微塑料对农田土壤碳转化影响研究进展

近年来,微塑料的生态环境风险受到国内外广泛关注。地膜覆盖、有机肥施用、灌溉和包膜控释肥料使用等农田管理措施导致微塑料在农田土壤中持续累积。微塑料在土壤中经过物理破碎、化学分解和生物降解等作用发生迁移和转化,可能影响土壤碳周转,进而影响土壤碳储存和含碳气体排放。因此,通过对国内外有关文献进行总结和整理,系统地梳理了农田土壤中微塑料的种类和来源,分析了微塑料通过提供碳源影响土壤植物呼吸,改变酶活性和微生物群落结构,进而直接或间接影响土壤碳排放和碳转化过程,包括以下几个方面:(1)微塑料是长碳链分子结构,进入农田对土壤有机碳含量和转化及土壤团聚体、孔隙度和含水量等理化属性造成影响;(2)土壤中真菌和细菌对不同类型微塑料的分解和碳周转作用不同;(3)微塑料通过影响植物生长、改变相关功能基因丰度、酶活性和微生物群落组成进而影响土壤碳转换过程。基于分析微塑料在土壤中的碳转化过程,为评估微塑料对土壤碳库的影响提供参考。

施肥方法对甘薯根际土壤真菌群落的影响

【目的】真菌在根际土壤养分循环中发挥重要作用,探究磷肥施用方法对甘薯根际土壤真菌群落的影响,以减少施肥可能对甘薯根际土壤微生态环境的不利影响。【方法】甘薯–小麦轮作长期肥料定位试验位于江苏南京,始于2011年。2020年选择该定位试验中的3个处理:不施磷肥(NK)、单施化肥(NPK)和有机无机肥配合(NPKM),在甘薯膨大期采集储藏根与纤维根根际土壤,测定化学性质,并利用Illumina Novaseq高通量测序技术,分析真菌群落相对丰度、群落组成与多样性,及其与根际土壤化学性质的关系。【结果】1)施肥处理改变了两类根根际土壤化学性质,储藏根和纤维根的根际土壤有机碳、溶解性有机碳、速效钾含量均表现为NPKM>NPK>NK处理,有效磷(AP)含量表现为NPK>NPKM>NK (P<0.05),同一处理两类根际间只有有效磷含量差异显著;纤维根和储藏根的根际土壤pH均以NPKM处理最高,NPK处理最低且显著低于NK处理,NPKM处理的纤维根根际pH显著高于储藏根根际0.81个单位。2) 3个施肥处理两类根系根际土壤的优势真菌类群均为子囊菌门(Ascomycota, 70.2%~77.9%)、担子菌门(Basidiomycota, 5.9%~8.5%)和被孢霉门(Mortierellomycota, 1.8%~8.1%)。3个处理间储藏根根际土壤子囊菌门的相对丰度无显著差异,而NK处理纤维根根际土壤子囊菌门的相对丰度显著高于NPKM处理(P<0.05);担子菌门和被孢霉门的相对丰度在NPK和NPKM处理间以及两类根系的根际土壤间均无显著差异,而NK处理的储藏根根际土壤担子菌门和被孢霉门的相对丰度较NPK处理分别低70.4%和62.9%,较NPKM处理分别降低44.0%和151%(P<0.05)。3) NPKM和NPK处理储藏根根际特有的真菌OTUs数分别为122和113个,而NK处理为86个,远低于NPKM和NPK处理。NPKM处理纤维根根际特有的真菌OTUs数最高(160个),而NPK和NK处理分别为114和127个。NK处理的纤维根根际土壤观察到的物种数和Shannon多样性指数显著高于储藏根(P<0.05),NPKM处理两类根际的观察到的物种数和Shannon指数在3个处理中最高。拓扑网络分析表明,储藏根根际土壤真菌类群关系较纤维根根际的更为复杂,而纤维根根际土壤真菌群落具有更强的相互作用关系。冗余分析(RDA)结果表明,根际土壤有效磷、有机碳含量和pH与根际土壤真菌群落结构显著相关(P<0.05)。【结论】长期施用磷肥降低了甘薯两类根际土壤的pH,但显著提高了有机碳、有效磷和速效钾含量,磷肥配施有机肥还避免了pH的降低,因而较单施化肥更有效地提高了根际土壤的真菌数量和多样性。

