不同施肥制度对南方旱地红壤微生物组结构和功能影响研究进展

土壤微生物组在促进土壤养分循环、提高土壤固碳能力和维持土壤肥力等方面具有重要的作用。红壤是我国南方重要的耕地资源,但其有机质含量低、水土流失严重,且面临着土壤酸化导致的活性铁铝增加、作物生长受限和微生物活性下降等严峻问题。我国近年来基于红壤旱地长期定位试验和短期培育试验开展了很多工作,在通过调控红壤微生物组以缓解土壤酸化、增加有机质含量和提高氮磷养分有效性方面取得了突破性进展。本文综述了红壤区农田土壤微生物组结构的主要驱动因素,回顾和比较了长期施用化肥、有机肥和有机无机配施等不同施肥制度对我国南方旱地红壤微生物组结构和功能影响的研究工作,阐述了有机培肥制度对红壤微生物群落多样性的积极效应;总结了配施有机肥在提高红壤有机碳周转功能类群和氮磷代谢功能类群丰度,促进红壤有机碳分解、维持有机质稳定和提高土壤氮磷养分有效性等方面的重要作用;探讨了高多样性微生物群落中关键特殊性代谢功能对驱动微生物群落装配和维持土壤生态功能稳定的作用。最后,对我国旱地红壤微生物组未来的研究方向进行了展望,强调了可以通过改进微生物培养策略、明确微生物组不同类群的功能特征和驱动因素、充分挖掘农业微生物组资源、开发调控红壤微生物组的微生物肥料产品和高效农业管理措施来提高红壤养分循环效率、促进有机质稳定和降低铁铝活性,充分发挥微生物组在红壤耕地资源可持续利用与农业绿色发展中的作用。     

Arthrobacter sp. AG1菌株降解土壤中阿特拉津研究

在阿特拉津浓度为50mg/kg干土的黄棕壤、潮土和红壤接种1.5×106CFU/g干土的降解菌Arthrobacter sp. AG1,10天后土壤中的阿特拉津分别降解至1.5、6.6和10mg/kg干土。阿特拉津的降解速率受到土壤性质的影响,但AG1仍能在不满足其生长繁殖要求的pH值的土壤中有效降解酸性土壤中阿特拉津;土壤中水分含量对降解效果影响较大,>20%时降解效果较好;土壤低含水量和低pH值会导致AG1降解阿特拉津的活力下降。不同的接种量对降解效果有一定影响,但105～107CFU/g干土接种量的AG1都能有效发挥降解作用。AG1降解完土壤中的阿特拉津后,在土壤含水量分别为5%和15%的情况下能长期保持降解活性,对60天后第2次施入黄棕壤和潮土中的50mg/kg阿特拉津4天时降解效率在65%以上。     

竹炭固定化微生物对土壤中阿特拉津的降解研究

采用环境友好材料竹炭为主要载体,壳聚糖和海藻酸钠为辅助载体,固定从污泥中分离出的阿特拉津降解菌株,研究不同固定材料对降解菌生长的影响,以及固定化微生物对土壤中阿特拉津的降解效果.结果表明,竹炭对阿特拉津降解菌具有较强的吸附固定能力,且竹炭粒径越小,固定化效果越好.利用壳聚糖和海藻酸钠交联并加固阿特拉津降解菌,增大了固定化空间,显著增加了降解菌的生物量,并提高了阿特拉津的降解效率.1％壳聚糖+5％海藻酸钠+竹炭+降解菌颗粒对阿特拉津降解菌的固定化效果最佳,施用该微生物固定化颗粒28天后,砂姜黑土及红壤中阿特拉津残留率分别为48.07％和47.23％.     

粘土矿物固定化微生物对土壤中阿特拉津的降解研究

以粘土矿物为载体,采用吸附挂膜法对已筛选的阿特拉津降解菌株进行固定化,并应用固定化微生物降解土壤中的阿特拉津。结果表明,该菌株在粘土矿物上生长良好,根据菌种生理生化特性、环境扫描电镜图片以及16S rDNA基因的相似性分析初步鉴定该菌株为Ochrobactrum sp.。接种降解菌能明显加快阿特拉津在土壤中的降解速率,粘土矿物固定化微生物的降解效果要明显优于游离菌,粘土矿物粒径越小,固定化微生物的降解效果越好,纳米粘土矿物固定化微生物的降解效果要好于原粘土矿物。用一级动力学方程描述阿特拉津在土壤中的降解过程,不同土壤中阿特拉津的降解速率不同。阿特拉津在红壤、砂姜黑土、黄褐土中的降解半衰期（t1/2）分别为36.9、49.1、55.0 d,投加纳米蒙脱石固定化降解菌后的半衰期则分别为16.3、25.3、21.7 d。     

