土壤原位酶谱技术研究进展

陆地生态系统中,土壤酶活性是衡量土壤肥力生物功能的重要指标。然而,当前通用的土壤酶学技术存在诸多缺陷,导致测定结果不能准确反映土壤酶活性与分布在环境中的真实情况,限制了土壤酶学的发展和土壤生物过程的研究。原位酶谱技术是以荧光底物为基础的新兴酶学技术,该技术不需破坏性取样,操作简单,准确度高,能在nm到μm的尺度上反应土壤酶活性的空间联系变化,很大程度上克服了传统土壤酶学技术的不足,近年来在土壤酶学研究中越来越受重视。本文概述了原位酶谱技术的发展过程及其原理与操作,首次综述了原位酶谱技术在土壤元素循环中的应用和成果,并展望了该技术的优化方向,以及与其他分析化学、酶学、分子生物学技术耦合应用在土壤生物过程研究中的价值,以期推动该技术的成熟与推广。     

土壤酶学硏究进展

土壤酶学是研究土壤酶活性及其相关特性的科学,是一门介于土壤生物学和生物化学之间的边缘交叉学科。土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量流动方面具有主要的作用。本文综述了土壤酶学发展简史、土壤酶的来源、分类、功能及分布特征等,总结了土壤理化性质、施肥、放牧、土壤微生物、施用稀土元素、草地生长年限、不同土地利用和耕作方式及其他因素对土壤酶活性的影响,对于加深理解生态系统中的物质循环、土壤酶的生态重要性以及土壤生态系统退化机理有重要作用。最后,结合本项目组的研究对土壤酶学的研究前景进行了展望。     

微池板比色法在多酚氧化酶和β葡萄糖苷酶研究中的应用

微池板比色法具有快速批量测定土壤酶活性的潜力,将其应用在农田土壤纤维素和木质素分解有关的β-葡萄糖苷酶(BG)和多酚氧化酶(PPO)活性测定及酶的温度敏感性(EQ10)的研究,尚未见报道。本文应用微池板比色法,在获取缓冲液酸碱度、培养时间和匀浆液水土比优化参数基础上,测定不同种植制度土壤(棉花连作和苜蓿-柳枝稷轮作)的PPO和BG活性及其温度敏感性,评价微池板比色法在土壤酶学研究中的价值。结果表明:pH7的缓冲液、2 h的培养时间和匀浆液水土比(20∶1)为最优的测定参数,其既满足批量分析要求又可提高测定的准确性。棉花连作与苜蓿—柳枝稷轮作土壤的PPO活性没有显著性差异,但BG酶活性轮作土壤显著高于连作土壤,PPO和BG活性均随温度的升高而增加,同时,两种栽培制度土壤并没有引起两种酶的EQ10发生显著性的差异。本研究结果显示,微池板比色法能够比较快速地同时测定多个土壤、多种酶活性,可作为土壤酶学常规分析技术,同时需要根据土壤的特性适度调整主要测定参数。     

珠穆朗玛峰北坡土壤过氧化氢酶与蔗糖酶活性研究

土壤酶主要源于土壤微生物代谢过程,以及土壤动物、植物根系分泌及残体分解[1,2],土壤酶活性反映土壤生物活性和土壤生化反应强度[3]。土壤酶活性与土壤物理特征(土壤水分、土壤温度、土壤空气、土壤团聚体)、有机质、pH、土壤微生物及土壤类型等关系密切[4]。环境因子如温度和湿度的变化、酸雨和臭氧等污染对土壤酶活性的影响也很大[5,6],因而土壤酶活性也可作为监测环境变化和污染对土壤质量影响的生物活性指标。此外,由于土壤酶活性与土壤碳、氮循环密切相关[7],因此土壤酶活性的研究常常还与全球气候变化相联系。目前土壤酶研究多集中…     

泥质海岸防护林土壤微生物、酶与土壤养分的研究

土壤微生物数量、土壤酶活性可以反映土壤的肥力状况。本文研究了东营泥质海岸不同林分下土壤养分、微生物数量、土壤酶活性及分布特征,结果表明：①土壤微生物、土壤酶和土壤养分主要分布在0-20 cm的土层,20-50 cm的较少;②不同林分微生物数量差异显著。白蜡林微生物数量最多,柳林、枣园数量较少,柽柳林数量最少。③不同林分土壤酶的活性表现出差异性,各种酶之间过氧化氢酶活性最高;④土壤养分含量差异显著,柳林土壤养分含量相对较高于其它样地,白蜡和桑园土壤养分含量次之;⑤林地土壤微生物数量和土壤酶活性与土壤养分密切相关。     

