土壤—植物营养化学研究40年——为纪念南京土壤所建所40年而作

我所的土壤—植物营养化学的研究工作,经历了创建—发展—壮大3个阶段,迄今已历时40年。建所前后,我所的农化工作主要是配合土壤调查工作进行部分土壤化学分析以及少量的肥料试验工作,研究工作处于创建阶段。

南京土壤所揭示玉米铵偏好特性对其氮肥利用率的贡献

施用氮肥是保障作物高产的重要途径,但是作物氮肥利用率很低,施入土壤的氮肥仅有1/3被作物吸收利用,剩余的2/3损失到环境或者残留在土壤,这不仅会对水和大气环境质量造成负面影响,也浪费了肥料,降低了经济效益。提高氮肥利用率对于保障粮食安全、保护生态环境、提高经济效益均具有重要意义。

南京土壤所稀土尾矿浸出化学物质随径流和泥沙的迁移研究取得进展

在我国南方红壤区，稀土采矿活动导致严重的水土流失，不仅降低土壤质量，还可导致矿堆浸出化学污染物（如重金属元素、放射性元素等）随径流和泥沙发生迁移，威胁生态安全和人类健康。然而，矿堆区浸出污染物沿水流路径的分布特征和迁移机制尚不明确。

南京土壤所在氧化铈纳米颗粒对自然生物膜毒理机制研究中取得进展

随着纳米颗粒在各领域的广泛应用,其很容易进入环境并积累,因此纳米颗粒的环境行为及其潜在危害受到广泛关注。自然生物膜是在稻田、湿地、湖泊等生态系统广泛存在的微生物聚集体,具有复杂的群落组成和聚集结构,对于水土界面的养分迁移转化和污染物去除发挥着重要作用。

基于Web of Science对土壤胶体影响重金属行为研究的计量分析

为全面了解土壤胶体影响重金属行为方向的研究现状和前沿动态,基于Web of Science(WoS)核心合集数据库,利用WoS自带分析工具、HistCite引文图谱分析软件、VOSviewer和Citespace可视化分析软件对1990—2021年间土壤胶体影响重金属行为的文献进行了计量分析。结果表明,在世界范围内该方向的发文量逐年稳步增长,我国相关研究起步较晚,但近些年呈现迅猛发展的势头。目前土壤胶体影响重金属行为研究发文量最多的国家和研究机构分别是美国和中国科学院,发文量最高的期刊为Environmental Science&Technology,主要研究学科为环境科学与生态学的交叉学科。关键词聚类分析显示“土壤胶体颗粒粒径分级与重金属的形态分布”、“土壤胶体的释放、沉积及对重金属的吸附作用”和“土壤胶体颗粒的迁移机制与迁移模型研究”为主要的研究主题,人工纳米颗粒在土壤中的行为、迁移转化以及生物有效性是现阶段的研究热点。利用场流分离技术结合单粒子电感耦合等离子体质谱等技术,探讨土壤胶体与人工纳米颗粒之间发生的复杂相互作用及其对人工纳米颗粒迁移归趋与环境命运的影响,是未来的主要研究方向。

基于生态安全的我国土壤镉环境基准研究

土壤镉(Cd)污染的生态安全问题不容忽视,我国目前尚缺乏基于生态风险的土壤Cd环境基准。本研究通过调研国内外关于土壤Cd的生态毒性研究,收集并筛选基于我国土壤的Cd毒性效应数据,采用物种敏感性分布法并结合Cd的生态毒性预测模型,推导不同用地方式下的土壤全量和EDTA提取态Cd生态安全环境基准。共收集与筛选出包含13个物种或生态过程的126个土壤Cd生态毒性数据,其中陆生植物毒性数据60个(6个物种)、无脊椎动物毒性数据39个(3个物种)、生态过程毒性数据27个(4种指标)。土壤Cd生态毒性预测模型研究结果表明,土壤pH是影响Cd生态毒性的最重要因子。自然保护地和农业用地、公园用地、住宅用地、商服及工业用地不同土壤pH值范围的土壤全量Cd生态安全基准分别为1.91~5.25、3.94~11.1、7.59~22.0和10.5~30.8 mg·kg^(-1),基于EDTA提取态Cd的生态安全基准分别为1.13~3.12、2.34~6.62、4.51~13.1和6.24~18.4 mg·kg^(-1)。研究结果可为我国土壤污染风险管控标准的制修订提供依据。

