不同施氮水平下土壤的生化性质对干湿交替的响应

以中国科学院封丘农业生态试验站水氮耦合长期试验地为研究平台,采集五个施氮水平(施氮0、150、190、230、270 kg hm-2)下表层0 ～ 20 cm土壤并测定其土壤肥力参数(土壤pH、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、有机碳).结果表明:施氮降低了土壤pH、速效磷、全钾,增加了全氮、碱解氮、有机碳,除有机碳随施氮水平的增加而增加外,其他肥力参数并未随施氮水平的增加而发生规律性变化.土壤经过0、3、6、10次干湿交替,培养60 d后测定其生物和化学性质(土壤铵态氮、硝态氮、溶解性有机碳、脲酶活性、脱氢酶活性、微生物生物量碳、土壤基本呼吸).双因素方差分析显示干湿交替次数对铵态氮、硝态氮、无机氮、溶解性有机碳、脱氢酶活性、微生物生物量碳和土壤基本呼吸均有极显著作用,而干湿交替次数和施氮水平对除脱氢酶活性以外的其他土壤性质均无交互作用.五个施氮水平下土壤硝态氮、无机氮、溶解性有机碳、脲酶活性、脱氢酶活性和微生物生物量碳均随干湿交替次数增加而增加,土壤基本呼吸随干湿交替次数增加而降低.高施氮水平(施氮超过190 kg hm-2)下土壤性质的变异系数更小并能更好地发生聚类.研究表明当土壤遭遇干湿交替时,高施氮水平下土壤更能维持其生化性质的稳定.     

细菌生长过程中的病毒消失行为研究

环境中土著微生物存在及微生物的不同生长阶段可能影响病毒去向.本研究选择自然界广泛存在的3株细菌:恶臭假单胞菌(PP)、铜绿假单胞菌(PA)、枯草芽孢杆菌(BS)为微生物代表,以噬菌体φX174为指示病毒,通过30℃ (PP)和35℃(PA和BS)条件下病毒与细菌同步生长的培养实验和4℃条件下病毒与不同生长时段的菌株培养物的静态吸附实验,比较分析了细菌生长发育阶段对病毒消失(包括可逆/不可逆吸附和消亡)的影响.培育实验结果表明,病毒在30℃和35℃培养基中的浓度随着培育时间持续降低;但当培养基中接菌时,病毒浓度从接种至对数期6h间急剧降低,降低幅度超过对照处理,其中在BS处理中降幅最大,其次为PA和PP处理;随着细菌由对数期进入稳定期和衰亡期,病毒浓度先反弹升高,然后后持续降低,反弹最高点病毒浓度在3株菌处理中均高于各自对照处理,反弹持续时间和病毒浓度的反弹提升程度依不同菌株而异.静态实验结果表明,菌株培养物的培育时间从6h延长至18h时,病毒的消失比例逐渐降低,继续延长至24 h时又迅速升高,然后随着培育时间的进一步延长而持续降低.以上结果表明细菌对病毒消失的影响随细菌生长发育阶段和菌种而异,暗示在研究病毒在环境中去向时,必须考虑环境中本土微生物的存在及其组成.     

秸秆还田与施氮量耦合对冬小麦产量和养分吸收的影响

通过田间试验,比较研究了秸秆还田和不还田条件下氮肥施用量对我国黄淮海平原典型农区冬小麦籽粒产量、产量构成因素、养分吸收过程及土壤速效养分的影响,目的是为了挖掘不同耦合条件下的小麦产量形成机理。结果表明相同施肥条件下,秸秆还田有增加冬小麦籽粒产量的趋势,但只有在施氮量为150和200 kg/hm2时,其差异达显著水平;当不施肥或施氮量为250kg/hm2时,差异不显著,总体来说,秸秆还田的增产率为6.34%~12.17%,这可能主要由于秸秆还田提高了籽粒千粒重所致,也可能与秸秆还田增加了冬小麦拔节-抽穗期地上部生物量氮素吸收量有关。同时,秸秆还田配施氮肥还提高了土壤碱解氮和速效钾含量,为作物养分吸收提供了肥力基础。与不施肥相比,单纯施肥导致的籽粒产量增加主要由于增加单位面积小麦穗数所致,但不同施肥量之间籽粒产量没有显著性差异,表明当地常规施肥习惯有一定节肥潜力。     