阿特拉津在土表的紫外光降解行为研究

本文研究了阿特拉津在土壤表面的紫外光光解的动力学,并研究了各种因素对光解的影响。实验表明,土壤粒度、湿度、pH值、有机质、腐殖酸和表面活性剂都影响阿特拉津在土壤中的降解。在紫外光辐射下,阿特拉津在土壤表面降解速率常数为(0.09~0.17)/min,光解深度为0.1~0.3mm,半衰期为4~8min。     

阿特拉津在土表的光解行为动力学研究

研究了阿特拉津在土壤表面的光解行为的动力学,并研究了各种因素对光解的影响。实验表明,土壤粒度、湿度、pH值、有机质、腐殖酸和表面活性剂都影响阿特拉津在土壤中的降解。在太阳光辐射下,阿特拉津在土壤表面降解速率常数为0. 08~0. 17d-1,光解深度为0. 3mm以内,半衰期为4~8d。     

温度和土壤类型对氮素矿化的影响

采用短期(15 d)室内好气培养方法,研究我因东部三类主要旱地土壤(黑土、潮土和红壤)有机氮矿化对温度(15～30°C)的响应及其影响因素.结果表明,土壤累积净矿化氮量的顺序为黑土>潮土>红壤,其中高有机质土壤大于低有机质土壤.黑土累积净矿化氮量随温度升高而增加,但潮土和红壤在25℃以上表现出持平和下降趋势.土壤矿质氮...     

长期有机无机肥配施条件下的旱地红壤水分特征分析

以长期有机无机肥配施条件下的旱地红壤为研究对象,采用压力膜法测定土壤水吸力在1~1500 k Pa条件下的旱地红壤含水量变化,绘制出完整的土壤水分特征曲线;运用van Genuchten模型对实验数据进行拟合并计算出旱地红壤中不同类型水分的含量,借助相关分析探讨了土壤团聚结构、土壤有机质、铁铝氧化物与黏粒等土壤理化性质与旱地红壤中各类型水分常数间的相关关系。结果表明:长期配施有机肥的旱地红壤水分含量均随着土壤水吸力(0~1500 k Pa)的增加呈现出"快速下降-缓慢下降-基本平稳"的变化趋势;配施有机肥虽然可显著提高旱地红壤中的饱和含水量,但同时也使旱地红壤中的多余水显著提高,且可显著降低全有效水占饱和含水量的比例。相关分析表明,旱地红壤游离氧化铝、有机质分别与正常生育有效水、速效水及全有效水呈显著正、负相关关系。这一结果意味着旱地红壤中游离氧化铝含量越高、有机质含量越低,越利于旱地红壤中有效水量的提高,但背离了"有机质增加可以提高土壤供水能力"的这一通识。因此,有必要明确并区分铁铝(氢)氧化物与有机质在红壤团聚结构的形成及土壤保水功效调控过程中的作用与机制,进而为旱地红壤水分的有效调控提供科学的依据。     

不同气候条件对旱地红壤微生物群落代谢特征的长期影响

利用1988年设置的暖温带和中亚热带两种气候条件下的土壤置换试验,采用BIOLOG方法,研究了气候条件对红壤中微生物群落功能的影响。结果表明,长期处于不同的气候条件改变了红壤的pH和养分状况,从而影响红壤微生物群落的代谢特征。与中亚热带气候条件相比,暖温带气候条件下,红壤的pH和全磷含量显著升高,速效钾含量显著下降;红壤微生物群落活性(以AWCD值表示)也显著降低。主成分分析表明,不同气候条件下红壤微生物群落代谢特征显著不同,与暖温带气候相比,中亚热带气候条件下,红壤微生物群落对氨基酸、胺类和酚类化合物等含氮化合物的利用显著增加。相关分析表明,影响不同气候条件下红壤微生物代谢特征的主要因素有:温度和降雨量气候因子,土壤pH、速效钾和全氮含量等土壤因子。     