不同土地利用方式下的场地土壤环境容量评价

从土壤功能和环境风险的角度出发,结合我国具体实际,对场地土壤的不同土地利用方式进行分类,以人体健康、地下水安全、土壤生物为敏感受体,研究在不同土地利用方式下基于不同敏感受体的综合土壤环境阈值计算方法,构建场地土壤环境容量的评价方法.在此基础上,以重金属Cd为模式污染物,计算了我国红壤区不同土地利用方式下的土壤环境容量,对场地土壤环境容量的评价方法进行验证.公园用地、居住用地、工矿用地和商服用地的土壤Cd环境容量分别为11.68kg/hm^(2)、28.89kg/hm^(2)、40.84kg/hm^(2)和40.84kg/hm^(2).本研究为基于不同敏感受体的场地土壤的环境阈值和环境容量评估提供了参考方法和案例,为场地土壤环境容量的评价奠定科学基础,对提升我国场地土壤的环境管理水平具有重要意义.

土壤有效硼提取及测定方法比较

本文提出一种沸水浴提取–ICP-OES测定土壤有效硼的方法,并着重比较分析沸水提取–姜黄素比色法、沸水提取–ICP-OES法、沸水浴提取–ICP-OES法和沸水浴提取–姜黄素比色法对土壤有效硼的测定结果。通过讨论4种方法的测定下限、方法检出限和测定精密度及正确度,及对来自不同地区高中低有效硼含量的6种土壤有效态成分标准物质和4种实际土壤样品的测定比较,探讨4种方法分析测定的关键因素、方法相关性。结果表明,沸水浴提取–ICP-OES法操作简单便捷,方法的检测下限低、干扰因素少、重复性好,可适用于各类型批量样品分析及研究。本研究可为实验室开展土壤有效硼测定方法研究提供借鉴,也可为承担“第三次全国土壤普查”土样检测的实验室在土壤有效硼测定的方法选择、效率提升和质量保证上提供技术支撑。

中国优控多环芳烃土壤污染特征及国内外生物可给性研究进展

多环芳烃(PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs)是一类持久性有机污染物,容易在土壤中累积并且毒性显著,但PAHs在土壤固相上的吸附性较强,基于土壤污染总量暴露会导致高估人群健康风险。本研究基于2000―2020年间发表的123篇文献,总结了我国土壤中16种优先控制多环芳烃(∑_(16)PAHs)的污染浓度分布和组成特征,介绍了11种常见的模拟PAHs生物可给性测试方法和主要影响因素,并总结了PAHs的生物可给性系数范围。调研表明土壤∑_(16)PAHs最高与平均浓度分别为23250和1314.7μg·kg^(–1),污染较为严重;近年来PAHs生物可给性测试方法主要基于生理原理提取法(PBET),在模拟消化过程和吸附剂等方面不断完善和改进,并且消化条件、土壤性质等因素对生物可给性结果影响较大。16种PAHs的生物可给性平均值范围为13.2%~72.4%,其中■和苯并[b]荧蒽的生物可给性较高,对∑_(16)PAHs暴露产生贡献较高。本调研结果为开展土壤PAHs污染精细化风险评估研究提供重要理论参考依据。

植物适应土壤逆境的分子机制研究进展

土壤逆境泛指对植物生长和生存不利的各种土壤环境因素,如盐碱、酸性、淹水涝害等。植物在长期的进化过程中,对不同土壤逆境会产生一定的适应能力,了解植物对土壤逆境的生理反应和耐性分子机理,对发掘植物生长潜力,提高农业生产效率十分重要。我国植物营养生物学科研人员经过30多年的努力,在植物适应土壤逆境的分子机制研究领域,取得了一批国际领先的研究成果,本文就近年来取得的部分土壤逆境的适应机制的进展(铝毒害、铁毒害和盐碱胁迫)进行简要评述。如以STOP1为核心的植物抗铝调控机制;ALR1作为一个铝离子受体调控植物的抗铝性;根际铁在调控铵态氮耐性和氮素利用效率的分子机制;提升小麦耐盐性且不会影响穗发育的TaSPL6-D基因等。