无机氮和葡萄糖添加对土壤微生物生物量和活性的影响

以黄淮海平原潮土为研究对象,通过室内恒温恒湿培养方法,比较研究了土壤中纤维素是否存在时,外源无机氮和葡萄糖添加对土壤微生物生物量及其活性的影响变化。实验设8个处理,包括不加任何物质的对照(CK)、添加无机氮(N)、葡萄糖(G)、纤维素(C)处理及葡萄糖和无机氮同时添加(G+N)处理,以及在纤维素存在基础上添加无机氮(C+N)、葡萄糖(C+G)、葡萄糖和无机氮同时添加(C+G+N)处理。在33天培养时间内,分别在不同的时间间隔内测定了土壤CO2累积释放量、微生物生物量碳(Cmic)、及脱氢酶(DHD)、β-葡萄糖苷酶(GLU)、过氧化氢酶(CAT)、碱性磷酸酶(APH)活性。结果表明,所有测定的微生物性质在CK与C处理间均没有显著性差异。与CK和C处理相比,其他所有处理的土壤CO2累积释放量均显著增加,其中C+G+N处理达最大值;G、G+N、C+G、C+G+N处理的土壤Cmic含量及DHD和APH活性显著提升,尤其在培养的前14天,而N和C+N处理则与CK处理相似,表示添加葡萄糖可显著增加上述处理生物活性水平,而添加无机氮则不能。添加无机氮和葡萄糖对GLU和CAT的影响不明显,大部分情况下它们在处理间没有表现出显著性差异。相关性分析表明,CO2释放速率始终与APH活性成显著正相关,但与Cmic和其他酶活性之间的相关关系则随着培养时间的不同而发生变化,这可能与不同培养时间的微生物组成或微生物利用底物的模式发生改变有关。聚类分析结果进一步表明,8个处理的土壤微生物活性水平可明显分成3组,其中活性水平最高的组只包含C+G+N处理,该结果提示在难分解纤维素存在时,无机氮和易利用有机碳的同时添加对提升土壤微生物活性的重要性。     

玉米水分利用效率、碳稳定同位素判别值和叶面积之间的关系

通过盆栽试验,研究了水分胁迫对玉米各生育期叶面积(LA)、比叶面积(SLA)、水分利用效率(WUE)和碳稳定同位素判别值(Δ¹³C)的影响以及不同水分条件下WUE、茎叶Δ¹³C和SLA之间的关系。试验设4个水分处理, 分别为田间持水量的75%~100%(W1)、50%~75%(W2)、30%~50%(W3)和0~30%(W4)。W2和W3处理对生物量干重的影响在玉米拔节期明显,而W4处理导致各生育期生物量干重的极大降低。在W2和W3处理下,玉米各生育期的WUE随着水分胁迫程度的增加而增加;而W4处理下,WUE在孕穗期后则显著降低。SLA在孕穗期达到最大。玉米各生育期叶片Δ¹³C在W1、W2和W3处理中呈随水分胁迫的增加而降低的趋势,而W4处理下的叶片Δ¹³C则高于W2和W3处理。玉米叶片光合同化物质往茎秆转移时没有发生碳同位素的分馏作用。在玉米的各生育期,叶片Δ¹³C、茎秆Δ¹³C和玉米WUE呈一致性的负相关;各生育期的SLA与Δ¹³C呈正相关关系,而与WUE呈显著的负相关。     

胡敏酸和柠檬酸对铜在土壤中吸附-解吸行为的影响

铜在土壤中的吸附-解吸行为及其影响凶素是评价铜在环境中去向的主要因素之一.本研究采用一次平衡法,目的是为了阐明两种可溶性有机碳(DOC)--胡敏酸(HA)和柠檬酸(CA)对铜在不同土壤中的吸附-解吸行为的影响.结果表明,HA有显著促进土壤对铜的吸附的趋势,但在碱性土壤中比在酸性土壤中的促进效果更为明显;而CA显著抑制碱性土壤对铜离子的吸附,对铜离子在酸性土壤中的吸附行为的影响随加入铜离子浓度的不同而异,低浓度时(<63.54 mg·L-1)CA对铜离子的吸附有抑制作用,而随着铜离子浓度的升高.CA又反过来促进土壤对铜离子的吸附.被碱性土壤吸附的铜离子很难用中性盐解吸出来.产生上述现象的原因可能与铜离子随pH变化的水解程度不同和不同类型DOC本身性质不同有关.土壤对铜吸附行为的变化有可能用来预测重金属对水体的污染潜力.     

