生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响的研究进展

在厌氧或者绝氧的条件下对生物质进行热解,可产生含碳丰富的固体物质,称为生物质炭。由于生物质炭在农业和环境中的巨大应用前景和对土壤碳的增汇减排作用,近期成为土壤学和环境科学的研究热点。综述了生物质炭的一些基本性质及其对土壤环境功能的影响,分析了该领域未来的发展趋势。国内外的研究表明:生物质炭含有大量植物所需的营养元素,可以促进土壤养分的循环和植物的生长;生物质炭一般呈碱性,施用生物质炭可以降低土壤的酸度和有毒元素如铝和重金属对植物的毒性;生物质炭表面含有丰富的-COOH、-COH和-OH等含氧官能团,它们产生的表面负电荷使生物质炭具有较高的阳离子交换量(CEC),施用后可以提高土壤的CEC;生物质炭对农药等有机污染物和重金属等有很强的吸附能力,可用于污染土壤的修复;生物质炭具有高度的孔隙结构,可以增加土壤的空隙度和保水能力,降低土壤容重,有利植物根系生长;生物质炭是一种含碳的聚合物,主要由单环和多环的芳香族化合物组成,这种结构特点决定了生物质炭具有较高的化学和生物学稳定性,较强的抵抗微生物分解的能力,增强了土壤的固碳作用,减少碳向大气的再释放。该文可为从事农业废弃物的资源化利用、固碳减排、污染土壤修复和土壤改良与管理等领域的科研人员提供参考。

海南热带橡胶园土壤易氧化有机碳空间变异特征研究

为了解热带橡胶园土壤活性有机碳状况,采集了海南全岛13个不同胶园土壤,用高锰酸钾氧化-比色法测定了土壤易氧化有机碳质量分数,分析了其影响因素。结果表明,海南橡胶园土壤易氧化有机碳质量分数平均为2.70 g.kg-1（以C计）,变化在0.92~6.82 g.kg-1之间,变幅达到641%。易氧化有机碳质量分数与土壤有机质、全磷和全氮显著正相关,同时受成土母质的强烈影响,玄武岩发育的土壤最有利于易氧化有机碳累积,砂页岩和花岗岩次之,而变质岩和浅海沉积物形成的土壤易氧化有机碳质量分数较低。土壤易氧化有机碳质量分数也受气候强烈影响,随湿度降低而下降。

模拟降雨下土壤前期含水量对土壤可蚀性的影响

土壤前期含水量是导致土壤可蚀性动态变化一个重要因素。利用人工模拟降雨试验,以我国亚热带地区的14种典型土壤为研究对象,在各试验小区上分别设定3种不同的土壤前期含水量水平,研究土壤前期含水量对不同土壤可蚀性的影响。结果表明,14种土壤类型在3种不同土壤前期含水量水平下土壤可蚀性K值都存在动态变化,但不同土壤类型其可蚀性K值随土壤前期含水量变化的变动幅度不同,同一土壤可蚀性K值在土壤前期含水量变化范围内最高和最低值之间最高相差达到16倍;不同土壤类型可蚀性K值随土壤前期含水量变化的变动趋势也不同,其中绝大多数土壤可蚀性K值随前期土壤含水量的升高而增大,根据土壤可蚀性K值的变动趋势可以分为三类,首先,9种土壤的可蚀性K值随前期土壤含水量的升高而增大;其次,4种土壤可蚀性K值随前期土壤含水量升高先升高后降低,变化趋势大致呈倒"U"型;第三,仅有1种土壤的可蚀性K值随土壤前期含水量的升高而减小。

