基于文献计量的土壤遗留效应研究现状与热点分析

土壤遗留效应是介导植物群落和土壤特性之间相互作用的重要机制,不仅影响着植物群落动态和物种共存,同时在土地利用和管理方面也发挥着重要作用。本文基于Web of Science数据库中检索到的2000~2022年发表的相关文献进行计量学分析,探讨此研究领域的研究现状以及热点问题。结果表明:土壤遗留效应的发文量总体呈现上升趋势,美国农业部是发文量最多的机构(646篇),以中国科学院为代表的国内科研机构对该领域的发展也做出了积极贡献;生态学、环境科学、土壤学和植物学是该领域的主要发文学科,这些学科的交叉合作对深入了解土壤遗留效应起着关键作用;在国际合作方面,该领域已显示出全球交流和联系日益密切的趋势,但考虑到地理位置等因素,未来各研究团队仍需保持密切合作,共同加强该领域高水平、高认可度研究成果的产出;目前,该领域的热点问题集中在土壤遗留效应对土壤微生物群落、农业土地管理和不同生态系统恢复的影响,以及气候因素在驱动遗留效应中的作用。未来的研究可以进一步探讨这些问题,并结合新兴技术手段,如遥感技术、GIS技术和模型模拟等,推动土壤遗留效应的定量评估和预测,为实现可持续土地管理和生态系统发展提供支撑。

流域非点源磷污染的遗留效应研究进展

流域非点源磷污染的遗留效应是许多流域经过多年污染控制努力后水质仍未见成效的重要原因。本文综述了流域非点源磷污染遗留效应的形成过程机理、模型方法及对水质的影响。由于化肥施用等人为磷过量输入以及水文和生物地球化学滞后性,磷在土壤、沉积物、地下水等介质中大量累积,在人为扰动、气候变化等作用下,累积的遗留磷会重新释放/流失,因而成为受纳水体长期的污染源。数学模型是解析流域非点源磷污染遗留效应的主要方法,现行的模型仍以统计模型为主,其中ELEMeNT-P模型是唯一针对遗留效应问题研发的过程性模型。模型估算结果表明,很多流域的遗留磷是受纳水体磷污染的重要甚至主要原因,且其污染影响可长达数十年到数百年。总体而言,目前对流域非点源磷污染遗留效应的过程机制尚未完全明确,相关模型尚难以模拟遗留效应的时空分布特征。未来研究应深入探究流域遗留磷累积-释放-输移的动态过程机制,改进模型的水文和生物地球化学过程模块,强化模型的多时空尺度模拟功能及多重验证,以精确刻画流域遗留磷的污染贡献及其时空分布特征,为突破非点源磷污染治理困境提供关键科学依据。

长期不同供磷水平驯化的土壤微生物的遗留效应

在集约化农田生态系统中,长期过量施用磷肥导致土壤中磷的累积,本文研究了集约化农田生态系统中长期、不同水平的磷肥供应驯化(training)微生物形成的遗留效应(legacy effect)。依托长期定位玉米试验地(始于2007),以长期不同供磷水平(来源于施用P2O50、75、300 kg·hm^(–2)的处理,分别为P0、P75、P300)石灰性土壤中的微生物为研究对象,通过盆栽接种微生物,探究不同磷供应驯化下的土壤微生物,在2个基质供磷水平(不施磷No P和+P 30 mg·kg^(–1))下对玉米和三叶草植物生长、养分吸收、土壤酶活性及菌根特征的影响。结果表明,菌剂类型(灭菌处理,原位菌剂)显著影响玉米和三叶草地上部生物量和磷吸收量。在2个基质磷水平处理,相比于灭菌菌剂处理,接种原位菌剂显著提高了三叶草地上部生物量和磷吸收量,但三种菌剂之间差异不显著。在No P条件下,相比于灭菌处理,接种原位菌剂对玉米地上部生物量无显著影响。在+P条件下,接种原位菌剂显著降低了玉米的生物量;在2个基质供磷水平下,玉米地上部生物量在P300处理中显著高于P0和P75。菌剂和基质供磷水平共同影响土壤酶活性。与P0和P75相比,P300菌剂显著降低了三叶草土壤中过氧化物酶活性,提高了NoP条件下玉米土壤中过氧化物酶和几丁质酶的活性。在NoP条件下,接种P75显著提高了玉米土壤中酸性和碱性磷酸酶的活性。2种作物的菌根特征不同,接种位P300三叶草根系丛枝菌根真菌的侵染率显著低于P0和P75,而玉米根系的侵染率在三种菌剂之间差异不显著。综上,基质供磷水平以及植物种类共同影响累积磷驯化土壤微生物的效应,说明磷肥管理需要考虑植物-微生物的特性。