基于2次全国制图的土壤可蚀性因子变化趋势

2011年第1次全国水利普查水土保持专项普查基于全国各省(区、市)土壤类型图和土种志剖面数据,制作首张全国土壤可蚀性因子分布图(简称2011版K值)。为了提高土壤侵蚀评价的准确性和可信度,2022年利用全国土系调查数据和随机森林制图方法对中国土壤可蚀性因子分布图进行更新(简称2022版K值)。以全国水蚀区2011版和2022版的土壤可蚀性因子(简称K值)为研究对象,分别在流域尺度和不同土壤类型下对K值大小及空间分布进行研究。结果表明:2022版全国平均K值(0.0298 t·hm^(2)·h/(MJ·mm·hm^(2)))略低于2011版K值(0.0323 t·hm^(2)·h/(MJ·mm·hm^(2))),说明全国水土流失治理发展状况有向好的趋势。其中栗钙土、暗棕壤、盐碱土等土壤类型K值的降低幅度最大,潮土、褐土、黄壤等土壤类型的K值则有所升高。K值降低主要与退耕还林、土壤改良等政策措施的出台和布设有关,升高则与集约化耕作及坡地侵蚀有关。该结果可为水土流失动态监测及治理成效评价提供科学依据。

农田土壤重金属污染现状与安全利用技术研究进展

重金属污染农田直接影响粮食安全和农业可持续发展。安全利用技术主要通过降低土壤中重金属的生物有效性,以减少作物对重金属的吸收累积和消减重金属进入食物链的风险,其对解决我国重金属污染农田有效利用和保障粮食安全生产具有重要意义。因此,本文首先分析了农田土壤重金属污染成因与现状,然后综述了不同安全利用技术,如农艺调控措施(包括低累积作物品种筛选、水肥管理及间作或轮作耕作方式)、原位钝化改良和叶面阻控技术的研究进展,最后提出了强化重金属污染农田土壤安全利用研究及应用的对策。

中国北方碱性农田土壤镉污染修复:现状与挑战

中国土壤镉污染面积广、程度深,但针对于我国北方碱性农田土壤镉污染治理的理论研究及技术研发却较为薄弱。基于VOSviewer软件,分析了近20年来国内外关于碱性土壤镉防控领域的研究方向、主推技术与国际研究格局。在此基础上,系统梳理了碱性土壤中镉的转化过程及影响因素,结合原位化学钝化技术、植物修复和农艺调控措施,进一步总结了碱性土壤镉治理的科学与技术问题。我国碱性农田镉污染治理面临关注度不高、技术研发滞后以及转化困难、土壤-作物(小麦)镉吸收机制不清晰等诸多问题。因此,亟需提高碱性农田土壤镉污染防治的重视程度,研发、试点具有针对性的技术推广模式,构建土壤-作物(小麦)镉精准防控体系,以推动碱性土壤镉污染修复技术与理论的发展及粮食的安全生产。

河套灌区盐渍土壤原核生物群落特征及其潜在功能研究

辨明盐渍土原核生物群落特征及潜在功能对盐渍化程度和土地利用类型的响应,对理解盐渍土壤元素循环与植物互馈效应、构建良性循环农田生态系统具有重要意义。以河套灌区不同盐渍化程度的农田和荒地为研究对象,结合土壤基本理化性质分析与原核生物高通量测序方法,探究盐渍化土壤中原核生物的群落组成特征、环境驱动要素及其潜在功能。结果表明,农田土壤盐渍化程度显著低于荒地,其原核生物多样性更高,尤其是富集了大量农田特有的ASV(扩增子序列变体,amplicon sequence variant);原核生物的群落组成在农田和荒地间差异最大,并主要受到土壤电导率(EC)、pH和有机质(SOM)等环境因子的驱动。基于群落组成和功能预测的差异分析结果表明,盐渍化农田中具有较高丰度的氮循环相关微生物以及潜在的植物促生菌,如亚硝化球菌(Nitrososphaeraceae)、亚硝化单胞菌(Nitrososmonadaceae)、诺卡氏菌(Nocardioidaceae)和鞘氨醇单胞菌(Sphingomonadaceae)等;而盐碱荒地富集了以盐杆菌(Halobacterota)为代表的古菌和具有烃类化合物分解功能的原核生物类群。本研究对于明晰北方灌区盐渍土原核生物群落特征与土壤微环境的互馈关系、揭示土壤养分周转对提升土壤-植物-微生物跨域有益协同具有指导意义。

