典型砂姜黑土黑色物质提取方法及成分研究

土壤颜色是反映土壤发生、分类及肥力特征的一项重要物理指标。黑色土壤一般有较高的有机质含量,但砂姜黑土是低有机质含量的黑色土壤典型代表。以黄淮海平原3种典型砂姜黑土为研究对象,分别采用添加六偏磷酸钠分散剂后振荡并结合多层次超声处理(HP)、添加碳酸钠分散剂后振荡并结合多层次超声处理(SC)和仅超声波处理(US)等3种方法分散土壤,然后依次提取土壤浅色组分(颗粒态有机质(POM)、白(W)、浅白(LW))和黑色组分(浅黑(LB)、黑(B)、深黑(DB)),旨在建立土壤黑色物质的有效提取方法。结果表明,HP方法提取黑色物质(LB、B和DB)的量最多,且提取量与土壤黑度间相关性最显著(P0.01),是提取砂姜黑土黑色物质的最佳方法。不同提取组分中的土壤黑度与有机质含量无明显相关性,砂姜黑土的显色主要取决于由蒙皂石吸附有机质形成的黑色纳米有机-无机复合体,受有机质含量的直接影响相对较小。本研究提出了一种砂姜黑土黑色物质提取方法,并初步明确了黑色物质组成特征,可为揭示砂姜黑土有机质形成与累积机制提供参考。     

典型黑土的黑度与土壤有机质组分关系研究

土壤颜色作为土壤的一项重要物理指标，被广泛应用于土壤诊断、分类以及土壤性质判断。在矿物成分大致相同条件下，土壤有机质(SOM)是控制土壤变黑的重要因素。采用基于CIEL^*a^*b^*颜色分析系统的分光测色仪，并结合土壤物理分组方法，对30个典型黑土及其物理组分(轻组、粗颗粒、细颗粒和矿质结合态有机质)的黑度进行了分析，旨在明确黑土SOM含量与其黑度间的定量关系，揭示不同物理组分对土壤黑度的贡献。结果表明：黑土的黑度与SOM、以及各物理组分的黑度与相应组分的有机碳含量之间，均呈显著正相关关系。而且随着组分稳定程度的增加，这种相关性逐渐增强。从不同组分看，轻组和粗颗粒组分的黑度值大于细颗粒和矿质结合态组分，但相关分析表明，轻组和粗颗粒组分的黑度与原土黑度无显著相关关系，二者对土壤黑度的贡献率仅为2.6%。而矿质结合态组分作为土壤腐殖质的主要储存位置，其对土壤的黑度贡献率达81%以上，是黑土呈现黑色的决定性因素。     

秸秆还田和保护性耕作对砂姜黑土有机质和氮素养分的影响

通过田间试验,分别采集小麦成熟期、玉米成熟期和小麦播种期耕层土样,研究不同的秸秆还田方式(秸秆还田、焚烧还田和火粪还田)与保护性耕作(减耕和免耕)对砂姜黑土有机质和氮素养分的影响,以期得到培肥砂姜黑土的最佳方式。结果表明:作物秸秆还田可以增加砂姜黑土有机质和全氮的含量,但是对速效氮含量影响不大。在不同的秸秆还田和保护性耕作处理中,秸秆火粪还田和免耕条件下的秸秆还田对砂姜黑土有机质和全氮含量的增加效果最为明显。与对照相比,秸秆火粪还田后土壤有机质和全氮含量分别平均提高4.45 g/kg和0.131 g/kg;免耕条件下的秸秆还田其土壤有机质和全氮含量分别平均提高3.36 g/kg和0.095 g/kg;减耕条件下的秸秆还田和秸秆粉碎还田对增加砂姜黑土有机质和全氮含量的效果不显著;秸秆焚烧不能增加砂姜黑土有机质和全氮的含量。秸秆还田和保护性耕作不会大幅度提高砂姜黑土C/N进而影响土壤氮素养分的供应,同时秸秆还田能有效提高土壤微生物量碳氮,但微生物量的碳氮比却保持在适宜的范围内。     