大气CO_2浓度升高对稻田土壤中微量元素的影响

利用中国的稻/麦轮作FACE（Free Air Carbon-dioxide Enrichment）平台技术,应用DTPA浸提土壤的方法,研究大气CO2浓度升高对稻田土壤微量元素有效性的影响。位于扬州的中国稻麦轮作农田生态系统FACE试验平台于2004年6月开始运行,设有FACE圈（高CO2圈）与Ambient圈（对照圈,当前周围大气CO2浓度）2个处理,FACE区CO2浓度比Ambient区高200μmol·mol^-1,每个处理含低氮与常氮2个氮肥水平。经过一个稻麦轮作后,分别于水稻生长的分蘖期、抽穗期、乳熟期和成熟期在每个副区多点采集0-5cm和5-15cm的土壤样品,再使用ICP测定土壤样品的DTPA浸提液的方法,得出土壤中有效态Fe、Mn、Cu和Zn的质量分数。结果表明,大气CO2浓度升高都不同程度的增加了0-5cm和5-15cm耕层土壤中DTPA提取态Fe、Mn、Cu、Zn的有效性,尤其对土壤有效Zn质量分数的增加达显著水平。不同N肥处理对土壤DTPA提取态Fe、Mn、Cu和Zn的质量分数无显著性的影响,CO2和N肥处理也未表现出显著性的交互作用。

中国水稻土氮密度变异性的幅度效应研究

基于全国第二次土壤普查的1 491个水稻土剖面数据,研究了行政区幅度（行政大区、省级、地区级）和土壤区幅度（土壤区、土壤带、土区）下水稻土氮密度的变异情况及其对幅度拓展的响应。结果表明,中国水稻土0-20 cm和0-100 cm土壤平均氮密度为18.7 t.hm^-2和12.4 t.hm^-2,土壤氮素的空间变异性总体随幅度拓展而增大。在不同土壤区幅度下,0-20 cm全氮密度组内和组间变异性随研究区幅度的减小而减小;从土壤区到土区尺度,0-100 cm全氮密度组间变异率从250%左右下降至不足50%,而在行政大区和省级尺度时全氮密度的组间变异性没有太大变化,变异率都小于100%,到地级市尺度时,组间变异率又达到了400%,说明同一地区所选择的研究幅度尺度不一样氮密度变异率差异也很大。因此,在今后的水稻土调查采样设计时,根据不同幅度尺度的变异率大小来选择合适的布点方式和样点数是十分必要的。

不同制图比例尺土壤数据库对旱地磷储量估算的影响

陆地生态系统中的磷元素在土壤肥力保持和生态环境保护方面起着重要的作用,但以往国家或区域尺度磷储量估算并没有考虑不同尺度土壤数据库所造成的差异。文章以江苏北部29个县（市）390多万hm2旱地为例,分析了17 000多个图斑和963个剖面组成、能详尽反映土壤属性空间异质性的1∶50 000数据库与目前国内同类研究使用最多的1∶1 000 000和1∶4 000 000土壤数据库对磷储量估算的影响。结果表明,不同制图尺度土壤数据库估算的全磷密度和储量差异很大,1∶50 000土壤数据库下的全磷密度和储量分别为1.34 kg.m-3和10.52 Tg,而1∶1 000 000和1∶4 000 0002个土壤数据库下磷密度和储量分别为0.79 kg.m-3和6.02 Tg、0.77 kg.m-3和6.26 Tg,远小于1∶50 000土壤数据库的全磷密度和储量。从不同土壤类型看,褐土受制图比例尺影响最大,1∶1 000 000和1∶4 000 000土壤数据库下与1∶50 000土壤数据库全磷密度和储量相对偏差分别在80%~90%和7%~130%之间,面积最大的潮土在1∶1 000 000和1∶4 000 000土壤数据库下与1∶50 000全磷密度和储量相对偏差也分别达到38%~39%和21%~23%。从各个县（市）来看,1∶1 000 000和1∶4 000 000土壤数据库下与1∶50 000土壤数据全磷密度和储量相对偏差大多超过40%。这也说明使用不同制图尺度土壤数据库将对旱地磷储量和磷密度的估算结果造成很大的影响。因此,在今后的国家和区域尺度全磷密度和储量估算研究中使用更详细的土壤数据库是非常必要的。

施用不同尿素对稻季不同层次土壤溶液中氮形态的影响

在太湖地区乌栅土上,利用大型原状土柱比较研究了不同尿素品种、施肥量(0、普通尿素150、300和包膜尿素100、150kg·hm-2,以N计算)处理对稻季不同层次(30、65、80cm)土壤氮素动态变化的影响。结果表明:所有处理渗漏水中NO3--N质量浓度均低于饮用水标准,常规施肥未显著增加氮的淋溶损失;各处理在不同层次土壤均发生反硝化作用;包膜尿素促进土壤反硝化强度,在65cm和80cm处尤为明显。施用包膜尿素可能增强浅层地下水的反硝化作用而降低水体NO3--N质量浓度。其影响机理及在对其它类型土壤上氮素淋失和反硝化的影响,值得进一步研究。