长期施有机肥和化肥对潮土胡敏酸结构特征的影响

以河南封丘长期肥料试验为平台,选择有机肥(OM)、化肥NPK(NPK)和不施肥(CK)3种处理,研究了不同施肥措施对潮土胡敏酸(HA)结构特征的影响。HA样品经提取纯化后,采用一系列固态~(13)C核磁共振(NMR)技术并结合元素分析和稳定碳同位素(δ~(13)C)技术对其结构进行定量表征。其中NMR技术包括高速多重倾斜幅度交叉极化/魔角自旋(multiCP/MAS)、偶极相移、化学位移各向异性过滤和质子碳编辑技术。结果表明:长期施有机肥和NPK肥增加了HA的饱和程度、氧化程度和极性,但缩合程度降低;HA的δ~(13)C值降低,表明有新的有机碳进入HA中。潮土HA以脂肪族化合物为主,烷基比例最高,占全碳的24.1%~26.3%;δ64~44处同时存在含氮烷基和甲氧基,且含氮烷基比例更高;另外异头碳和烷氧基中的非质子碳比例均很低。HA的芳香族成分中,δ142~113芳香碳以质子碳为主,且有少量质子芳香碳存在于δ113~93。结果还表明施肥均降低了HA的羧基和δ142~113芳香碳比例,增加了烷氧基和甲氧基比例;施有机肥还增加了酚碳和含氮烷基比例,降低了烷基比例。本研究表明长期施用有机肥和NPK肥使潮土HA结构向着疏水性程度和分解程度降低的方向发展;OM和NPK处理均使糖类物质增加,OM处理还使木质素和多肽增加,脂类物质降低。不同施肥模式下HA的形成机制不同。     

秸秆施用和作物种植对土壤团聚体和微生物群落组成的影响

利用温室盆栽试验研究秸秆施用、作物种植以及两者的交互作用对土壤团聚体稳定性以及微生物群落组成的影响。结果显示,秸秆施用对小麦生物量无显著影响;与对照相比,秸秆施用或作物种植均显著增加了0.25 mm粒径团聚体数量以及团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD);秸秆施用处理较对照处理显著增加多糖含量;秸秆施用配合作物种植处理较秸秆施用和作物种植处理进一步增加了2 mm和1~0.5 mm粒径团聚体数量、团聚体MWD和GMD以及多糖含量;秸秆施用处理与对照处理具有相似的磷脂脂肪酸(PLFA)含量和微生物群落组成,作物种植处理较对照处理显著增加丛枝真菌含量,对照和秸秆施用处理的微生物群落组成不同于作物种植和秸秆施用配合作物种植处理。增加土壤水分显著增加了小麦生物量、土壤团聚体MWD和GMD以及PLFA含量。相关分析表明多糖和丛枝真菌含量均与0.25 mm粒径团聚体数量以及团聚体MWD和GMD存在显著正相关关系。     

长期稻草还田对胡敏酸化学结构的影响——高级13C NMR研究

为了从分析技术上对胡敏酸的结构分异进行定量化研究,以湖南桃源地区的长期(1990—2011年)田间试验为平台,采用元素分析、稳定碳同位素分析和高速多重倾斜幅度交叉极化/魔角自旋(Multiple cross-polarization/magic angle spinning,multi CP/MAS)定量测定技术结合选择性官能团测定的固态13C核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)方法,旨在利用系列技术阐明连续22年稻草还田对土壤胡敏酸化学结构的影响。结果表明,稻草还田后胡敏酸含量增加了78%,但元素组成没有发生显著变化,其分子饱和程度、氧化度和极性都与不施肥对照很接近。稻草还田土壤胡敏酸的δ~(13)C值低于对照,表明长期稻草还田提高了非极性物质来源的碳。定量multi CP/MAS NMR方法则证实稻草还田后主要提高了土壤胡敏酸的脂类、芳香族物质和木质素比例,而蛋白质、多肽和糖类物质的比例则有所降低,从而导致烷基/烷氧基比值及疏水性指数增大,表明其分解程度增加,疏水性特征更加明显。高级NMR技术进一步发现胡敏酸中有大量的质子化碳,稻草还田后质子化芳香碳比例增加,但质子化异头碳和烷氧基比例降低,而它们的非质子化碳相对稳定;δ113~93化学位移内除异头碳外还含有芳香碳,且稻草还田的芳香碳在此化学位移内的比例更高。可见稻草还田后土壤胡敏酸的量和结构均有所变化,高级测定技术对结构的刻画有助于了解长期稻草还田肥力的提升机制。