生物炭和聚丙烯酰胺施用对土壤有机碳含量的影响及生态经济效益分析

为探究在黄河故道区中低产田平衡作物生产力、经济效益和生态可持续性的综合改良方案,通过田间试验方法,设置耕作方式、聚丙烯酰胺(PAM)施用、生物炭施用3个因素各2个水平,共8个处理,对作物产量、土壤有机碳(SOC)含量、土壤团聚体组成、净生态经济效益(NEEB)等指标进行分析。结果表明,生物炭施用分别提高SOC含量、大团聚体含量和作物产量6.7%~23.3%、1.7%~10.3%和1.74%~5.14%(P<0.05)。每提升1%的大团聚体含量,可提升0.3791 g/kg的SOC;每提升1 g/kg的SOC,可以提升0.1869 t/hm^(2)产量。耕作方式对SOC储量影响显著,相同物料施用下免耕处理的SOC储量、大团聚体含量和作物产量均高于旋耕处理,但仅施PAM处理对SOC含量、大团聚体含量及产量无显著影响(P>0.05)。线性回归模型表明,SOC含量分别与大团聚体含量和作物产量呈极显著正相关关系(P<0.01),表明提升土壤团聚性和SOC含量是作物增产的关键因素。免耕条件下,PAM与生物炭配施处理下的SOC含量、产量均为最高,分别为11.95 g/kg和1.11 t/hm 2,且温室气体排放成本为各处理中最低,可作为兼顾作物生产力和生态效益的改良方案,但由于投入成本提高,生物炭与PAM配施措施下的农户经济效益和NEEB较对照均显著降低,因此从粮食安全及生态改善角度考虑,应完善生态补偿机制,以调动农户积极性,促进改良措施落地。

聚氨酯微塑料和秸秆添加对滨海脱盐潮土有机碳矿化及其组分的影响

为模拟研究聚氨酯包膜控释肥微塑料残膜对土壤有机碳矿化及秸秆降解的影响,采集江苏省滨海地区脱盐潮土,进行为期35 d的室内培养试验。设置未添加物料(CK)、添加0.1%(质量分数w,下同)微塑料(T1)、0.3%微塑料(T2)、1%微塑料(T3)、1%秸秆(S)、0.1%微塑料+1%秸秆混施(T1+S)、0.3%微塑料+1%秸秆混施(T2+S)、1%微塑料+1%秸秆混施(T3+S)共8个处理,分析微塑料及其与秸秆混施条件下土壤有机碳矿化速率、有机碳组分和酶活性的变化特征。结果表明,T3、T1+S、T2+S、T3+S处理可显著促进土壤有机碳矿化,T1、T2处理对有机碳矿化无显著影响。与对照相比,T1、T2、T3处理显著提高了土壤累积矿化量,增幅为72.77%~80.00%。微塑料和秸秆添加处理均增加了土壤可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROC)含量。与对照相比,微塑料处理的DOC、MBC、ROC含量分别增加5.70%~57.43%、9.14%~41.92%和2.87%~57.34%;与单施秸秆相比,微塑料+秸秆处理的DOC、MBC、ROC含量在培养期间分别增加13.74%~75.82%、10.38%~60.19%和2.21%~34.76%。微塑料和秸秆添加处理均显著提高了土壤β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性。微塑料添加条件下土壤有机碳矿化速率与DOC、MBC、ROC含量及β-葡萄糖苷酶活性均呈显著正相关,而与土壤过氧化氢酶活性无显著相关性。结果表明,聚氨酯微塑料短期内可以增加土壤活性碳组分,促进土壤有机碳矿化,聚氨酯微塑料和秸秆对有机碳矿化和酶活性的影响具有交互作用。