土壤过氧化氢酶对不同林分覆盖的响应

为了探讨不同植被覆盖下土壤过氧化氢酶的活性变化,本研究在浙江安吉选择山地典型森林类型设立样地,分析了板栗林和毛竹林覆盖下的土壤化学性质及土壤过氧化氢酶活性变化等,揭示了土壤过氧化氢酶对两种林分覆盖的响应机制,并通过变量间相关分析及通径分析探讨了影响土壤过氧化氢酶活性的主要因素。结果表明:毛竹林土壤过氧化氢酶活性高于板栗林,同时土壤过氧化氢酶活性基本呈现为随土层加深而逐渐减小。土层深度和林地坡度是影响过氧化氢酶活性的重要因素。根据通径分析结果,土壤p H、有机质含量直接影响过氧化氢酶活性的变化;土壤全氮、水解性氮及速效钾的含量间接影响着过氧化氢酶的活性。决定系数表明,对过氧化氢酶活性起主导作用的因子是土壤p H和有机质,全氮和水解性氮含量为其次要因子。     

黄土丘陵区人工灌木林土壤酶特征

 采用时空互代法,以侵蚀环境下黄土丘陵区不同林龄的人工灌木林为研究对象,选取坡耕地和天然次生侧柏林为对照,分析了植被恢复过程中土壤酶的演变特征,并在此基础上提出了土壤酶综合评价指数,分析了其变化过程。结果表明:侵蚀环境下的坡耕地改造为灌木林后,脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、纤维素酶、过氧化氢酶活性显著增加,并随种植年限增长逐渐升高,相同林龄的沙棘林酶活性高于柠条林;多酚氧化酶活性显著降低;淀粉酶活性变化规律不明显。相关性分析表明:除淀粉酶、脲酶外,蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶、纤维素酶相互之间呈显著正相关(P<0.05),与多酚氧化酶活性呈显著负相关;蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶、纤维素酶、多酚氧化酶和土壤有机质、全氮、碱解氮等主要养分因子的相关性显著。坡耕地由于人为活动干扰,土壤酶指数较低,改造为灌木林后随种植年限的延长显著增加,但是仍显著低于该地区植被破坏前顶级群落(天然次生侧柏林)。土壤酶指数可以表征各种酶活性大小的综合作用,能够全面客观地反映生态过程中土壤酶活性的演变过程。     

原位酶谱技术分析旱地长期覆盖下根际酶活性空间分布

根与土壤微生物产生的酶是土壤有机质分解的主要生物驱动因素，对土壤养分循环具有重要意义。该研究利用原位酶谱技术在不破坏作物根系的同时，研究了渭北旱塬长期覆盖春玉米根际土壤酶活性空间分布。田间试验于2020年6月在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站进行。以春玉米"先玉335"为供试材料，采用完全随机区组设计，设置秸秆覆盖（SM）、地膜覆盖（FM）和无覆盖（CK）三个处理，于春玉米吐丝期获取根系剖面酶谱图，分析了β-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶在春玉米根际的分布。结果表明：β-葡萄糖苷酶在秸秆覆盖下根际活性分布（热点）面积最大，是地膜覆盖的1.9倍、无覆盖的8.1倍；同时其在秸秆覆盖下延根分布距离最长为2.5 mm；与之对应，动力学拟合结果也表明秸秆覆盖下的酶动力学参数酶活最大反应速率和米氏常值最大，其土壤底物周转时间最快。亮氨酸氨基肽酶在地膜覆盖下活性分布总面积最大，是秸秆覆盖的1.8倍、无覆盖的6.4倍；其在地膜覆盖下酶活性延根分布距离最长为4.5 mm，秸秆覆盖下的酶动力学参数也为最大，底物周转时间最快。研究揭示了地表覆盖通过调节作物根际土壤酶活性空间分布促进养分吸收，实现旱地玉米高产高效的酶动力学机制。     

