有机肥部分替代化学氮肥的安全施用比例及环境容量研究--以典型土壤生菜种植为例

通过对浙江省9种不同典型土壤进行生菜种植盆栽试验,并联合多元线性回归和土壤环境静态容量模型,研究不同有机肥替代化学氮肥比例对土壤环境质量、农产品产量及质量和土壤环境容量变化的影响。结果表明:有机肥部分替代化学氮肥施用增加了土壤全氮和有机质的含量(除黄松土外),且显著增加了生菜产量。不同施肥处理下不同土壤类型及其生菜地上部重金属累积差异明显,有机肥施用显著增加了小粉土、培泥砂土和黄斑田的镉(Cd)含量。施加有机肥后,在黄斑田、小粉土和培泥砂土上种植的生菜地上部Cd、铬(Cr)、砷(As)和铅(Pb)含量显著上升,但黄红壤中的显著下降。在培泥砂土和小粉土上种植生菜的有机肥部分替代化学氮肥的安全施用推荐比例均为10%,青紫泥田和黄红壤均为20%,黄斑田和黄松土均为30%,淡涂粘田为40%。随着有机肥替代施用年限的增长,土壤重金属环境容量逐渐降低,因此,严格管控有机肥的施用量及施用年限有助于保障土壤环境质量和农产品的安全。

新形势下大豆产地土壤环境保护与功能提升的研发建议

大豆在我国农业和人体膳食结构中具有重要的不可替代性。本文系统梳理了影响大豆高产创建和品质安全的土壤环境与微生态障碍相关研究进展。文献计量结果表明,近20年国际研究热点主要聚焦于除草剂的土-水界面吸附与迁移过程、重金属污染的食物链安全风险、大豆生长与污染毒理、地下病害防治等方面,更多关注大豆抵抗污染胁迫和病害的逆境适应性生理调节机制,缺少对影响大豆生长和引起大豆减产的地下土壤过程的研究,中国对大豆产区的地下土壤环境过程与微生态效应的关注也较少。在国家粮食安全战略调整及农业供给侧结构性改革新形势下,围绕大豆产业研究的后续工作迫切需要有机结合粮食丰产增效和污染耕地安全利用攻坚战,注重从只聚焦土壤肥力、优化育种及栽培生理、追求大豆产量,向同时关注土壤安全与微生态健康、保障大豆质量安全、支撑大豆产业高质量绿色发展进行转变,开展协同大豆产地土壤健康与污染防控的高产创建系统研究,更加凸显产地土壤环境保护与功能提升在大豆绿色生产和高质量发展中的作用。

基于Web of Science对土传病害研究现状和趋势的计量分析

土传病害是限制我国作物产量和品质的重要因素,同时土传病害的田间蔓延也使得作物产量对农药依赖程度越来越大,造成环境污染问题。为了了解土传病害国内外的研究状况,本文利用CiteSpace知识图谱分析工具、VOSviewer可视化分析软件与HistCite引文图谱分析工具,对Web of Science核心合集数据库中土传病害研究领域的发文数量与学科分布、发文的主要国家(地区)与机构、发文的主要学术期刊、主要研究学者、主要研究热点及其变化趋势等进行计量分析。结果表明:(1)土传病害相关研究受到的重视程度越来越高,进一步支持土壤科学工作者对土传病害的研究将有重要意义。(2)美国、中国、澳大利亚、法国等国家在该领域发文较多,且国家之间合作密切。(3)土传病害研究领域的本地引用次数列前二的期刊为Phytopathology和Plant Disease,其中5年影响因子较高的主要发文期刊有:Soil Biology&Biochemistry、Plant Disease、Plant and Soil以及Applied Soil Ecology等。(4)土传病害领域高产学者有Shen Qirong(沈其荣)、Gilligan Christopher A、Mazzola Mark、Weller David M、Cao Aocheng(曹坳程)和Cai Zucong(蔡祖聪)等。(5)生物防控是土传病害的一个研究热点,典型的病原微生物有立枯丝核菌、大丽轮枝菌、尖孢镰刀菌、青枯雷尔氏菌等。(6)土传病害未来研究趋势主要集中于土壤微生物多样性与土传病害间的关系、寄主植物与病原微生物间的关系及土传病害防控机制与技术等方面。