有机肥替代化肥对高沙土小麦产量及养分利用率的影响

本试验以小麦品种农麦88为试验作物,高沙土为试验土壤,研究不同比例有机肥替代化肥对小麦产量及养分利用率的影响。结果表明:在泰州市姜堰区高沙土上,有机肥替代化肥的适宜比例为20%,该条件下,小麦产量为6426.0 kg/hm^(2),氮、磷、钾肥利用率分别为35.1%、7.2%、39.7%,与常规施化肥相比,小麦产量基本持平,氮、磷肥利用率分别提高4.2个、2.5个百分点,钾肥利用率降低3.2个百分点。

小麦-甘薯轮作长期增施有机肥对碱性土壤固氮菌群落结构及多样性的影响

生物固氮为农业生态系统提供天然的氮素来源,探究长期增施有机肥对土壤固氮菌群落的影响,为合理增施有机肥和维持土壤固氮微生物群落多样性提供科学依据。选取小麦-甘薯轮作中连续37a不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)、化肥+有机肥(NPKM)处理的甘薯季碱性土壤样品为研究对象。采用Illumina MiSeq高通量测序技术,研究土壤固氮菌群落的组成、多样性及其与土壤特性的关系。结果表明:与对照和单施化肥相比,长期增施有机肥降低土壤固氮菌群落丰富度和多样性,且丰富度与土壤pH显著正相关,与有机碳、全氮和有效养分(硝态氮、有效磷和速效钾)显著负相关。主坐标分析表明长期施肥显著改变土壤固氮菌群落结构,与对照相比,增施有机肥比单施化肥对固氮菌群落结构的影响更大。冗余分析表明土壤有机碳和速效钾是影响固氮菌群落结构改变最主要的因素。长期增施有机肥显著降低变形菌门、蓝藻菌门、Beta-变形菌和固氮弧菌属的相对丰度,显著增加硝化螺旋菌门、酸杆菌门和硝化螺菌属的相对丰度,这与土壤pH、有机碳和有效养分显著相关。因此,在碱性土壤上长期增施有机肥对固氮菌群落结构的改变更大,对群落多样性的抑制作用更强。

长期施氮肥对黄棕壤微生物生物性状的影响及其调控因素

基于黄棕壤小麦-甘薯轮作的长期定位试验,探究不同施氮处理土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量和酶活性的变化及其潜在调控因子,为科学施氮提高土壤质量和改善土壤生态功能提供依据。试验选取始于2011年4个施氮处理:不施肥(CK)、不施氮肥(PK)、施化学氮肥(NPK)和化学氮肥配施有机肥(NPKM),调查两季作物收获后土壤MBC和MBN含量、酶活性及微生物碳氮利用效率的变化,并通过冗余分析(RDA)和结构方程模型(SEM)明确调控弱酸性黄棕壤中MBC和MBN变化的潜在因素。小麦和甘薯两季的结果表明:施氮肥降低了土壤MBC、MBN含量和蔗糖酶(SSC)、脲酶(SUE)活性,与NPK处理相比, NPKM处理增加了MBC、MBN含量和SSC、SUE活性。长期施用氮肥提高了土壤有机碳(SOC)和土壤养分[全氮(TN)和矿质态氮(MN)]含量,但施氮肥显著降低土壤p H以及微生物的碳氮利用效率。与小麦季相比,甘薯季土壤SOC和MN含量有所下降,而MBN含量和SSC活性有所升高。RDA和SEM结果表明,氮肥的施用强化了MBC与MBN、SSC与MBC以及SUE与MBC之间的关联性;不同施氮处理下土壤pH、有机碳、氮含量以及微生物的碳氮利用效率的变化直接或间接地影响土壤MBC、MBN含量和SSC、SUE活性,其中pH是调控土壤MBC变化的直接因素,而土壤SSC和SUE活性与MBC、MBN含量相互影响。长期施用氮肥降低了黄棕壤MBC、MBN含量和酶活性,化学氮肥配施有机肥有利于缓解生物性状的下降,土壤p H是影响MBC变化的主要因素,小麦-甘薯轮作中土壤微生物强烈的碳代谢过程利于增加MBN。