阿特拉津对我国东北半干旱区黑钙土微生物活性影响研究

按照0.5～800 μg·g^-1 soil 施入量添加阿特拉津到黑钙土中培养54 d进行实验室培养试验,研究了阿特拉津对我国东北半干旱区黑钙土微生物量碳、土壤碳及氮矿化量、脲酶和脱氢酶活性影响。结果表明,阿特拉津添加到土壤中后,显著提高了（P〈0.05）土壤微生物量碳,增加了土壤碳及氮矿化量,提高土壤脱氢酶活性;多数情况下,各培养时间添加阿特拉津各处理间土壤脲酶活性的差异未达到显著水平（P〈0.05）。由此得出结论：土壤脱氢酶活性、土壤微生物量碳和土壤碳矿化量及氮矿化量是对阿特拉津处理土壤较敏感的生物学指标,适合作为半干旱区黑钙土微生物活性对阿特拉津响应的参数;而土壤脲酶活性不适合作为半干旱区黑钙土土壤微生物活性的指标,因为它不能敏感地反映阿特拉津作用下土壤脲酶活性差异。     

长期试验地红壤与潮土的矿化和硝化作用特征比较

采用培育试验研究了红壤与潮土两个长期定位试验中不同处理小区表层土壤的矿化和硝化作用特征。结果表明:红壤的矿化作用和硝化作用都很弱,而潮土硝化作用非常强烈。采用适宜的施肥措施培肥后氮素的矿化和硝化速率都有很大的提高;pH是影响硝化作用的重要因素之一,硝化速率与土壤pH呈显著正相关。合理施用肥料调控土壤肥力是提高红壤和潮土肥力的重要措施。     

三种植物物料对两种茶园土壤酸度的改良效果

用室内培养实验研究了稻草、花生秸秆和紫云英在 5、10 和 20 g/kg 的加入量水平下对茶园黄棕壤和茶园红壤酸度的改良效果.结果表明:除了黄棕壤加入紫云英处理会降低土壤的 pH 外,其余所有加入植物物料的处理均使土壤 pH 有不同程度的增加,使土壤交换性酸和交换性Al的数量减小,使土壤交换性盐基阳离子和盐基饱和度增加.有机物料对土壤酸度的改良效果与有机物料灰化碱和N含量有关,灰化碱和有机N的矿化使土壤 pH 升高,NH4+-N的硝化使土壤 pH 降低.3种植物物料中花生秸秆对土壤酸度的改良效果优于紫云英和稻草.加入植物物料使红壤中有毒形态Al的浓度显著减小,说明植物物料能够缓解红壤中Al对植物的毒害.     

通过调节土壤氮素转化提高有机物料对红壤酸度的改良效果

通过培养试验,比较研究了油菜秸秆、稻草、香樟叶和豌豆秸秆单独施用以及油菜秸秆、稻草和香樟叶与豌豆秸秆混合施用对红壤酸度的改良效果。结果表明,在60天培养期内,添加4种物料均提高了土壤pH。培养试验结束时香樟叶、油菜秸秆、豌豆秸秆和稻草分别使土壤pH相对对照增加0.53、0.42、0.30和0.26。对于灰化碱含量很高的非豆科物料如香樟,其对土壤酸度的改良效果主要来源于物料所含碱性物质和物料对土壤硝化反应的抑制,但对灰化碱含量较低的非豆科物料如油菜秸秆和稻草,其改良效果主要来源于后者。豆科类豌豆秸秆主要通过所含碱性物质和有机氮矿化提高土壤pH,但培养试验后期铵态氮硝化反应释放的质子抵消了其部分改良效果。将油菜秸秆、稻草和香樟叶与豌豆秸秆配合施用,使硝化反应受到一定程度的抑制,提高了物料对土壤酸度的改良效果。培养试验结束时,香樟叶、稻草和油菜秸秆与豌豆秸秆配合施用比豌豆秸秆单独施用土壤pH分别高0.25、0.18和0.12。研究发现,香樟叶灰化碱含量很高,无论单独施用,还是与豌豆秸秆配合施用均有很好的改良效果,因此在南方地区推广种植香樟可以通过其凋落物修复酸化的森林土壤。     