砂姜黑土有机碳与微生物群落特性之间的关系

砂姜黑土是我国典型的中低产土壤,提升土壤有机质是砂姜黑土改良的重要环节,然而砂姜黑土有机质与微生物之间的关联关系尚不明确。本文采集40个代表性苏北平原砂姜黑土样品,测定土壤有机碳、全氮、可溶性有机碳、微生物生物量碳氮,利用稳定性同位素13C标记的谷氨酸测定微生物碳利用率、16SrRNA基因高通量测序分析微生物群落结构,研究苏北平原砂姜黑土有机质及关键微生物的关联关系。结果显示:苏北平原砂姜黑土有机碳含量为15.82 g/kg,可溶性有机碳占土壤有机碳含量的2‰,表明有机质的碳有效性较低;砂姜黑土优势菌门为变形菌门,优势菌科以黄单胞菌科、Gaiellaceae、酸杆菌科细菌为主,但高效的碳转化菌群(如酸杆菌纲和放线菌)较少;微生物碳利用率普遍较低,在0.07～0.20之间,与有机碳、可溶性有机碳和微生物生物量碳含量显著相关。因此,较低的微生物碳利用率、较低的碳转化菌群组成比例制约了砂姜黑土有机质的形成与提升。     

碳酸氢铵和尿素在山东省主要土壤类型上的氨挥发特性研究

采用全程密闭通气法研究了山东省四种主要土壤类型 (棕壤 ,褐土 ,潮土和砂姜黑土 ) ,尿素和碳酸氢铵表施后的氨挥发特点。结果表明 :碳酸氢铵初始的氨挥发强度大于尿素 ,而氨挥发总量小于尿素 ,尿素在四种类型土壤上铵挥发强度次序为 :褐土 >潮土≈砂姜黑 >棕壤 ,氨挥发总量次序为 :褐土 >潮土≈砂姜黑土 >棕壤 ;碳酸氨氢在四种类型土壤上氨挥发强度次序为 :褐土 >潮土≈砂姜黑土 >棕壤 ,挥发总量次序为 :褐土 >棕壤 >潮土≈砂姜黑土。影响氨挥发的因素主要有 :氮素形态 ,土壤 pH、CEC、粘粒含量和粘土矿物类型、有机质含量等 ,但在不同土壤中其影响的主导因素又有较大差异。     

生物炭、秸秆和有机肥对砂姜黑土改性效果的对比研究

砂姜黑土是广泛分布于我国黄淮海平原、具有多种障碍因子的典型中低产土壤。本研究通过小麦和玉米轮作盆栽试验,研究了生物炭、秸秆和有机肥3种有机物料对砂姜黑土性质的改良效果。结果表明:添加秸秆能显著提高土壤微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量,减小土壤线性延展系数(COLE);添加生物炭对砂姜黑土MBC和DOC影响不显著,但显著减小土壤COLE。对土壤磷脂脂肪酸(PLFA)含量的分析发现,添加秸秆显著提高了小麦灌浆期和玉米抽雄期土壤总磷脂脂肪酸、细菌、真菌、放线菌和腐生真菌的含量,而添加生物炭和有机肥对土壤总磷脂脂肪酸、细菌、真菌、放线菌、腐生真菌和真菌/细菌影响不显著。综上,生产实践中3种有机物料添加应根据各地砂姜黑土主要障碍因子不同而灵活选择。     