长期增施有机肥对土壤不同组分有机磷含量及微生物丰度的影响

为探究不同施肥模式对土壤不同组分有机磷(Po)含量,细菌、真菌、有机磷转化相关微生物(phoD微生物)丰度和碱性磷酸酶(ALP)活性的影响。以长期施肥定位试验点土壤为试验材料,采用单因素随机区组设计,共选取不施肥(CK)、施氮钾肥(NK)、施氮磷钾肥(NPK)、单施有机肥(M)和有机无机肥配施(NPKM)5个处理。结果表明:与CK和NK处理相比,M处理土壤有机磷含量显著提高52.3%和47.8%,NPKM处理有机磷含量显著提高34.7%和30.6%。M处理土壤有效磷含量分别为CK和NK处理的34.2和31.0倍,NPKM处理有效磷含量分别为CK和NK处理的25.3和23.0倍。与CK处理比较,M和NPKM处理土壤活性Po、中度活性Po、中稳性Po和高稳性Po含量显著增加。M和NPKM处理土壤细菌、真菌、phoD微生物丰度和ALP活性均显著高于CK、NK和NPK处理。土壤活性Po、中度活性Po、中稳性Po和高稳性Po含量与phoD微生物丰度呈显著正相关(P<0.05);活性Po、中稳性Po和高稳性Po含量与ALP活性呈显著正相关(P<0.05),且不同组分有机磷受phoD微生物丰度和ALP活性的影响程度由大到小依次均为高稳性Po、活性Po、中稳性Po和中度活性Po。土壤增施有机肥增加了土壤有机磷及不同组分有机磷含量,提高了细菌、真菌、phoD微生物丰度和ALP活性。

长江中下游薯区甘薯农户施肥现状调查分析

为明确长江中下游薯区甘薯施肥现状,在长江中下游薯区8省份选取29个县市区的472户农户进行实征调查.结果表明,在种植规模和产量水平上,调查区域的种植规模在33350 m^(2)以上的农户比例有20.55%,产量平均值为2133 kg/667 m^(2);在肥料结构上仍然以45%的通用型复合肥(N-P_(2)O_(5)-K_(2)O配比为15-15-15)投入为主,农户专用配方肥施用的比例只有4.03%,有机肥施用比例为23.94%;施肥方式以撒施后翻耕为主,也存在一定比例的穴施和条施;施肥次数以1次为主,追肥的农户比例为7.42%,主要用于菜薯上的施用;在肥料投入上,氮肥(N)、磷肥(P_(2)O_(5))、钾肥(K_(2)O)分别为7.90、6.66、6.94 kg/667 m^(2).显然,目前的施肥现状,配方肥施用仍然不足,氮肥用量趋于合理,磷肥用量偏高,钾肥用量仍然有所欠缺,甘薯施肥仍需要专业技术的指导和推广.

长江中下游甘薯区植薯土壤肥力状况调查分析

为明确长江中下游甘薯区植薯土壤肥力现状,2020年在长江中下游甘薯区8省(直辖市)选取29个区/县(市)的472个样块进行土壤采样,并测定5种土壤肥力指标,分别为土壤pH值,有机质、水解性氮、有效磷、速效钾含量,参照全国第二次土壤普查分级标准对研究区域植薯土壤各指标分别进行评价,并采用改进后的内梅罗指数法对肥力指数进行综合评价。结果表明,目前长江中下游甘薯区植薯土壤pH值为6.26,有机质含量为18.84g/kg,水解性氮、有效磷、速效钾含量平均值分别为84.63、20.14、129.51mg/kg。土壤属于微酸性,速效磷含量为2级,速效钾含量为3级,有机质和水解性氮含量为4级。内梅罗指数法综合评价指数在1.19~4.35之间,其中1至4级占比分别为3.37%、6126%、33.89%、1.47%,8省(直辖市)肥力指数综合评价值在1.75~2.33之间,其中贵州>安徽>湖南>重庆>江苏>江西>四川>湖北,综合评价长江中下游薯区植薯土壤肥力等级为2级,可见近年研究区域内甘薯种植在偏肥沃土壤上。