不同水分条件下添加白云石对酸性水稻土有机碳矿化的影响

施用石灰改良酸性土壤是常用的农艺措施之一。施用石灰影响土壤理化性质,进而影响土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)矿化。而SOC矿化与土壤肥力保持和有机碳库的大小存在紧密联系。因此,明晰施用石灰对酸性土壤有机碳矿化的影响具有重要的理论和现实意义。该研究以2种母质的酸性水稻土为对象,在50%、90%和130%土壤最大田间持水量(Water Holding Capacity,WHC)条件下添加和不添加白云石,再进行为期45 d的室内培养试验,探讨白云石和水分对SOC矿化的影响。研究结果表明,添加白云石显著影响2种土壤有机碳矿化速率,但白云石添加和水分的交互作用不显著。土壤含水量较低时(50%WHC),2种土壤有机碳矿化均受到抑制。在较高土壤含水量情况下(90%～130%WHC),白云石添加和水分的共同作用对SOC矿化的影响因土壤质地不同而异,淹水条件下(130%WHC)棕红壤有机碳矿化量高于湿润条件(90%WHC),而红壤中的情况正好相反。白云石添加和水分均显著影响SOC累计矿化量,但二者交互作用仅在棕红壤中显著。添加白云石后,2种土壤pH值随着水分含量的增加而提高;土壤含水量较低时(50%WHC),土壤pH值即可达到或接近目标值(pH值6.5)。这些结果表明,在评估施用白云石对SOC矿化的影响时,需要考虑土壤含水量和土壤本身的性质,以便为农业生产实践中合理施用白云石提供指导和建议。     

不同施肥措施对稻田土壤氮矿化的影响

采集田间通过不同施肥处理的水稻土为研究对象,在室内采用淹水培养方法,研究不同施肥措施对水稻土氮矿化的影响。结果表明:与不施肥处理相比,施加氮肥和饼肥能提高土壤的氮矿化能力;与常规施氮处理相比,采用新型施肥措施,氮肥+木质素、一次施用的水稻缓释肥、氮肥+有机碳源均降低土壤的氮矿化作用,其中氮肥+有机碳源处理与常规施氮处理相比,土壤全氮增加了16.7%,但淹水培养期间土壤的氮矿化量却减少了18.5%,这一结果说明,采用这些新型施肥措施有利于增加土壤对氮的固持,降低氮素向环境损失的风险。     

茶树叶和刺槐叶对茶园土壤酸度的改良效果

通过培养实验,比较研究了茶树老叶和刺槐叶对2种酸化茶园土壤的改良效果。结果表明,在酸性茶园土壤中分别加入5、10和20g·kg^-1。茶树老叶和剌槐叶培养35d后,相对于对照,土壤pH值有不同程度的提高,土壤交换性酸减小,土壤交换性钙和镁等交换性盐基离子数量有所提高,土壤毒性铝离子的数量减少。2种树叶对土壤酸度的改良效果随其加入量的增加而增加,刺槐叶的改良效果好于茶树老叶,2种树叶对红壤的改良效果优于其对黄棕壤的改良效果。植物物料所含的灰化碱及豆科植物所含大量有机氮的矿化是导致土壤酸度下降的主要原因。     

长期施肥下三种旱作土壤有机碳含量及其矿化势比较研究

  【目的】  通过研究长期施肥下旱作农田土壤有机碳含量和有机碳矿化势的变化及其影响因素,以期明确影响土壤有机碳贮存的可控因素,为进一步增加土壤有机碳贮存和农田可持续利用提供理论依据。  【方法】  选取黑龙江省、河南省和江西省的黑土、潮土和红壤长期定位试验的不施肥处理(CK)、单施化肥处理(CF)和有机肥化肥配施处理 (MCF),测定土壤有机碳(SOC)、微生物量碳含量(MBC),拟合土壤有机碳矿化势(C₀)和动力学常数(K_c)。并根据长期定位试验土壤有机碳的变化,采用RothC模型模拟计算碳投入量和有机碳贮存速率。  【结果】  3种土壤MCF处理的有机碳含量及其矿化势最高。黑土中,MCF处理有机碳含量及其矿化势分别比CK显著增加了4.17%、33.94% (P<0.05),MCF处理有机碳含量与CF处理差异不显著,但有机碳矿化势比CF处理显著增加了31.73% (P<0.05)。潮土中,MCF处理有机碳含量比CK和CF处理分别显著增加了40.59%、21.94% (P<0.05);MCF处理有机碳矿化势与CF处理差异不显著,是CK处理的3.14倍。红壤中,MCF处理有机碳含量比CK和CF处理分别显著增加了64.35%、43.10% (P<0.05),有机碳矿化势分别显著增加了22.20%、15.69% (P<0.05)。黑土和红壤MCF处理微生物熵(MBC∶SOC)及矿化熵(C₀∶SOC)显著高于CK处理,潮土CF处理微生物熵及矿化熵显著高于MCF和CK处理(P<0.05)。方差分析表明,土壤类型和施肥措施及其相互作用对土壤有机碳含量和矿化参数总体上有极显著影响(P<0.01)。偏相关分析表明,分别控制温度、降水和蒸发条件下,土壤有机碳与碱解氮、速效磷含量显著正相关;土壤有机碳矿化势与碳投入、全氮和速效磷含量显著正相关,与动力学常数显著负相关;分别控制温度和降水条件下,土壤有机碳与其矿化势、碳投入、全氮、碱解氮、速效磷显著正相关(P<0.05)。逐步回归分析表明,增加全氮含量以及降低年平均温度和蒸发量可以增加土壤有机碳含量;提高土壤速效磷、速效钾含量,降低土壤pH和年平均蒸发量可以增加土壤有机碳矿化势。  【结论】  综合3种农田土壤,长期有机肥化肥配施提高土壤有机碳含量及其矿化势,降低土壤pH和土壤水分蒸发能够增加土壤有机碳矿化势,因此,通过合理的施肥措施增加土壤有机碳的同时,结合调节土壤pH和土壤水分的农艺措施增加土壤有机碳矿化势,能进一步增加土壤有机碳贮存。     