铁路运输扰动下边坡土壤酶含量的空间变异性研究

采用野外调查和试验相结合的方法,研究了四川丘陵地区典型铁路边坡土壤酶活性的空间分布变化。结果表明:3个典型路段土壤脲酶活性随距铁轨距离的变化呈现相似的变化趋势,在距铁轨10—50 m范围内均呈现显著的降低趋势;土壤蔗糖酶活性随距离变化均较为平缓;成昆铁路的吴场段和成渝铁路的五凤段土壤蛋白酶活性随距离表现出在5—10 m范围内有一定下降,然后趋于平缓的趋势,而达成铁路的白云段土壤蛋白酶活性随距离变化幅度较大;土壤过氧化氢酶和多酚氧化酶活性在五凤段和白云段均表现出随距离增大先缓慢上升后下降的趋势,在吴场段均表现出随距离增加逐渐上升的趋势。不同路段间5种酶活性均有显著差异,吴场段5种土壤酶活性均显著低于五凤段和白云段;五凤段和白云段土壤脲酶活性无显著差异,而其他4种酶活性在某些位置有显著的差异。岩石边坡土壤酶活性随铁路运营时间以及土壤类型的不同表现出一定的差异。     

土壤质量的酶学指标研究

土壤质量日益衰退,寻找能够准确标示其变化的敏感指标非常重要。土壤酶几乎参与了土壤中全部的生物化学反应,与土壤中多种生态过程密切相关。土壤酶的敏感性、专一性和综合性等特点使其可以作为一个反映土壤质量的生物学指标。本文在概述了土壤酶作为土壤质量指标可行性的基础上,综述了土壤肥力质量、环境质量等的土壤酶活性和酶动力学指标的研究,并对今后相关研究提出了几点建议。     

黑土区典型坡耕地土壤酶活性空间分布特征研究

基于对松花江流域东山沟小流域坡耕地表层0-20 cm土壤酶活性和养分含量分析,研究了东北黑土区典型坡耕地土壤酶活性空间分布特征及其影响因素.结果表明,小流域下游的土壤转化酶、脲酶、碱性磷酸酶活性均高于流域上游和中游;坡面侵蚀区3种土壤酶活性均低于坡面沉积区;土壤酶活性沿坡长分布呈现坡顶较高—坡中低—坡下高的变化趋势,与坡面土壤侵蚀强度相对应.3种土壤酶活性之间呈极显著相关关系.土壤酶活性空间分布特点与土壤侵蚀强度空间分布趋势呈现相一致的规律,表明土壤侵蚀降低了土壤酶活性.     

Interdisciplinary and multidisciplinary approaches to the study of long‐term soil degradation: A case study from Schleswig‐Holstein,Germany

Soil degradation is a serious problem and an important environmental issue in many ecosystems. Without integrative, interdisciplinary and historical approaches, understanding the effects of long‐term soil degradation is difficult. According to this idea it is hypothesized that in order to study long‐term natural and human‐induced soil degradation, it is necessary to use interdisciplinary and multidisciplinary approaches with respect to temporal and spatial landscape changes. The results of the investigation of colluvial sediments and soils in research area in Schleswig‐Holstein (Germany) with a high resolution in space and time—using the four‐dimensional landscape analysis—indicated the temporal and spatial variation of soils and sediments from the Mesolithic until Modern times. Intensive soil degradation occurred as a result of the land clearance and agricultural land use in the investigation areas since the Neolithic time. The general results of this investigation show that the use of an interdisciplinary and multidisciplinary approach with pedological and geomorphological perspectives for different times and places can help to reconstruct the long‐term natural and human‐induced soil degradation. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

对土壤侵蚀研究的几点思考

土壤侵蚀是现代地理环境条件下改变地貌景观的主要过程,也是引起土壤质量退化、沙漠化与石漠化的核心因素,与土壤、生态、水文等多个地表过程密切相关。虽然土壤侵蚀研究需要气候、地质、地貌、土壤、水文、生态等相关学科的基本知识,分析土壤侵蚀发生、发展过程的动力机制,但需要明确界定土壤侵蚀研究的时空尺度。土壤侵蚀与水土保持之间相互联系、相互促进。土壤侵蚀研究的时间尺度以次降雨、月、年为主,研究主题为次降雨侵蚀过程、土壤侵蚀季节变化与年际变化,时间尺度不宜超过100年。土壤侵蚀研究的空间尺度以小流域为主,基于土壤侵蚀垂直分带性,可以进一步分为样点、坡面、沟坡与小流域。在不同空间尺度上,研究内容与研究方法差异明显。土壤侵蚀过程包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积,各个过程的主控因素存在差异,研究成果积累差异明显,研究重点会随着时空尺度的变化而有所不同。在土壤侵蚀过程研究中,应充分理解分离控制和输移控制及其时空转换阈值。虽然土壤侵蚀研究已经取得了大量成果,但在细沟网络结构及其时空变化、泥沙沉积过程、沟蚀形成与演变动力机制、重力侵蚀发育过程动力学机理、小流域土壤侵蚀过程模型等诸多方面,亟待加强研究。     