菌渣施用对黄河故道区低产田土壤理化性质、小麦根系生长和产量的影响

通过对两个小麦生长季进行田间监测,探究了施用菌渣对黄河故道区低产田土壤理化性质、小麦根系生长和产量的影响。试验共设7个处理,分别为不施用菌渣(CK),施用低量(6 t/hm^(2);S1)、中量(12 t/hm^(2);S2)和高量秸秆质菌渣(18 t/hm^(2);S3),施用低量(6 t/hm^(2);B1)、中量(12 t/hm^(2);B2)和高量木质菌渣(18 t/hm^(2);B3)。结果表明:相比CK,施用菌渣后第1年和第2年的小麦产量分别增加了32.4%~51.8%和38.8%~101.2%(P<0.05);逐步回归结果显示,每施用1t/hm^(2)的菌渣,可提升小麦产量0.21t/hm^(2)(P<0.01);不同菌渣类型间的小麦产量和经济效益无显著差异(P>0.05),秸秆质菌渣18 t/hm^(2)处理下可获得最高产量和经济效益;施用菌渣2年后,0~10 cm土壤有机质显著提升24.7%~57.7%(P<0.05),且0~10 cm土壤容重和紧实度分别降低了11.6%~18.2%和20.8%~35.7%(P<0.05;B1处理除外);根系形态指标与小麦产量间均呈正相关关系,菌渣施用对小麦苗期根系总根长、总表面积、总体积和分叉数的增加有显著促进作用(P<0.05);小麦产量与土壤有机质含量呈正相关关系,与0~10 cm土壤容重和紧实度呈显著负相关关系(P<0.05),说明菌渣施用后土壤有机质水平提升、物理结构改善是产量增加的关键机制。本研究表明,针对土壤有机质水平低、物理结构较差的黄河故道区低产田,施用菌渣是改善该地区土壤物理特性,促进作物根系生长,快速提升产量,增加经济效益的有效手段。

减量氮肥配施有机肥及硝化抑制剂对土壤pH值、甘薯产量及构成的影响

有机肥替代化肥和施用硝化抑制剂是提升肥料利用效率、消减施肥所致环境问题的重要途径.2019、2020年针对甘薯(Ipomoea batatas(L.)Lam.)小麦(Triticum aestivum L.)种植体系,设置不施肥(CK)、常规施用化肥(NPK)、单施有机肥(M)、减量施氮+有机肥(80%N+M)、减量施氮+有机肥+硝化抑制剂(80%N+M+NI)和减量施氮+硝化抑制剂(80%N+NI)6个处理,通过田间试验研究减量氮肥配施有机肥及硝化抑制剂对土壤pH值、甘薯产量及构成的影响.结果发现,与NPK处理相比:采用M、80%N+M、80%N+M+NI和80%N+NI 4种施肥处理方式2年,土壤pH值升高0.19~0.34;所有有机肥施用处理(M、80%N+M、80%N+M+NI)下的甘薯产量均无显著变化(P>0.05);在2020年,80%N+M处理下的甘薯T/R值降低明显,80%N+M、80%N+M+NI处理平均薯块质量分别增加21.8%、18.7%;仅减量施氮配施硝化抑制剂处理下的甘薯产量及大薯(>250 g)比例显著降低(P<0.05).可见,在甘薯小麦种植体系下,减量氮肥下配施有机肥或者配施有机肥和硝化抑制剂,可显著减缓氮肥施用导致的土壤酸化进程,且有利于甘薯薯块膨大.