高磷小麦秸秆提高砂姜黑土磷有效性并促进土壤磷素的转化

  【目的】  研究不同含磷量的小麦秸秆还田对土壤磷素有效性的影响及其机理,为秸秆还田促进砂姜黑土磷素高效利用提供理论支撑。  【方法】  采用室内模拟培养试验方法,供试土壤为砂姜黑土。高磷和低磷小麦秸秆取自长期定位试验的施磷和空白对照小区,小麦秸秆含磷量分别为2.17、0.51 mg/kg。培养试验设不添加秸秆对照(CK)、添加低磷小麦秸秆(LS)、添加高磷小麦秸秆(HS) 3个处理,保持70%田间持水量,25℃下恒温培养90 天。在培养0、3、7、15、30、60、90 天时,测定土壤Olsen-P、无机磷组分、有机磷组分、磷酸酶活性、解磷菌数量、土壤微生物量磷(MBP),计算土壤MBP的周转量和周转率。  【结果】  土壤Olsen-P含量随培养时间增加,在培养第15 天达到稳定。培养90 天时,HS处理Olsen-P含量比CK提高了59.4%,而LS处理土壤Olsen-P含量比CK降低了23.9% (P<0.05)。培养90天时,HS和LS处理土壤Ca₁₀-P和Fe-P含量均显著低于CK处理,而Ca₈-P含量显著高于CK处理,HS处理的Ca₂-P含量显著高于LS和CK处理,而LS和CK处理Ca₂-P含量无显著差异。与CK处理相比较,LS和HS处理土壤活性有机磷(LOP)和中等活性有机磷(MLOP)含量显著提高,而中等稳定性有机磷(MSOP)含量显著降低,3个处理间高稳定性有机磷(HSOP)含量无显著差异。HS处理的LOP含量比LS和CK处理分别提高了37%和158%。HS和LS处理均促进了MSOP向LOP和MLOP形态转化。秸秆还田增加了土壤中解有机和无机磷细菌数量以及土壤磷酸酶活性。添加秸秆后增加了土壤MBP的累积同化量、累积矿化量、周转量和周转强度,HS处理的提升效果高于LS处理。HS处理下MBP的周转期较LS处理短。  【结论】  高磷小麦秸秆施用更有利于土壤中Ca₁₀-P和Fe-P向Ca₂-P和Ca₈-P的有效转化,更有效提升了微生物量磷的矿化和周转,提高砂姜黑土潜在的供磷能力。因此,高磷小麦秸秆还田可增加砂姜黑土磷的有效性,而低磷小麦秸秆还田可能会降低砂姜黑土磷的有效性。     

黑土、潮土和红壤可溶性有机质的光谱特征及结构差异

为探究不同类型土壤可溶性有机质(DOM)含量和结构的差异性,选取黑土、潮土和红壤3种土壤的表层土壤(0~20 cm)为研究对象,提取其中的DOM,应用紫外–可见光谱、荧光光谱等技术,分析土壤中DOM的数量和光谱特征。结果显示:3种不同类型土壤中可溶性有机碳(DOC)含量及其与土壤有机碳(SOC)的比值(SOC/DOC)大小为:红壤>黑土>潮土(P<0.05);A254值大小为黑土>潮土>红壤,但SUVA254值大小为:潮土>黑土>红壤(P<0.05),表明潮土DOM的芳香化程度最高,但芳香性结构物质含量低于黑土DOM,红壤DOM的芳香性结构物质含量和芳香性构化程度均低于黑土和潮土DOM;荧光发射光谱腐殖化指数(HIXem)和荧光效率(Feff)值大小为:红壤>黑土>潮土(P<0.05),说明红壤DOM的腐殖化程度和π电子共轭基团含量比潮土和黑土DOM高;荧光指数(FI)大小为:红壤>潮土>黑土(P<0.05),表明红壤DOM比潮土和黑土DOM含有更多的微生物源组分;荧光同步光谱显示,黑土和潮土DOM以类蛋白质基团为主,红壤DOM以木质素类基团为主;在土壤有机质含量、黏粒含量和黏土矿物种类不同的情况下,土壤对DOM的吸附能力不同,使土壤DOM的提取比例也存在显著差异。     

东北黑土有机质组分与结构的研究进展

在全球气候变化背景下研究土壤有机质的转化过程对于评价陆地生态系统碳截获潜力具有重要意义,而土壤有机质的循环特征及其稳定性与土壤有机质的组成和结构密切相关.东北黑土区是我国重要的商品粮基地,近年来,黑土有机质含量呈显著下降趋势,造成黑土肥力和质量的严重退化.本文通过文献资料的整理,总结了不同农田管理措施下黑土土壤有机质的消长动态、组分变化以及结构特征的研究现状,并探讨了研究中存在的问题.开垦和耕作导致土壤有机质总量、活性组分以及腐殖物质含量的显著降低,而平衡施用化肥和有机肥是维持和提升土壤有机质数量和质量的有效途径,长期有机无机配施使土壤有机质结构趋于简单化,有利于土壤肥力的保持.黑土有机质组分化学结构变化的驱动机制是值得人们长期探索的问题.     