盐碱地土壤酶活性研究进展和展望

盐碱地是农业生产重要的后备土地资源,同时土壤盐渍化是灌溉农业生产过程中首要考虑的问题之一。近年来,越来越多的研究开始关注盐碱地改良利用过程中包括土壤生物学性质在内的土壤整体环境质量的改善。其中,土壤酶是土壤生物活动的产物,其活性水平是土壤环境质量的良好生物学指标,可以用来评价土壤退化程度及管理措施的效果和可持续性。本文总结说明了盐渍化土壤酶活性状况及盐碱胁迫机理,并对盐碱地改良利用过程中土壤酶活性的研究现状进行了综述。最后从存在问题和关注热点出发,提出了下一步的研究重点。     

电阻率成像法监测人工梭梭林土壤水分

土壤水分是影响干旱半干旱沙区植物生长发育的主要限制因素。快速、准确地监测土壤水分时空动态可为干旱半干旱区植被建设与生态恢复提供科学依据。以乌兰布和沙漠东北部人工梭梭固沙林土壤为研究对象,在林内、外(根际、冠中、冠缘、行间、林外)设置了5条监测样线,分别于一次强降雨后的第2天、第15天、第55天用多电极电阻仪定位测定了土壤电阻率,同步采取土样用烘干法测定了土壤实际含水率,建立了土壤含水率与土壤电阻率之间的相关关系,并对二维剖面土壤水分空间分布特征进行了分析。结果表明:1)土壤含水率与土壤电阻率之间为极显著负相关关系(P0.01),可用幂函数表示。2)5条测线的土壤电阻率在3次监测时均随土层深度增加而减小,而土壤含水量随土层深度增加而增大,根际冠中冠缘行间林外。强降水后的不同时间内,由于受土壤属性、树冠对水分再分配、树干径流、根系吸收水分等影响,二维剖面上土壤水分空间分布格局有明显变化。随着雨后干旱时间的延长,0～51 cm水分含量由于受蒸发、植物吸收利用的影响而明显降低。3)电阻率成像技术在野外能快速准确,长期定位监测土壤水分含量;对地表扰动小,实现了非破坏性测量;保证测定精度的同时,还能提供尺度较大的土壤水分空间分布的详实数据,可高效快速地获取连续的土壤水分分布信息。     

A multiscale soil–landform relationship in the glacial‐drift area based on digital terrain analysis and soil attributes

Understanding the linkages between structure and processes in soil landscapes involves analyses across several spatial and temporal scales. The transfer of information between scales requires the (1) identification of respective scale levels and (2) procedures for regionalization. Here, we present a multiparameter delineation of landform units and their attribution with typical Reference Soil Groups (RSG) of a landscape of NE Germany which is representative of young moraine regions. Data sources are a digital elevation model (DEM, 5 m × 5 m), a reference data set from sections of an intensively augered landscape, and expert knowledge. A conceptual digital soil map was constructed in the scale 1:5000 based on the Topographic Position Index (TPI). The methodology is applicable for multiscale analyses. Results are (1) the landform unit classified by digital terrain analysis of a DEM, (2) the attribution of RSG, and (3) the evaluation of the classification. Accuracy of the method was 57% overall, with 70% accuracy on typical erosional sites. The developed method allows identification of terrain‐related soil pattern with high spatial resolution in glacial‐drift areas. The high resolution of soil information can be used for delineation of management zones in precision farming, or as input for process studies and models requiring a translation of typological soil information into relevant soil properties (e.g., by pedotransfer functions).     