污染场地研究现状与发展趋势:基于知识图谱的分析

为了解国内外污染场地相关研究状况,利用知识图谱工具VOSviewer、CiteSpace与Hist Cite对Web of Science核心合集数据库中发文的主要国家(地区)与机构、主要发文期刊、主要研究学者、重要文献和研究热点及其变化趋势等进行了计量分析。结果表明:(1)污染场地的研究涉及多个国家之间相互合作,发文机构中中国科学院、橡树岭国家实验室、滑铁卢大学、中国科学院大学与亥姆霍兹环境研究中心在该研究领域合作广泛。中国于近五年发文量超过美国,成为该领域发文最多的国家。(2)污染场地研究的主要发文期刊有Science of the Total Environment、Chemosphere、Environmental Science&Technology、Environmental Science and Pollution Research等,Naidu Ravi、Huang Guohe、Megharaj Mallavarapu等是该领域发文较多的研究学者。污染场地前十(TOP10)的重要文献中,生物修复相关内容中占据了较高比例。(3)关键词聚类网络主要可分为污染场地生物毒理研究、土壤重金属及修复技术、污染物环境行为及水体修复、有机污染物生物修复等4类。(4)文献计量的结果分析表明土壤与地下水均为污染场地有害物质重要承载体,污染场地中土壤和地下水具有一体性,如果忽视了对地下水中污染的修复,则可能会导致场地的二次污染。重金属与多环芳烃是污染场地重点关注的污染物,我国目前重金属污染防治工作依然不容乐观,需要进一步加强和落实相应工作。寻求高效绿色的修复技术仍是解决污染场地问题的一个重点,提升微生物修复技术在有机污染场地修复中的应用价值,具有重要意义。

不同还原条件下多环芳烃厌氧微生物降解研究:基于文献计量的剖析

厌氧微生物降解是环境中多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)污染削减的重要途径。为系统、全面地了解PAHs厌氧微生物降解的研究现状,以Web of Science核心数据库为数据源,对该领域已发表文献进行文献计量分析,并以厌氧环境中不同还原条件对应的电子受体还原体系为切入点,分别论述反硝化体系、金属离子还原体系、硫酸盐还原体系和产甲烷体系中的PAHs厌氧微生物降解的研究进展,在此基础上重点对土壤中PAHs厌氧微生物降解研究的现存理论空白和未来发展趋势进行探讨。分析结果表明,PAHs厌氧微生物降解领域的研究整体较少,其中,绝大多数仅针对低环PAHs;不同还原条件中对产甲烷和金属离子还原体系的关注也较少;已有研究多侧重纯培养物或水体、沉积物等环境介质,较少基于土壤展开,且新兴技术在该领域尚未得到广泛应用。因此,目前针对土壤中PAHs厌氧微生物降解的认识尚存在诸多理论空白。土壤是环境中PAHs汇集和积累的重要场所,未来应当尝试将单体稳定同位素分析、稳定同位素核酸探针、组学等多种新兴技术与传统研究方法相结合,从多种角度深入探究土壤PAHs厌氧微生物降解的机制,并将已有的理论和经验在土壤中进行验证,以填补现存理论空白,推进厌氧土壤中PAHs污染微生物修复工作的开展。

坡面氮素流失的坡度和雨强效应模拟研究

为了研究坡面径流和壤中流中全氮(TN)的流失特征,探索坡度和雨强对TN流失的影响,以风化花岗岩母质发育的土壤为研究对象,选定坡度(5°,8°,15°,25°)和降雨强度(60,90,120,150mm/h)作为可变量,采用原状土搬迁的方式,在室内设计的径流槽上进行人工模拟降雨试验,设计试验降雨时长为坡面径流产流后90min,壤中流水样收集延续直至无出流为止。结果表明:(1)坡面径流TN流失浓度在产流初期快速下降,随雨强的减小或坡度的增大而增大,产流后期浓度趋于稳定且差距不大。(2)壤中流TN流失浓度均明显高于坡面径流,其流失过程规律为"上升—下降—略有上升—平稳",总体上随雨强的减小或坡度的增大而增大。(3)坡面径流和壤中流的TN流失量均随雨强或坡度的增大而增大。壤中流是坡面TN流失的主要途径,流失比例可达91.26%~99.61%。坡面径流中TN流失量占坡面TN总流失量的比例随雨强的增大而增大。(4)雨强、流量与坡面径流、壤中流TN总流失量均呈极显著正相关,而坡度只与壤中流TN总流失量呈显著正相关。(5)在雨强90mm/h与120mm/h之间存在一个临界雨强,超过这个临界雨强,坡面径流TN流失量及其占总流失量的比例都会大幅上升。