有机物料碳和土壤有机碳对水稻土甲烷排放的影响

基于30年水稻土长期施肥定位试验,在保证原有定位试验正常开展的前提下,将部分化肥处理变更为有机肥处理(或反之),通过观测一年水稻轮作周期内不同处理甲烷(CH_4)排放通量季节性变化,探讨不同肥力水稻土中外源有机碳及土壤有机碳含量对田间CH_4排放的影响。结果表明:施化肥处理和有机肥处理,水稻土全年CH_4累积排放量范围分别为1.73~4.72和35.09~86.60 g·m~(-2)。有机肥处理改施化肥后,田间土壤CH_4的排放量显著降低;化肥处理改施有机肥或有机肥处理增施有机肥后,田间土壤CH_4的排放量显著提高。外源有机碳的输入量是田间土壤CH_4年排放量的决定性因素,外源有机碳输入量(x)与水稻土CH_4年累积排放量(y)之间满足直线方程:y=0.087 7 x+3.265 7(R~2=0.965 9,n=21)。土壤有机碳同样也是影响稻田CH_4排放的因素,在不同有机碳水平的水稻土上施用等量相同化肥或有机肥,土壤有机碳含量高的水稻土都更有利于CH_4的产生。单施化肥稻田土壤CH_4排放的最主要碳源是土壤有机碳,有机碳含量(x)和水稻土CH_4年累积排放量(y)之间的指数方程:y=0.162 4 e~(0.162 2 x)(R~2=0.940 6,n=9)。有机肥可促进土壤有机碳分解释放CH_4,土壤有机碳含量相同的条件下,高量有机肥比常量有机肥的土壤有机碳分解比率高0.65%,等量相同有机肥但土壤有机碳含量不同的条件下,土壤有机碳分解比率无显著差异;同样,土壤有机碳也可促进有机物料碳分解释放CH_4,在常量有机肥或高量有机肥处理中,土壤有机碳含量高者比低者的有机物料碳分解比率分别多出3.57%和2.34%。     

无机氮对土壤中有机碳矿化影响的探讨

采用1 4 C同位素示踪恒温密闭培养法 ,研究了秸秆和化肥配合施用体系中 ,无机氮对1 4 C秸秆碳矿化的影响 ,培养期一年。结果表明 ,在非石灰性土壤中 ,无机氮的施用促进了1 4 C秸秆碳的矿化 ,相对增加了土壤固有碳 ( 1 2 C)的固持 ,两者间的互补显示无机氮对土壤总碳矿化的影响不大 ;淹水土壤中的1 4 C秸秆碳年矿化率比旱地高 ,发现无机氮对1 4 C秸秆碳年矿化率的增加不论在旱地或水田状况是近似的。在石灰性土壤中 ,无机氮对1 4 C秸秆碳、土壤固有碳的矿化均起到抑制作用 ,没有发现无机氮对有机碳矿化的促进。对有机肥和无机肥配合施用体系中 ,化学氮肥对土壤有机碳转化影响 ,以及化学氮肥在土壤有机碳内循环中的作用功能等 ,提出了一些新的见解     

野葛对红壤坡地水土保持和改良土壤效应的研究

针对红壤坡地水土流失严重的状况,选用横峰野葛、百喜草为材料对红壤坡地水土保持和土壤改良进行了研究。结果表明:横峰野葛和百喜草能有效地提高土壤持水量,降低土壤容重,增大土壤孔隙度,提高土壤PH值,增加土壤有机质和N、P、K含量,大大减少土壤侵蚀量和径流量,达到了较好的水土保持和改良土壤效果,而且野葛的综合效果比百喜草更好。