前茬作物土壤遗留效应对野生大豆(Glycine soja)和栽培大豆(Glycine max)生长的影响

前茬作物影响后茬大豆的产量,尤其是大豆重茬会导致土传病害和自毒作用的发生,抑制大豆生长,造成大豆的减产,生产上亟待寻找耐重茬的种质资源培育新品种。传统育种方法已进入瓶颈期,而野生近缘种资源在为作物改良提供有益等位基因方面具有巨大潜力。野生大豆(Glycine soja)作为栽培大豆(Glycine max)的近缘种,对拓宽大豆育种遗传基础、培育耐重茬大豆品种具有重要价值。本研究通过温室控制试验,探究不同前茬作物(玉米和大豆)土壤遗留效应对野生大豆和栽培大豆生长的影响,对比栽培大豆和野生大豆在抗重茬能力方面的差异。结果表明:大豆重茬土壤能够显著抑制后茬野生大豆和栽培大豆的生长,这主要由土壤病原微生物所导致。与灭菌土壤对比,非灭菌土壤能够显著降低了栽培大豆的生物量,而对野生大豆生物量影响不大,说明土壤病原菌微生物在大豆重茬危害中发挥重要作用。土壤病原微生物会增加根质量分数,使植物生物量倾向于地下分配,降低植株光合作用和干物质量积累速率。而与栽培大豆相比,野生大豆能迅速调整生物量分配以及叶片性状响应前茬作物引起的胁迫。本研究为将来从野生大豆获得耐重茬优良性状和培育栽培大豆耐重茬新品种提供了理论依据。

长期氮水添加对温带草原土壤化学性质和微生物学特性的短期遗留效应

据预测,内蒙古东部地区未来将出现氮沉降加剧和夏季降水增加的趋势,但大气氮沉降和降水增加都是不可持续的,增加强度可能减弱,也可能出现降低趋势。目前,历史氮、水输入停止后对生态系统的遗留效应尚不明确。本研究基于中国北方温带草原长达13年的氮、水添加实验平台,于处理第14年开始定向停止氮、水添加处理,探讨了历史氮、水添加在短期(2年)内对土壤理化性质和微生物学特性的遗留效应。结果表明:停止添加两年后,历史氮添加对铵态氮、硝态氮、可溶性有机碳、氮和速效磷等土壤养分指标的正向遗留效应消失;但对大部分土壤微生物学特性指标仍存在遗留效应,历史15 g N·m^(-2)·a^(-1)添加处理微生物生物量碳、土壤呼吸和碱性磷酸单酯酶活性分别降低73.3%、81.9%和70.3%,表明氮输入停止后微生物学指标的恢复比土壤养分指标慢,具有迟滞效应。相关分析和冗余分析表明,氮对微生物学特性的负向遗留效应与对土壤pH的负向遗留效应有关。历史水添加在处理停止两年后,对土壤pH、铵态氮、可溶性有机碳、氮等以及土壤呼吸、酶活性等仍表现出显著的遗留效应,并与氮沉降的遗留效应存在交互作用。研究结果对预测局域环境改善条件下草地生态系统功能和服务变化趋势及揭示退化草地恢复机制具有重要意义。