土壤微生物影响土壤健康的作用机制研究进展

土壤健康是农业可持续发展的中心主题。土壤微生物参与土壤生态功能、环境功能和免疫功能协同驱动土壤生命系统运转,是维持土壤健康的核心与关键。了解不同微生物介导的土壤健康调控机制对有效利用这些核心微生物维持和改善土壤健康至关重要。本文围绕微生物参与调节土壤碳循环、养分循环,改变土壤结构、抑制植物病虫害、污染控制等主要生物过程系统梳理了微生物在调控土壤健康中的重要作用,以及微生物作为土壤健康的敏感指标对土壤健康的指示与预警作用。强调未来应加强驱动土壤健康特定功能以及多个生物过程的核心微生物组信息数据库挖掘、构建与生产应用研究,为定向利用微生物改善农业土壤生态系统功能、维持土壤健康以及保障土壤可持续发展提供科学依据。

我国典型土壤Cr(Ⅵ)固-液分配系数K_(d)值及其在推导保护地下水的土壤环境基准中的应用研究

Cr(Ⅵ)是铬盐、电镀、皮革等行业的特征污染物,极易因土-水迁移造成地下水污染。对于迁移性较强的污染物〔如Cr(Ⅵ)〕,有必要制定保护地下水的土壤环境基准。Cr(Ⅵ)在不同土壤上的吸附和解吸特征参数不同,为获取我国典型土壤Cr(Ⅵ)吸附及解吸过程的固-液分配系数(K_(d)),本研究采用我国黑龙江海伦黑土、河南封丘潮土、海南儋州砖红壤等12种典型土壤,开展了吸附动力学及吸附-解吸平衡实验。动力学研究结果表明,12种土壤均在48 h内达到吸附平衡,与拟一级动力学模型和Elovich动力学模型相比,拟二级动力学模型对Cr(Ⅵ)的土壤吸附动力学过程有更好的拟合效果。吸附平衡实验表明,相较Langmuir等温吸附模型,Freundlich等温吸附模型能够更好地拟合Cr(Ⅵ)在我国典型土壤上的吸附特征。Cr(Ⅵ)土壤吸附过程的固-液分配系数(K_(d)x)非固定值,随着平衡液Cr(Ⅵ)浓度的增大,K_(d)x逐渐减小。解吸平衡实验表明,Cr(Ⅵ)土壤解吸过程的固-液分配系数(K_(d)j)高于吸附过程的对应值。基于三相平衡估算土壤平衡液Cr(Ⅵ)浓度时应采用K_(d)j,且其取值因平衡液Cr(Ⅵ)浓度而异。基于污染土壤与地下水直接接触且不存在地下水稀释的保守假设条件,本研究初步提出了保护地下水的不同土壤的Cr(Ⅵ)环境基准值,研究结果丰富了我国典型土壤Cr(Ⅵ)基础参数数据库,为我国分区制定保护地下水的土壤Cr(Ⅵ)环境基准积累了科学数据。

基于群体感应的生物膜技术在土壤污染修复中的应用与展望

生物膜修复技术凭借其高效性、安全性和经济性,已被广泛应用于土壤中难降解污染物的去除。其中,群体感应效应在生物膜修复过程中起着至关重要的作用。群体感应是微生物普遍存在的细胞间通讯形式,有助于生物膜内不同细菌种内/种间的信息交流,使微生物能够在“群体水平”上相互协作,能够调控生物膜胞外聚合物的生成以及对污染物的吸附固定与降解。本文在简要介绍生物膜和群体感应的功能和作用基础上,结合近年来群体感应调控生物膜形成以及对污染物的降解基础上,综述了群体感应在生物膜修复技术中的应用,最后对生物膜群体感应系统在污染土壤修复中的工程化设计进行了展望。