稻季土壤溶液中微量元素浓度对大气CO_2浓度升高的响应

利用中国稻/麦轮作FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)试验平台,研究大气CO2浓度升高(比周围大气高200μmol·mol-1)对2007年稻季各生育期不同深度土壤溶液微量元素质量浓度影响。结果表明,大气CO2浓度升高对不同深度土壤溶液微量元素质量浓度的影响在不同生育期有所差异;尽管大多未达显著水平,大气CO2浓度升高表现出增加不同层次土壤溶液微量元素质量浓度的趋势,对土壤溶液Fe质量浓度增加程度尤为明显;从整个生育期看,FACE对土壤溶液Fe质量浓度增加幅度在5、15、30、60和90cm处分别为47.6%,36.3%,7.6%,37.0%和201.8%。大气CO2浓度升高对稻田土壤溶液微量元素质量浓度的长期影响需要进一步深入研究。

红壤丘陵区冬闲稻田CH_4和N_2O排放通量的研究

CH4和N2O是与全球气候变化密切相关的2种主要温室气体,其排放规律以及减排措施已成为当前研究的热点。休闲期抛荒稻田普遍存在于我国西南和南方地区,而对于其CH4和N2O排放规律的研究还比较少。本实验选取江西红壤丘陵区进行观测,于稻田休闲期采用静态箱-气相色谱法进行原位观测,旨在探讨休闲期CH4和N2O的排放规律,可为制定减排措施提供一定的依据。研究结果表明:红壤丘陵区冬闲稻田CH4和N2O平均排放通量(以CH4和N2O-N计)分别为0.03mg.m-2.h-1和3.27μg.m-2.h-1。冬闲期CH4和N2O平均排放通量与土温、降雨量无明显线性关系(P>0.05)。冬闲稻田排放CH4和N2O的综合温室效应(以CO2-eq计)为7.58 g.m-2,其中,CH4和N2O产生的温室效应(以CO2-eq计)分别为2.33和5.25 g.m-2。N2O排放量是冬闲稻田温室气体观测中不可忽视的部分。

硝化抑制剂对覆膜稻田CH_4和N_2O排放的影响

为明确硝化抑制剂对覆膜稻田CH_4和N_2O排放的影响,采用静态箱-气相色谱法和荧光定量PCR技术研究了双氰胺(Dicyandiamide,DCD)和2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(Nitrapyrin,CP)两种硝化抑制剂的配施(处理为:覆膜施用尿素,PM;覆膜施用尿素配施DCD,PM+DCD;覆膜施用尿素配施CP,PM+CP)对覆膜栽培下稻田CH_4和N_2O排放及其相关功能菌群落丰度的影响。结果表明:整个水稻生长期,配施DCD(PM+DCD)显著降低N_2O季节总排放(P<0.05),降幅达24%,提高CH_4季节总排放(P>0.05);配施CP(PM+CP)同时降低CH_4和N_2O的季节总排放,降幅均为11%。CH_4排放主要集中在水稻分蘖盛期,此阶段,配施DCD显著提高产甲烷菌群落丰度,降低甲烷氧化菌群落丰度(P<0.05),而配施CP则降低产甲烷菌群落丰度,显著提高甲烷氧化菌群落丰度(P<0.05),这可能是由于配施DCD提高了CH_4排放总量而配施CP降低了CH_4排放。在N_2O排放集中时期(水稻生长前期),配施DCD和CP均降低了氨氧化菌群落丰度,显著提高了反硝化菌群落丰度的趋势(P<0.05)。配施DCD(PM+DCD)、配施CP(PM+CP)和覆膜栽培(PM)处理的碳交易成本GWP-cost分别为831、735和822 yuan·hm^(-2);温室气体排放强度GHGI分别为0.69、0.61和0.70 t·t^(-1);产量分别为9.20、9.24和9.00 t·hm^(-2)。因此,综合考虑温室气体效应和经济效益,覆膜栽培稻田模式下,配施CP可以保证增产和减排,值得推广。