基于汽车转向活塞锻造遗留效应的预先热处理工艺优化

针对某型号汽车转向活塞交付过程中多次出现组织粗大、混晶的现象,采用理论分析和实验研究相结合的方法,对其锻造和预先热处理工艺过程进行了分析和研究。根据转向活塞成形过程的工艺特点,结合塑性成形过程中变形量和变形温度与再结晶之间的关系,分析了不同变形部位的再结晶状态,从原理上指出了现有锻造余热正火工艺的不足。根据奥氏体的形核、长大、均匀化机制,结合过冷奥氏体分解所需要的条件,设计了转向活塞加热、风冷、等温的3步走的预先热处理工艺方案。优化了转向活塞的预先热处理工艺,消除了因锻造带来的遗留效应,为后期的机械加工和渗碳淬火奠定了技术基础。

放牧诱导的植物遗留效应可以通过较大的根系分配可塑性增强其干旱适应性

为探索植物的放牧遗留效应是否有利于天然草原生态系统应对干旱环境,我们采集了内蒙古典型草原自由放牧和多年围封样地内的冰草(Agropyron cristatum)和黄囊苔草(Carex korshinskyi)幼苗进行了温室控水试验。研究结果表明,干旱处理对自由放牧样地采集的冰草和黄囊苔草子株生物量、子株数量和总生物量的影响较小;自由放牧区的冰草与黄囊苔草较强的干旱适应性可部分由干旱处理下较大的根系分配可塑性来解释。本研究结果表明合理放牧是天然草原适应气候变化的潜在管理办法之一。

交叉设计中顺序效应的影响及其分析方法

从模型定义出发，阐明常用的交叉设计分析方法及存在的问题，指出了顺序效应的重要性，提出了顺序效应的检验方法以及存在这一效应时的分析方法。

母体放牧历史对羊草后代功能性状的影响

放牧是我国草原历史最悠久、应用最广泛的利用方式,放牧干扰下草原植物功能性状会产生适应性变化并可能形成遗留效应。为验证这一科学假设,以温性典型草原主要优势植物羊草为研究对象,采用室内同质化盆栽试验,对放牧样地和围封样地的羊草无性系后代的表型功能性状进行测定。结果表明:放牧羊草无性系后代与围封羊草无性系后代相比,叶片数、叶长、叶面积、比叶面积、茎长分别显著降低了13.79%、29.71%、18.74%、6.98%和31.06%(P<0.01或P<0.05),而分蘖子株数极显著增加了93.26%(P<0.01);放牧和围封来源下的羊草无性系后代单株地上总生物量、单株茎生物量及单株叶生物量具有极显著差异(P<0.01);表明放牧干扰对羊草无性系后代功能性状有显著影响,进而对植物生产力造成遗留效应。

母体放牧经历对羊草克隆后代干旱敏感性的影响

母体放牧环境可以对后代子株产生遗留效应,同时,放牧可通过改变生态系统蒸散发格局及强度加剧干旱。然而,放牧遗留效应是否影响了植物对干旱的响应,尚知之甚少。从长期围封和放牧样地采集羊草克隆后代进行室内培养,研究了放牧遗留效应对羊草干旱适应性的影响。结果表明:1)相对于围封羊草克隆后代(NG),放牧羊草克隆后代(GZ)单株株高、单株生物量的干旱抵抗力更强,材料来源与干旱处理交互作用显著;相反,GZ子株数对干旱的响应比NG更敏感;2)NG与GZ地上生物量、总生物量对干旱具有相同的响应趋势和强度;3)NG总根茎长、总根茎节间数对干旱的响应更敏感,对照处理下NG总根茎长度、总根茎节间数显著大于GZ,而干旱处理下无显著差异;4)NG在干旱下减小根茎和地上分配,提高根系分配;而GZ在干旱下减小根茎分配、提高地上分配,根系分配无显著变化。结果表明,放牧遗留效应改变了羊草对干旱的响应模式,为认识放牧生态系统过程提供了新的角度。