稻草对砂姜黑土重组有机碳氮的影响

砂姜黑土是黄淮海平原地区的低产土壤之一。其低产原因有二:一是土壤有机质含量低,而且难以分解的组分又占相当大的比重,有效养分贫乏;二是粘粒含量高,湿时土壤膨胀,干时收缩,结构性差,保墒能力弱,耕性不良。     

Black carbon in the zonal steppe soils of Russia

Black Mollisols are typically rich in charred organic matter, however, little is known about the zonal distribution of black C (BC) in steppe soils. In this study, we used benzene polycarboxylic acids (BPCA) as specific markers for BC in particle‐size fractions of depth profiles in several zonal soils (Greyzem, Phaeozem, Chernozem, Kastanozem) of the Russian steppe. In addition, liquid‐state ¹³C‐NMR spectra were obtained on the alkaline‐soluble soil organic matter (SOM). The results showed that both the content and depth distribution of BC varies in the different soil types; the concentration of BC in the bulk top soils being closely related to the aromaticity of the SOM (r² = 0.98 for the native topsoils, 0.83 for top‐ and subsurface soils). Especially the Chernozems were rich in aromatic SOM, which partly contained more than 17% BC of total C, most of which being allocated in the mineral fractions. Long‐term arable cropping did not reduce the BC contents of the surface soil, though it did promote the enrichment of BC in the silt fractions. The same shift was detected as soil depth increased. We conclude that BC is not fully inert in these soils, but apparently can be preserved in the silt as decomposition of SOM increased, i.e., it accumulates exactly in that fraction, which has been formerly assigned to contain old, aromatic C.     

石灰性土壤团聚体中钙形态特征及其与有机碳含量的关系

本文选取5种碳酸钙含量(4.29、17.45、98.66、131.85、143.82 g/kg)差异显著的北方碱性旱地农田土壤(黑土、淡黑钙土、潮土、灰钙土和黄绵土)为研究对象,分析土壤及其各粒级团聚体中有机碳、碳酸钙和不同形态钙含量的分布特征及相关性,探讨碳酸钙对碱性旱地土壤有机碳的影响。结果表明:全土有机碳含量与碳酸钙含量之间无显著相关关系,但在0.002～0.053、0.002 mm团聚体中二者含量显著负相关(R~2分别为0.67、0.83),碳酸钙含量过高影响微团聚体有机碳积累。土壤钙形态中酸溶态和可氧化态是影响微团聚体有机碳积累的主要钙形态,全土中占全钙含量都在64.09%以上,团聚体中其含量随粒径减小而增加。钙离子是有机无机复合体的重要胶结物,但钙离子过多则可能会抢占土壤颗粒上有机碳结合点位,与黏粒和粉粒结合形成微团粒结构,影响有机碳积累。     

Humic Substance Fractions and Attributes of Histosols and Related High‐Organic‐Matter Soils from Brazil

Abstract

Knowledge of the distribution of soil organic matter (SOM) fractions is important in managing soils toward a sustainable agricultural system in a tropical environment. However, data on Histosols is limited. This study developed 19 profiles of Histosols and soils with high organic-matter content from different regions of Brazil. Soil organic matter was fractionated into fulvic acids (FAF), humic acids (HAF), and humin (HUM). The ratios HAF/FAF and AE (alkaline extract)/HUM were calculated. The objectives were to evaluate the method for SOM fractionating in Histosols and related soils and to correlate the distribution of organic fractions with other soil attributes. The humic fractions presented significant correlations with other soil attributes, the best being the correlation between FAF and nutrient level. The HAF and HUM presented high correlation with cationic exchange capacity, active acidity (H⁺) and pH. Humin and the alkaline extract absorbance measured at 380 nm and 465 nm and presented good correlation with total organic carbon.     