堆肥过程中有机质和微生物群落的动态变化

利用3个容积约为50 L的平行生物反应装置研究堆肥过程中温度、湿度(水分含量)、pH值和有机质的动态变化情况。按照Van Soest方法根据有机质不同的溶解特性将其分为:溶于沸水的有机质H2O、溶于中性试剂的有机质SOLU、半纤维素(HEMI)、纤维素(CELL)和木质素(LIGN)。结果表明:反应装置内环境湿度调控在60%左右时,堆肥系统内借助生化反应,温度最高可达到约50℃。堆肥材料在反应初期呈现偏酸性(pH=6.5),而随着反应的发生,pH逐渐变为中性或弱碱性(pH=7.4)。经过20 d的堆肥实验,有机质总量降解了约47%。在微生物作用下的各类有机质的降解率不同,按大小排序为H2O>HEMI>CELL>SOLU>LIGN,其降解率分别是85%、56%、36%、32%和27%。为了深入理解堆肥过程中有机质的降解机制,文章采用磷脂脂肪酸(PLFAs)技术对体系中的微生物群落变化进行了初步分析,发现微生物优势群落随反应温度的改变发生明显变化,在堆肥初期和堆肥中期,细菌占优势,而堆肥末期时真菌比例较高。在堆肥的过程中,革兰氏阴性菌的比例呈下降趋势,而革兰氏阳性菌的比例呈上升趋势。

开放式空气 CO_2浓度升高对水稻根系形态的影响

在FACE(free-aircarbondioxideenrichment)技术平台上,采用水培的研究方法,观测了大气CO2浓度升高和两种氮水平下水稻根系形态的变化。结果表明,在水稻各生育期,CO2浓度升高都极显著增加了根干质量,且主要增加于根粗为2.0～2.5mm的部位。根系形态的各项指标均对高CO2浓度有积极的响应,在抽穗期尤为明显;N处理的差异很明显,低氮条件下根系表现为根长、根尖数和根表面积增加,常氮条件下根粗和发根数增加。各生育期的根冠比在高CO2浓度下极显著增加,尤其在LN处理下。水稻从分蘖期到抽穗期,因地上部分的增幅大,根冠比表现为逐渐降低的趋势。

作物地上部氨排放及对大气氮沉降的吸收

为研究作物地上部分氨排放以及对大气氮沉淀的吸收情况,以水稻(Oryza sativa L.)品种武运粳7号和小麦(Triticum aestivum L.)品种扬麦15为例,在盆栽条件下,利用15N同位素示踪技术,采用探索性的研究方法,初步分析了水稻成熟期植株NH3排放和小麦植株直接吸收的大气沉降氮。结果表明,土培的水稻品种武运粳7号地上部植株成熟期排放氨氮(NH3-N)量约占当季总施氮(N)量的(0.50±0.21)%;收获后水稻植株不同部位15N丰度值以根部最高,茎叶次之,籽粒最低,这与植株体内养分的运移顺序变化一致;贫化15N小麦砂培试验测定的包括植株直接吸收在内的大气氮沉降数量为N(14.8±4.3)kg·hm-2,低于国外类似方法以其它作物作为研究对象的测定结果。

AM真菌对烟草砷吸收及根际pH的影响

采用矿区3种砷(As)含量土壤水提液的琼脂培养基变色试验,研究接种土著(Glomus spp.,Acaulospora spp.)与外源(Glomus caledonium)AM真菌对烟草(Nicotiana tabacum L.)As吸收以及根际pH的影响。结果表明,除无As水平下的烟草对照苗根际pH持续升高外,其它处理的烟草化苗根际pH都有先升高后降低的规律,而且菌根化苗根际pH的降低速度快于对照苗。烟草地上部分As含量在所有处理中没有表现出显著的差异。在无As水平下,烟草地下部分As含量依次为外源菌根化苗>土著菌根化苗>对照苗。在低As、中As、高As水平下,土著菌根化苗的地下部分As含量显著高于外源菌根化苗以及对照苗。可见,接种AM真菌可以降低烟草根际pH,从而影响烟草的As吸收,这也显示了AM真菌应用于烟草安全的可能性。此外,本研究表明土著AM真菌与外源AM真菌对培养基质中的同一As水平有着不同的响应。