不同植物生长调节剂对甘薯分枝结薯期淹水的缓解效果

为明确分枝结薯期淹水胁迫对甘薯生长及生理代谢的影响及喷施6-苄基腺嘌呤(6-BA)、γ-氨基丁酸(GABA)的缓解效果,筛选出适宜的植物生长调节剂及适宜浓度,以苏薯16、苏薯29为试验材料进行盆栽试验,待甘薯移栽后生长到分枝结薯期(栽后25 d)进行不同处理,分别为正常水分管理5 d后喷施清水(CK)、连续淹水5 d后喷施清水(T1)、连续淹水5 d喷施50 mg/L 6-BA(T2)、连续淹水5 d喷施100 mg/L 6-BA(T3)、连续淹水5 d喷施515 mg/L GABA(T4)、连续淹水5 d喷施1030 mg/L GABA(T5),于喷施结束后5 d进行取样测定相关指标。结果表明:(1)与CK相比,T1处理导致甘薯主茎长、茎粗、分枝数、叶片数、叶干质量、茎干质量、根系干质量和单株干质量显著降低,其次T1处理引起甘薯叶片SPAD值和过氧化氢酶(CAT)活性显著下降,叶片丙二醛(MDA)含量、过氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性显著增加;(2)与T1处理相比,T2~T5处理均能增加甘薯主茎长、茎粗、叶片数、干质量和叶片SPAD值,提高叶片SOD、POD、CAT活性,降低叶片MDA含量,其中T2处理缓解效果最佳;(3)苏薯16在淹水胁迫下主茎长、叶片数、单株干质量、叶片SPAD值、CAT活性的下降幅度以及叶片MDA含量的增加幅度均大于苏薯29,且T2处理在苏薯16上表现出更好的缓解效果。结果表明,喷施50 mg/L 6-BA能有效缓解淹水胁迫对分枝结薯期甘薯所造成的伤害。

玉米生长条件下潮土N_(2)O排放来源定量解析

明确土壤N_(2)O排放来源是阐明N_(2)O产生机制、估算氮肥排放系数的关键。为探究外源氮施用对土壤-作物系统N_(2)O排放的影响,以潮土为研究对象,以玉米为供试作物,设置未施氮肥未种植玉米(N0P0)、未施氮肥种植玉米(N0P1)、施氮肥未种植玉米(N1P0)、施氮肥种植玉米(N1P1)4个处理,采用15 N示踪方法区分N_(2)O排放来源,定量解析N_(2)O排放规律。结果显示,与未施氮处理相比,外源氮施用显著增加土壤N_(2)O排放总量(P<0.05),土壤本底及氮肥对N_(2)O排放总量的贡献分别为22.5%和77.5%。种植玉米和未种植玉米处理外源氮施用后土壤本底N_(2)O排放均显著提高,增加比例为162%~460%(P<0.05)。施氮后增加的土壤本底N_(2)O排放量(以N计)为4.16~6.98 mg·m^(-2),约占N_(2)O总排放的13.7%~18.1%。施氮处理土壤CO_(2)排放量显著高于未施氮处理(P<0.05),且CO_(2)排放量与施氮导致的土壤本底N_(2)O排放增加量呈显著线性正相关(P<0.01),说明施氮促进土壤本底N_(2)O排放与土壤有机质周转加快有关。双因素方差分析结果表明,施氮与种植玉米的交互作用对N_(2)O排放及其来源影响显著(P<0.01)。相比N1P0处理,N1P1处理N_(2)O总排放量显著降低55.0%(P<0.05),但施氮促进土壤本底N_(2)O排放比例增加。N1P0处理土壤无机氮(NO_(3)^(-)-N和NH_(4)^(+)-N)总含量显著高于N1P1处理,而其中的NH_(4)^(+)-N含量显著低于N1P1处理(P<0.05),表明玉米种植显著影响土壤氮素去向及转化过程。在土壤-作物系统中,外源氮施用除导致大量N_(2)O直接排放外,还会显著提升土壤本底N_(2)O排放量及排放比例,且作物生长对N_(2)O排放来源影响显著。在集约化种植的潮土区,除控制肥料源N_(2)O排放外,还应重视土壤本底N_(2)O排放风险。