基于整合高通量绝对定量法的土壤微生物多样性分析

目前,常用的高通量测序技术只能得到微生物群落结构的物种种类和相对丰度,而整合高通量绝对定量法(iHAAQ)结合了高通量测序技术和qPCR技术,可以进一步计算得到微生物群落结构的绝对含量。相对丰度和绝对含量均是描述微生物群落结构的必备指标,其中相对丰度适合描述和评价微生物群落结构在单个样本内微生物之间的关系,而绝对含量更适于描述和评价微生物群落结构真实的数量变化以及在样本间微生物之间的关系。本研究基于发表的香蕉土传病害、再造沙地农业生态系统和微生物抑制剂作用3篇文献的高通量测序和qPCR数据,通过整合高通量绝对定量法获得3篇文献中古菌域、细菌域和真核生物域的真菌三类微生物群落结构的绝对含量数据,并进一步计算出这三类微生物整体(简称三域微生物)的绝对含量和相对丰度,从而对土壤微生物群落结构不同物种的相对丰度和绝对含量进行分析,旨在更加深入、准确地揭示土壤微生物群落及其生态功能。结果表明:(1)土壤中细菌的物种丰度和绝对含量高于古菌和真菌,在三域微生物中占据主导地位,缺乏绝对含量指标可能造成对微生物群落结构变化理解的偏差;(2)基于相对丰度和绝对含量数据分析,微生物群落结构α多样性指数结果相同,但β多样性指数结果不同;(3)在香蕉土传病害和再造沙地农业生态系统研究中,三域微生物的PCoA结果与细菌的结果较为相似,表明这两项研究中三域微生物群落结构主要受细菌的影响,但在微生物抑制剂的研究中未发现类似结果。整合高通量绝对定量法可以应用于所有同时进行高通量测序和qPCR分析,在未来的土壤微生物群落结构研究中,采用高通量绝对定量法开展三域微生物群落的物种种类、相对丰度和绝对含量的整体评价,具有重要的生态学意义。

侵蚀性风化花岗岩坡地降雨产流及水文过程研究

为研究坡地的降雨产流分配及水文动态过程,以侵蚀性风化花岗岩坡地为研究对象,采用室内人工模拟降雨的方法研究不同降雨强度(30,60,90,120,150mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下坡面径流和壤中流的分配特征与水文过程。结果表明:坡面径流的初始产流时刻均随降雨强度和坡度的增大而提前,壤中流的初始产流时刻明显滞后于坡面径流。壤中流径流量在不同坡度下随降雨时间的延长呈先递增后趋于平稳的现象,雨强越大达到峰值的时间越早,在降雨停止一段时间后径流量开始下降。多数情况下,壤中流所占总径流量的比重均大于坡面径流,坡面径流量比重随雨强的增大而增大,随坡度的变化幅度较小。坡面径流的径流系数与雨强的相关性较强,而壤中流径流系数与坡度之间的拟合效果较好。不同坡度下坡面径流、壤中流和混合流(坡面径流与壤中流同时发生)的径流模数与雨强呈正相关关系,不同类型径流的径流模数大小依次为混合流>壤中流>坡面径流。