外源秸秆对污染土壤氧化还原过程水分散性胶体态重金属的影响

土壤胶体尤其是水分散性胶体,作为一种重要的污染物载体,在重金属吸附、迁移以及生物吸收过程起着重要作用。通过土壤培养试验探讨了外源添加水稻秸秆在氧化还原波动条件下如何影响土壤液相中及水分散性胶体中重金属的分布。结果表明,外源秸秆增加厌氧过程液相中溶解性有机碳(DOC)、砷(As)、铁(Fe)、锰(Mn)、钙(Ca)、钾(K)、硅(Si)、铝(Al)、镁(Mg)等浓度,降低了厌氧过程氧化还原电位(Eh)及铜(Cu)、铅(Pb)等浓度,提高了好氧过程Pb浓度。利用非对称流场流分馏-紫外可见-电感耦合等离子体-质谱联用技术(AF4-UV-ICP-MS),测得水分散性胶体颗粒主要分布在0.3~3 kDa、3~40 kDa和130 kDa~450 nm三个粒径范围,各粒径颗粒的组成有所差异,主要含有机质、无机黏土矿物和铁矿物等。外源秸秆促进液相中Fe和As由胶体态向溶解态转化,促进镉(Cd)和Cu由溶解态向胶体态转化。本研究有助于揭示农业活动影响重金属迁移转化及有效性的界面机制。

宁夏卫宁平原土壤锌地球化学特征与富锌小麦种植区预测

研究目的大部分粮食作物锌含量较低,人体难以从正常的膳食结构中获取足够的锌元素。通过开展土地质量地球化学调查,探寻种植富锌作物的适宜区域,是基于自然途径使作物达到富锌标准的最优方案。研究方法本研究以宁夏卫宁平原农业用地为研究区,基于土地质量地球化学调查所获取的农用地表层土壤、小麦籽实及其根系土中元素地球化学数据,研究了表层土壤、小麦籽实Zn地球化学特征,探究了小麦籽实富集Zn的影响因素;以中国健康膳食营养结构与居民膳食营养素参考摄入量为基准,推算出富锌小麦锌含量区间值。研究结果研究区表层土壤Zn含量范围25.1~102.0 mg/kg,背景值61.4 mg/kg;研究区小麦籽实Zn含量范围13.34~37.78 mg/kg,平均值24.72 mg/kg,生物富集系数(BCF)平均值0.41;富锌小麦Zn含量取值范围为26.5~50.0 mg/kg,研究区小麦籽实的富锌比例为36.7%;基于神经网络模型预测出卫宁平原适宜种植富锌小麦的农用地面积为242.86 km^(2)。结论研究区表层土壤Zn空间分布较为均匀且主要受到成土母质控制;小麦籽实富集Zn的能力为中等,土壤Zn、Fe_(2)O_(3)、K_(2)O、SiO_(2)/Al_(2)O_(3)与小麦籽实Zn具有显著相关关系;神经网络模型能构建出可靠的预测模型,可以作为基于地球化学调查数据探寻有益微量元素富集作物种植适宜区的方法。

土壤微塑料与重金属复合污染机理及其植物生理效应研究进展

微塑料能够吸附土壤中的重金属并形成复合污染,改变单一污染物的环境行为,进而影响植物生长发育。本研究综合评述了土壤微塑料与重金属的复合污染机理、关键控制因素及其对植物的生理影响。土壤中的微塑料可作为载体吸附重金属,影响重金属的生物有效性,改变重金属在土壤-植物系统中迁移行为,且该过程与微塑料种类、形貌、粒径、老化程度以及重金属种类、浓度、生物有效性等因素密切相关。土壤微塑料与重金属能够吸附在植物表面或进入植物体内,影响植物生长,改变光合作用强度,诱导氧化应激和抗氧化活性酶变化,影响植物代谢和营养吸收等。同时,植物体内富集的微塑料与重金属可沿食物链进行迁移,威胁人类生命健康。本文最后对土壤微塑料与重金属复合污染的研究进行了展望,以期为后续研究提供参考。