东北黑土地保护利用研究足迹与科技研发展望

中国东北黑土是世界上最肥沃、垦殖时间较短的土壤类型之一,在保障国家粮食安全中具有非常重要的地位。本文在总结东北黑土地概况（定义、分布、土壤类型和垦殖时间）的基础上,梳理了东北黑土地的研究足迹,并提出了未来东北黑土地科技研发的方向。东北黑土地包括黑土、黑钙土、草甸土、白浆土、暗棕壤和棕壤6种土壤类型,主要分布在辽河平原、松嫩平原和三江平原。自然黑土肥力较高,但是开垦后受生态系统改变和人类活动的双重驱动,土壤肥力发了巨大变化,土壤有机质含量在垦殖初期（约30a）迅速下降,开垦50a后下降速度趋于稳定;侵蚀区黑土层受风蚀和水蚀等影响出现了不同程度的流失。有机培肥、轮作、等高种植等技术措施已经被广泛应用于黑土培肥与水土流失防治。黑土层是黑土地的标志性土层,是黑土地肥力的核心。基于黑土层保护的东北黑土地保护利用建议从以下3方面开展科学研究：（1）解析人类活动下的黑土层厚度及颜色变化过程和驱动机制,探索现代农业管理方式下维持和增加黑土层厚度的技术途径;（2）针对东北黑土地6种土壤类型耕地限制粮食生产能力的主控因子,因地制宜建立以“肥沃耕层构建”、“障碍性土层消减”和“控蚀固土增肥”为核心的东北黑土地保护利用技术模式,研发相关配套技术,探索模式的适应性及应用效果和机理;（3）以长坡为研究对象建立水土流失观测场,集中研发坡耕地控制面蚀和沟蚀的新技术和新模式。     

离子界面行为在土壤有机无机复合体形成中的作用

土壤有机物质与土壤矿物质表面之间的相互作用普遍存在,有关土壤有机无机复合体形成理论的研究倍受关注,土壤有机质与矿物质结合的紧密程度直接关系到土壤碳库的稳定性,在环境科学与农业资源利用领域有重要意义。但关于土壤有机无机复合体形成机制还不完善,土壤宏观、介观及微观各尺度间的作用机制未能衔接。本文综述了土壤有机无机复合胶体的形成(形成学说、作用机制与影响因子)及此过程中离子的界面行为;系统地梳理了离子在土壤有机无机复合体形成中的作用机制;回顾了土壤有机无机组分相互作用的研究方法;最后强调了离子特异性效应在土壤有机无机复合体形成中的作用,特别是化合价相同的不同离子对土壤系统的性质与过程具有不同的影响。即离子电子层数和外层电子排布的微小差异在土壤表面附近的强电场中被放大,通过极化作用提高离子的有效电荷,增强离子所受的库仑作用力。离子的有效电荷数可以定量表征该土壤胶体复合过程中界面上离子作用的强弱程度。结论不断完善土壤有机无机复合体形成理论,为土壤培肥和污染土壤修复提供理论依据,对促进土壤有机无机复合体环境化学和微粒污染物迁移动力学的研究具有重要的科学意义与实践意义。     

砂姜黑土有机质含量高光谱估测模型构建

为快速估测砂姜黑土有机质含量,该研究以河南省商水县砂姜黑土为对象,采用光谱指数和遗传算法结合支持向量机构建砂姜黑土有机质估测模型。结果表明,以Savitzky-Golay(SG)平滑后的一阶导数光谱792和1 389 nm两波段组合构建的比值指数表现最好,建模集决定系数为0.81。利用独立的样本验证,预测决定系数和均方根误差分别为0.91和1.56 g/kg。而相同样本经遗传算法筛选敏感波段结合支持向量机回归构建的模型以SG平滑的一阶导数光谱表现最好,建模集和验证集决定系数分别为0.95和0.91,均方根误差分别为1.01和1.69 g/kg。基于遗传算法结合支持向量机回归和光谱指数2种方法构建的有机质含量估测模型均表现出较高的精度,前者稍优于后者,可用于对砂姜黑土有机质含量的有效估测。该研究成果可为砂姜黑土有机质含量的快速定量估算提供依据和参考。     