不同氮肥与磷肥的互作效应

利用盆栽试验研究了潮土中不同氮肥与磷肥的互作效应,结果表明:不同氮肥与磷肥的配合施用对潮土中油菜的生长和养分吸收有显著的交互作用。生长初期,施氮并不能促进、甚至会抑制油菜的生长,氯化铵较其它氮肥作用突出。随着生长期的延长,氮肥对油菜生长的促进作用逐渐显现,但氯化铵的促进作用仍低于其它氮肥。植株养分累积受不同氮肥影响的规律与植株干物质累积表现的规律基本一致。土壤有效磷含量受不同氮肥影响较小,而水溶性磷含量因施用不同氮肥表现出显著的差异,特别是在生长初期的土壤中。相关分析结果表明,油菜生长初期的干物质质量与土壤水溶性磷含量达到极显著相关(r=0.727**)。因此推测,不同氮肥对油菜生长的影响可能因氮肥降低土壤中磷的有效性所致,这些结果对今后的合理施肥提供了重要的参考依据。

吸附反应时间对除草剂阿特拉津吸附行为的影响

采用批量动态实验方法,对潮土中阿特拉津吸附特征随吸附反应时间变化进行了研究。结果表明,土壤吸附的阿特拉津量随反应时间的变化符合双曲线函数关系。在50μg·L-1～2000μg·L-1浓度系列下,在48h内,土壤颗粒对阿特拉津的吸附属于快反应,土壤吸附的阿特拉津量随吸附反应时间呈指数上升,为吸附实验结束(168h)时土壤吸附阿特拉津总量的58%到90%。当吸附反应时间超过48h后,随反应时间增加,土壤吸附阿特拉津量差异变化不显著。阿特拉津在潮土颗粒和土壤溶液中的相分配可用Freundlich方程描述。吸附容量因子Kf与吸附反应时间之间有极显著的线性正关系(r2=0.9063**,p<0.0001)。无量纲的非线性因子n与吸附反应时间之间也具有显著的线性负关系(r2=0.5666*,p=0.0192)。

太湖地区水稻土有机氮厌氧矿化的温度效应

采用淹水密闭培养法研究了太湖地区六种典型水稻土在不同温度下的有机N厌氧矿化过程。结果表明,在28天的培养实验中,当温度设置为15～35℃时水稻土的矿化量为全N含量的3.33%～9.06%(N48～105mg·kg-1)。随温度升高土壤矿化量增大,在30℃时达最大值。温度和土壤类型的差异造成矿化量的差别。选用有效积温式、One-pool、Two-pool和Special模型对有机N矿化进行了拟合,非线性拟合表明Special模型对矿化过程拟合最好,Two-pool模型等同于One-pool模型,不具意义。运用不同温度下One-pool和Special模型中的速率常数得到的Arrhenius方程能较好反映温度效应。温度效应系数Q10在不同的温度范围内差别较大,显示了易矿化部分与有机氮整体矿化对温度变化的响应。

温度和砷酸根对砖红壤中Cd(II)吸附动力学的影响

土壤中砷和镉同时存在的现象普遍存在,但目前对砷酸根与Cd(II)在可变电荷土壤表面协同作用的机制还了解不多。用一次平衡法研究了288 K和308 K温度条件下Cd(II)在昆明砖红壤表面的吸附动力学,比较了加入砷酸根对Cd(II)吸附动力学的影响。结果显示,加As(V)和升高温度均不仅增加Cd(II)的吸附量,而且提高了吸附反应的速率。Cd(II)在砖红壤表面的吸附反应进行的特别快,几乎在30 min内达到准平衡,假二级动力学方程能很好拟合30 min内的吸附动力学数据(r2>0.999 5)。从反应速率常数计算得到的活化能的结果表明,加As(V)显著降低了Cd(II)吸附反应的活化能,这是As(V)促进可变电荷土壤吸附Cd(II)的根本原因。