侵蚀性风化花岗岩坡地壤中流携氮磷流失动态模拟

[目的]探究侵蚀环境下,风化花岗岩残积坡地土壤氮磷流失特征以及坡面径流和壤中流携带氮磷流失的强度和贡献率,为不同侵蚀环境及生态环境脆弱条件下,坡地氮磷流失规律的试验研究及防治提供理论依据。[方法]采用原状土搬迁,室内人工模拟降雨的方法,设计2个坡度(8°和25°),5个降雨强度(30,60,90,120,150mm/min),通过坡度与雨强的多重组合试验,在测试浓度与径流量分析的基础上,研究氮磷流失强度及在坡面径流和壤中流中的分配。[结果](1)在强烈侵蚀的坡地,土壤结构性较差,漏水漏肥现象严重,壤中流随携带的氮磷流失比重很大,壤中流携带的TN流失量均占到总流失量的90%以上,TP稍次之;(2)TN随径流的流失量远大于TP的流失量,径流中TN与TP总流失量的比值最高能达到160倍;(3)雨强对氮磷流失量的影响大于坡度的影响,径流量的影响大于浓度的影响。(4)雨强对氮磷流失的影响存在2个转折,在60mm/min附近存在一个蓄满产流和超渗产流的雨强分界,在90mm/min左右,出现一个侵蚀性雨强的转折。[结论]强烈的侵蚀影响土壤养分的流失方式及流失通道的比配,壤中流所携带氮磷流失所占比重很大,进而会影响到地下水的污染问题,加强残积土母质坡地土壤的侵蚀防治,是地表水和地下水面源污染控制及土壤养分流失减少的根本。

植被覆盖和施肥对不同坡长坡地总磷流失的影响

为了研究坡地总磷流失特征,探究植被覆盖和施肥对不同坡长坡地总磷流失的影响,以浙江省丘陵区坡面菜地红壤为研究对象,通过室内人工模拟降雨试验,在固定雨强120mm/h、固定坡度20°、每场降雨试验的产流历时设计为30min的条件下,选定不同坡长(1,2,3,4,5m)、不同植被覆盖度(0,15%,30%,45%,60%,75%,90%)和不同施肥处理空白(CK)、无机复合肥(CF)、有机肥(OF)下进行模拟降雨试验。结果表明:(1)在不同施肥处理、坡长条件下,随着植被覆盖度的增加,单位投影面积总磷流失模数逐渐减少,其中1m坡长下的减少趋势不明显,5m坡长下的减少趋势最明显;不同坡长条件下随着植被覆盖度的增加,单位投影面积总磷流失模数均在90%覆盖度时达到最小,裸地时最大。(2)在不同施肥处理、相同植被覆盖度条件下,等长度增加坡长,总磷流失量的增量非等量增加,且在2~3m处最小,3~4m处最大,说明该试验条件下的临界坡长为4m,最佳坡耕地坡长为3m。(3)在不同施肥处理、坡长条件下,侵蚀相磷素流失量占总磷输出量的比值为30.24%~94.61%,除1m坡长下存在部分比值小于50%以外,其他均高于50%,说明坡地磷流失主要以侵蚀泥沙携带流失为主。(4)不施肥条件下侵蚀相磷素流失量占总磷输出量的比值高于施肥条件下的,且相比施用无机肥,施用有机肥条件下侵蚀相磷素流失量占总磷输出量的比值较高。

极端暴雨下裸地坡面径流及壤中流中碳素输移特征

采用人工模拟降雨的方法,研究了不同雨强(90、120、150mm·h^-1)和坡度(5°、8°、15°、25°)条件下,南方风化花岗岩母质土壤红土层裸地降雨坡面径流和壤中流中总碳(Total carbon,TC)的流失量及流失过程,并分析了雨强和坡度对TC流失量的影响。结果表明,在坡面径流中,坡度和雨强的增大对碳素质量浓度变化过程影响较小,且流失率曲线与质量浓度曲线呈极显著相关关系,TC流失率变化主要受质量浓度的影响;在壤中流中,TC质量浓度曲线呈现出迅速上升达到最大值后缓慢下降直至平稳的趋势;在试验条件范围内,各坡度条件下,随着雨强的增大,坡面径流中TC流失量增大,而壤中流中TC流失量减小;在大雨强下,坡面径流中TC流失量与坡度没有明显的线性关系,而随着雨强的增大,坡度与壤中流中TC流失量线性关系明显增加;在试验雨强和坡度下,雨强对TC流失总量和坡面径流中TC流失量的影响较坡度更显著,而在壤中流中坡度的影响则更显著。径流中碳素流失量与雨强、坡度及场降雨径流总量之间均有明显的线性关系,R^2>0.800。结果可为我国南方风化花岗岩母质土壤裸坡径流中TC单位面积流失量的估算提供依据。