脲酶活性上升了7.4%和39.4%,土壤蔗糖酶活性上升了50%和下降了2.7%,表明3,6-CCZ对土壤酶活性有增强作用,蚯蚓的引入能够显著增强土壤酶活性,大豆的种植虽然没有表现出明显的促进或抑制作用,但是在一定程度上缓解了3,6-CCZ和蚯蚓的增强作用;蚯蚓和大豆同时存在,并不能有效缓解3,6-CCZ对土壤酶活性的作用。

重庆岩溶地质高背景区土壤-农作物系统重金属累积特征及影响因素

为了揭示重庆岩溶地质高背景区土壤-农作物系统中重金属的迁移累积特征,选择在重庆市南部典型岩溶区,系统地采集大宗农作物(水稻、玉米和红薯)及其耕层土壤84组,分析测定农作物及耕层土壤中重金属砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、锌(Zn)含量及理化性质,采用地统计、生物富集因子及皮尔逊相关系数分析等方法,开展重金属元素在重庆岩溶地质高背景地区土壤−农作物系统中累积特征及影响因素。结果表明,研究区水稻田、玉米地和红薯地耕层土壤重金属平均含量均高于重庆市和全国表层土壤背景值,呈现不同程度的积累,其中Cd元素富集现象较为突出。依据GB 15618-2018和GB 2762-2017,耕层土壤种Cd超标率达41.59%,水稻、玉米和红薯中Cd超标率分别为5.89%、6.25%和5.56%,显示出岩溶地质高背景区虽然土壤中重金属含量总量高,但生物有效性较低。相关分析显示,土壤-农作物系统Cd等重金属含量主要受土壤pH、土壤质地和土壤中铁锰氧化物影响。

QuEChERS样品制备系统联合气相色谱-串联质谱法测定松林土壤中6种杀虫剂的残留量

随机采集松林土壤样品,风干、除杂、粉碎、过筛,分取10g置于QuEChERS样品制备系统整合管外管中,加入一个氧化锆瓷珠包(20粒氧化锆瓷珠)、20mL乙腈和一个QuEChERS提取包(内置5.0g无水硫酸镁和1.0g乙酸钠),再将内置1.0g无水硫酸镁、500mg N-丙基乙二胺(PSA)、500mg C18和15mg石墨化碳黑(GCB)的一个QuEChERS净化包置于整合管内管中,将整合管加载至QuEChERS样品制备系统,振荡10min,离心5min,重复上述振荡和离心过程一次,即完成样品的提取和净化。收集净化液,冷冻离心5min,上清液于50℃氮吹至近干,残渣用1mL丙酮复溶,过0.22μm滤膜,滤液供气相色谱-串联质谱法(GC-MS/MS)分析。6种杀虫剂(氯氟氰虫酰胺、氰戊菊酯、戊菊酯、治线磷、丰索磷和杀螟松)用Rxi-5Sil MS色谱柱在程序升温条件下分离,用电子轰击离子(EI)源电离,用多反应监测(MRM)模式检测,外标法定量。结果显示:6种杀虫剂的质量浓度在0.01~3.00mg·L^(-1)内与峰面积呈线性关系,检出限(3S/N)为0.012~0.021μg·kg^(-1);按照标准加入法进行回收试验,回收率为86.2%~102%,测定值的相对标准偏差(n=5)为1.6%~4.2%;方法用于5份实际样品的分析,检出了丰索磷、杀螟松、氰戊菊酯和氯氟氰虫酰胺,检出量为14.22~125.35μg·kg^(-1)。

3种改良剂对不同土壤-水稻系统中Cd行为的影响

通过水稻盆栽试验,研究了钙镁磷肥、石灰和硅肥作为土壤改良剂对几种中度污染水稻土中Cd的赋存形态以及对水稻生长的影响和改善糙米品质安全性的作用。结果表明,由于各种改良剂的性质和改良机理上存在差异,改良效果各不相同,其中硅肥的改良效果最好,其次是钙镁磷肥,然后是石灰。虽然3种改良剂均能降低土壤中有效态Cd以及糙米和秸秆中Cd的含量,使稻米质量符合国家食品卫生安全标准,但土壤性质的不同会影响改良剂的效果。同一改良剂施用在红壤上的效果最为明显,其次是黄泥土,而呈碱性的潮黄土由于土壤有效态Cd的含量明显低于前两种土壤,施用改良剂后糙米和秸秆中的Cd含量虽有所降低,但改善效果不太明显。

流沙固定过程中土壤-植被系统演变对水环境的影响

横穿腾格里沙漠的防风固沙体系始建于 1 95 6年 ,确保了包兰铁路近半个世纪的畅通无阻。在几十年的土壤 -植被系统演变中 ,花棒 +柠条 +油蒿 -干旱砂质新成土的人工系统演变为油蒿 +雾冰藜 +小画眉草 -简育正常干旱土的半天然、天然系统 ;生物结皮发育、结皮层形成改变了降水的再分配过程 ;在 2 0～ 5 0 0cm深度的干旱层因灌木的排水作用而形成 ,低等植物也开始与草本和灌木竞争水分 ,深根系的灌木很难得到降水的补给 ,逐渐退出了防护体系 ;土壤 -植被系统趋于更薄的活动层。

玉米-线辣椒套作系统中土壤养分与根际土壤微生物、酶活性的关系

采用玉米单作、线辣椒单作、玉米-线辣椒套作3种栽培模式,并在玉米-线辣椒套作的种间根部设3种不同隔离处理(膜隔、网隔和无隔),研究了玉米-线辣椒套作系统中土壤生物因子与土壤养分的关系.结果表明:玉米-线辣椒套作具有明显优势;与两作物单作和玉米-线辣椒套作种间根区膜隔处理相比,玉米-线辣椒根区无隔和网隔处理复合群体中两作物根际土壤酶活性、微生物数量、土壤养分均显著提高;除有效镁与真菌种群数量、过氧化氢酶活性呈负相关外,其余速效养分与各生物因子均呈显著或极显著正相关.通径分析表明,该系统中促进有机质累积的主要生物因素是脲酶、过氧化氢酶、细菌和蛋白酶,蔗糖酶是影响碱解氮的最主要因子,脲酶是影响有效磷的最主要因子,细菌是影响有效钾的最主要因子,碱性磷酸酶、真菌只是选择性地对有机质的累积和氮、磷、钾有效养分的形成起作用,放线菌对土壤养分的直接作用系数为负,对土壤养分形成的作用较小.