Storage and stability of organic matter and fossil carbon in a Luvisol and Phaeozem with continuous maize cropping: A synthesis

Quantitative information about the amount and stability of organic carbon (OC) in different soil organic‐matter (OM) fractions and in specific organic compounds and compound‐classes is needed to improve our understanding of organic‐matter sequestration in soils. In the present paper, we summarize and integrate results performed on two different arable soils with continuous maize cropping (a) Stagnic Luvisol with maize cropping for 24 y, b) Luvic Phaeozem with maize cropping for 39 y) to identify (1) the storage of OC in different soil organic‐matter fractions, (2) the function of these fractions with respect to soil‐OC stabilization, (3) the importance and partitioning of fossil‐C deposits, and (4) the rates of soil‐OC stabilization as assessed by compound‐specific isotope analyses. The fractionation procedures included particle‐size fractionation, density fractionation, aggregate fractionation, acid hydrolysis, different oxidation procedures, isolation of extractable lipids and phospholipid fatty acids, pyrolysis, and the determination of black C. Stability of OC was determined by ¹³C and ¹⁴C analyses. The main inputs of OC were plant litter (both sites) and deposition of fossil C likely from coal combustion and lignite dust (only Phaeozem).     

Nitrogen mineralization and nitrogen uptake by maize as influenced by light and heavy organic matter fractions

On a sandy tropical soil, organic materials (prunings of Leucaena leucocephala, Senna siamea and maize stover) with contrasting C/N ratio (13, 18 and 56, respectively) were applied at the rate of 15 t ha^?1a^?1 in order to increase the amount of soil organic matter. Two light fractions (LF1 = LF > 2 mm and LF2 = 0.25 mm < LF < 2 mm) and the heavy fraction (HF) of the soil organic matter pool were determined by means of a combined density/particle size fractionation procedure and data obtained were related to soil nitrogen mineralization under controlled conditions and to nitrogen uptake by maize under field conditions. Under controlled conditions and when the LF1 fraction was excluded, nitrogen mineralization was found not to be correlated to total organic carbon content in the soil (R²=0.02). The R²-value of the linear regression increased considerably, when amount and C/N ratio of the LF2 fraction was taken into account in the regression analysis (R² = 0.88). Under field conditions, a multiple linear regression with amount and C/N ratio of HF, LF1 and LF2 better explained variation in crop nitrogen content and nitrogen uptake of maize (R² = 0.78 and 0.94) than a simple linear regression with total organic carbon (R² = 0.48 and 0.76). The results illustrate the importance of the two light and heavy organic matter fractions for estimating soil nitrogen mineralization. Determination of light and heavy soil organic matter fractions by density/particle size fractionation seems to be a promising tool to characterize functional pools of soil organic matter.     

太湖流域典型农用地面源磷流失的土壤主控因子光谱识别

[目的]通过光谱识别太湖流域农用地面源磷流失的土壤主控因子,为简化面源磷流失强度估算提供依据。[方法]通过分析梅梁湾流域耕地和园地中不同面源磷流失强度下的土壤光谱特征,确定影响面源磷流失强度的主要土壤理化性质。[结果]耕地面源磷流失强度的特征波段为650~670nm,1 475nm和1 680~1 695nm,土壤主控因子是有机质,二者之间呈正相关;园地面源磷流失强度的特征波段为685~690nm,710~720nm,1 110~1 115nm,1 150~1 155nm和2 170nm,主控因子是有机质、水分和Fe2+,分别和面源磷流失强度呈负相关、正相关和负相关;有机质对耕地的面源磷流失强度的影响更加显著:耕地面源磷流失强度与光谱指数间的相关系数在1 685nm处达到0.74,而园地条件下相关系数最高值在715nm处仅为0.48。[结论]耕地面源磷流失主控因子为有机质,园地的主控因子为有机质、水分和Fe2+。