胶结物质驱动的土壤团聚体形成过程与稳定机制

团聚体是土壤的基本组成单元，影响着土壤水、气、热及养分的保持和运移。胶结物质在团聚体形成过程中起关键作用，但不同类型胶结物质在土壤团聚体中所起作用与机理尚缺乏系统总结。本论文回顾了土壤团聚体相关的关键理论，梳理了不同地理环境与人为活动下土壤团聚体中胶结物质类型、形态、转化与作用机制，探讨了胶结物质对土壤团聚体结构与稳定性的影响，提出了胶结物质驱动的土壤团聚体自组织形成过程模型，阐明了土壤团聚体的形成与转化机制。最后对土壤团聚体研究领域未来的发展进行展望，特别是在土壤团聚体的原位分析方法、土壤团聚体形成过程的定量化描述、土壤团聚体稳定性在景观尺度上的空间结构、良好土壤结构体培育的产品与技术研发等方面还有待加强。这些工作的开展将对培育良好土壤团聚体、揭示土壤物质循环与演化过程、提高土壤质量和生产力等具有重要的科学意义和生产实践价值。     

基于微波遥感的土壤水分反演估算研究进展

土壤水分是地表和大气水热过程交换的重要纽带，对于农业生产、生态规划、水资源管理等具有十分重要的意义。微波遥感具有基本不受天气条件影响，具有较好探测植被覆盖下的土壤信息和土壤水分变化趋势等优势，成为目前遥感精确反演土壤水分的热点。本文整理了现有全球尺度的基于微波遥感的土壤水分产品；分析比较了土壤水分反演中主动微波遥感、被动微波遥感、主被动微波协同技术的原理、特点、适用范围和关键技术进展：主动微波遥感和被动微波遥感的 优势分别在于高空间分辨率和高时间分辨率，高空间分辨率可以很好捕捉地表细微的空间信息特征，但囿于土壤水分与后向散射系数之间的复杂关系，特别是植被、地表粗糙度等对雷达后向散射系数的干扰，使得反演土壤水分的精度不高，因而根据现实情况选取不同散射模型以及利用多源数据协同是目前改善精度的研究热点。而高时间分辨率可以实现全球及大尺度下的土壤水分监测，但是很难满足小尺度或者小区域范围的实际研究需求，为了能使实测数据在空间上得以较好匹配，提出多种降尺度方法。结合以上两种微波遥感方式的优劣，依托更为丰富的数据源、相对成熟的观测技术来对两者进行融合以提取更多的水分信息，以提升反演精度或者获得长时间序列数据。在目前的方法中，土壤水分反演在小尺度下表现出良好的性能，但在全球尺度上会出现数据缺失、适用性不强、反演精度不高以及反演过程过于复杂等诸多问题，可以借助多种观测方式（多极化、多角度、多波段）、多时相重复观测、在原有模型上引入新的算法以及数据同化等方面着手进行改进，同时全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System, GNSS） 中长期稳定、高时空分辨率的L波段微波信号在陆面遥感领域的快速发展也为我国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）的发展提供了借鉴，展现出在土壤水分反演方面的巨大潜力。     

植物微根系原位观测方法研究进展

植物根系是固定植株、获取水分和营养物质的主要器官。作为连接植物体与土壤环境的枢纽，根系的发育状况直接关系着地上部分的形态建成。由细根及其根毛组成的微根系是根系功能的关键组织。由于土壤中根系的非直观性和根系自身的复杂立体构型，常规研究方法很难准确测定根系的变化动态。微根系原位观测技术、方法的出现为原位根系研究提供了可能的手段。近年来，可用于观测微根系二维形态与立体构型的多种类型的原位生长系统、装置被研制出来，一些根系图像分析软件也不断开发和改进，大大提升了原位根系研究的准确性。本文介绍了几种用于原位微根系观测的装置和图像分析软件与计算方法，并比较了不同方法与软件之间的优劣，指出原位观测研究技术的应用和发展趋势，以期对后续植物微根系研究提供参考。     

Spatiotemporal effects of invertebrates on soil processes

Summary The processes of C and N mineralization carried out by microorganisms are affected directly and indirectly by invertebrates over a wide range of spatial and temporal scales. Microfauna track temporal changes in bacterial and fungal populations in soil microsites, particularly in the rhizosphere, which alters the dynamic balance between N mobilization and immobilization. The feeding activities of mesofauna can determined the distribution, activities and composition of fungal communities. Macrofauna have major effects on fungal and bacterial activities, both directly, through feeding and gut passage, and indirectly, by affecting the microbial environment in litter and soil.Soil biological processes can therefore be considered a hierarchy of successive levels of organization where the macro-, meso- and microfauna influence microbial activities at different scales in the habitat mosaic. The spatial components of this hierarchy are integrated by plant roots; root morphology must therefore define the scales at which the system operates under different plant nutrient regimes.This paper is dedicated to the memory of Professor M. S. Ghilarov in friendship and respect for his contributions to soil zoology