历史抗生素胁迫改变磺胺甲唑和甲氧苄啶对活性污泥的影响:ARGs及其潜在宿主

抗生素共暴露对污水处理厂抗生素抗性基因(ARGs)及微生物群落聚集过程有着重要影响.然而,历史抗生素接触胁迫差异(遗留效应)是否能决定微生物和ARGs对抗生素复合污染的响应尚不清楚.通过选择高浓度(30 mg·L)磺胺甲唑(SMX)和甲氧苄啶(TMP)作为历史接触胁迫条件,探究SMX和TMP复合污染对ARGs、细菌群落及其交互作用的短期影响.基于高通量荧光定量PCR,共检测出13种ARGs,它们的绝对丰度介于2.21~5.42 copies·μL^(-1)(对数值,以DNA计,下同),其中sul2、ermB、mefA和tetM-01是样品中最主要的亚型,绝对丰度在2.95~5.40 copies·μL^(-1)之间;SMX和TMP复合污染会引起ARGs和可移动基因元件(MGEs)的富集,但其对各亚型的影响不同,且SMX的历史遗留效应高于TMP;不同接触史的复合污染下,ARGs间的共现与互斥模式均存在;MGEs(尤其是intI-1)与磺胺类(sul1、sul2)、四环素类[tet(32)]和大环内酯-林可酰胺-链霉菌素类抗性基因(ermB)均呈显著正相关性;基于微生物全尺度分类发现各类群微生物群落结构对复合污染的响应不同,且条件丰富菌属(CAT)得到了显著富集;陶厄氏菌属(Thauera)、假黄单胞菌属(Pseudoxanthomonas)和副球菌属(Paracoccus)是优势的抗性菌属;网络分析共发现31个ARGs的潜在宿主,以条件稀有菌属(CRT)为主,尤其是Candidatus_Alysiosphaera和纺锤状菌属(Fusibacter)与多种ARGs呈现正相关,是多种ARGs的潜在公共细菌宿主;部分稀有菌属[RT,变异杆菌属(Variibacter)、气单胞菌属(Aeromonas)和管道杆菌属(Cloacibacterium)等]是转座子IS613的潜在宿主,在ARGs的增殖传播中发挥重要作用.综上,研究揭示了污水处理系统中抗生素历史胁迫对ARGs赋存特征和及其宿主细胞的遗留效应,可为削减抗生素复合污染引起的ARGs污染提供新思路与理论依据.

刈割能够缓解历史氮沉降对草地群落养分利用效率的负面影响

氮沉降的增加对草地生态系统结构和功能造成了诸多负面影响,包括改变植物群落结构和降低植物养分利用效率。许多国家的减排政策有效地减少了氮排放、降低了氮沉降速率,但历史氮沉降对生态系统的影响可能具有遗留效应。草地植物群落的养分利用效率在氮沉降减少或者停止后作出何种响应,还有待于研究。作为草地重要的管理方式之一,刈割将如何调控历史氮沉降对植物养分利用效率的影响仍然属于知识空白。本研究探讨了氮素添加停止以后连续3年内功能群水平和群落水平上植物的氮、磷利用效率对历史氮素添加和刈割处理的响应。研究结果表明,历史氮素添加显著降低了植物功能群水平的氮利用效率,但未改变其磷利用效率;在群落水平上,历史氮素添加显著降低了植物的氮磷利用效率。刈割能够缓解历史氮素添加对植物群落氮磷利用效率的降低作用,该作用主要是抑制具有较低养分利用效率的根茎型高禾草的生长而促进具有较高养分利用效率的丛生型高禾草的生长。研究结果揭示了植物群落结构在驱动植物群落养分利用效率变化中的重要作用。本研究认为适当的草地管理方式有助于氮沉降过后草地植物养分利用效率的恢复。