不同程度重金属污染对稻田土壤真菌群落结构的影响

为了研究土壤真菌群落结构在不同程度重金属污染中的变化,本文用Illumina Hi Seq高通量测序技术分析了苏南地区某金属冶炼厂和加工产业区的重金属污染水稻土的真菌群落结构,发现不同程度重金属污染对水稻季土壤真菌丰度和群落结构均有显著影响。经过真菌主成分分析发现,PC1影响因素对样品处理差异的贡献率是35.96%,PC2影响因素对样品处理差异的贡献率是21.48%;通过真菌冗余度分析发现,重金属Pb和Cu污染对土壤真菌群落结构的影响显著;通过对真菌属水平的相对丰度分析表明,重金属污染会显著降低敏感真菌的丰度,如被孢霉属相对丰度最高降低了87.50%、木霉属最高降低了99.46%、离壳菌属和菇属最高降低了100.00%,同时耐性真菌的相对丰度会提高,如类球囊霉属的相对丰度最高增加了98倍、四枝孢霉属最高增加了56倍、根囊壶菌属最高增加了2.62倍。综上所述,不同程度重金属污染对稻田土壤真菌群落结构有显著影响,且随着污染程度的增加,抗逆真菌相对数量和种类显著增加,敏感真菌的相对数量急剧减少,真菌群落结构随着重金属污染程度增加进一步分化。     

不同程度重金属污染对水稻土团聚体组成的影响

以太湖地区长期受重金属污染的稻麦轮作条件下的水稻土为研究对象,分别采取水稻收获期和小麦收获期不同重金属污染水平的土壤和临近非污染土壤(对照土壤),利用低能量超声分散分离技术将原状土进行团聚体分级,并结合土壤碳库分析,研究不同程度重金属污染对水稻土团聚体组成的影响。结果表明:随着重金属污染程度的增加,小麦收获期土壤2~0.2 mm与0.2~0.02 mm粒级的团聚体含量呈显著降低趋势,0.02~0.002 mm与0.002 mm粒级团聚体含量显著增加,但这种趋势在水稻收获期表现不显著;重金属污染降低了水稻季团聚体平均重量直径(MWD),从而降低了土壤的团聚程度,但这在小麦季并未表现出显著的降低作用;而小麦季重金属污染对原土及团聚体中有机碳含量没有显著影响,水稻季重金属污染则显著增加了土壤有机碳的含量。这些结果表明不同重金属污染程度对土壤团聚体组成的影响在不同的作物收获期表现不同,这可能与土壤团聚体周转过程受农田水分管理等措施影响有关,尚需深入研究。     

生物质炭施用对不同深度稻田土壤有机碳矿化的影响

本文旨在揭示生物质炭施用下不同深度稻田土壤有机碳矿化特征的变化,为提高稻田土壤生物质炭施用下的固碳效应提供参考。以太湖地区施用生物质炭2 a后的水稻土为研究对象,采集了7个不同土壤深度的土壤样品,通过室内培养试验,分析了生物质炭施用下不同深度土壤有机碳分布及矿化特征。结果表明,生物质炭仅显著增加了表层(0～10 cm)土壤总有机碳含量,而对深层土壤无显著影响。然而,与对照相比,施用生物质炭显著降低了土壤0～40 cm有机碳矿化强度,0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层的降幅分别为23.74%、37.57%、37.62%和15.95%,并降低了10～40 cm土层的微生物生物量碳和0～40 cm土层微生物代谢熵,同时表层(0～10 cm)土壤微生物生物量碳显著增加11.3%,而以上各指标在40 cm以下土层未因生物质炭添加而产生显著变化。因此,生物质炭在2 a尺度上提高了稻田土壤0～40 cm有机碳的稳定性,有助于增加深层土壤固碳潜力。     

宁镇丘陵区村域小流域不同土壤景观下表土质量变化及评价

中国南方丘陵区存在着自然过程和人类活动交互影响的、土地利用—土地覆盖叠加变化的多种土壤景观,其土壤质量对乡村农业产业发展具有重要影响。在南京市远郊的溧水区晶桥镇芝山村域小流域,选取流域内生态保护的林地、农业利用的园地、旱地和稻田4种土壤景观,于秋季分别采集表土样品,测定土壤基础理化性质、土壤团聚体粒径组成及土壤微生物磷脂肪酸和胞外酶活性分布,分析土壤肥力、土壤团聚化、土壤生物活性等关键性质在不同土壤景观中的变异情况,并采用土壤质量评价方法探明土壤景观与表土质量的变化关系。结果表明,与原生林地相比,农业土壤景观中有机质减少50.93%~69.63%,土壤团聚体平均重量直径降低41.34%~68.71%;相应地,土壤微生物总磷脂脂肪酸含量也降低19.20%~42.04%,土壤归一化酶活性降低22.48%~63.27%。因此,与林地景观土壤相比,农业土壤景观的土壤生态系统服务功能已经显著削弱。不过,在农业土壤景观中,稻田的土壤有机质储量和微生物活性相对较高。回归分析表明,土壤有机质含量是影响土壤性质变化的最强因子。基于总数据集和最小数据集的土壤质量评价和基于土壤健康理念的土壤功能质量评价均表明,表土总体土壤质量的变化趋势为林地>稻田>旱地>园地。同时,基于土壤健康理念的评价体系能综合地反映不同土壤景观间土壤的质量变化及其生态系统功能意义。     

可持续土壤管理:土壤学服务社会发展的挑战

国际土壤年唤醒了全社会对土壤变化的关注。地球环境与生命发育历史赋予了土壤自然资源资产价值,提供了生命和生态系统发育的多种服务,从而惠及全人类,支撑了社会的可持续性发展。全球土壤的这种支撑能力建立在"体-质-量"统一的土壤属性基础上。然而,在人类快速发展的驱动下,全球土壤已经或正在发生十分普遍和严重的土壤退化,土壤连续体遭到破坏,土壤功能严重削弱,且地表土壤覆盖被大面积固封。因此,必须充分认识土壤变化对于人类长远发展的潜在风险,着力构建可持续土壤管理体系,致力于保持土壤自然资产价值、平衡和最大化土壤的生态系统服务、优化兼顾农业安全(粮食安全-环境安全-生态安全)的土壤利用与保护。保持土壤自然资产、保持土壤的生态系统服务和保持土壤对全人类的惠利应该纳入生态文明的土壤观。而管控土壤变化势必成为可持续土壤管理的核心任务。这需要在政策上,推行生态补偿机制来处理利用者与受益者的利益关系;在行动上,实施区域土壤可持续管理工程,应对土壤变化;而在技术上,创新兼效多赢的管理实践措施,特别是有利于自然养育或恢复的土壤保护和培育技术。推进土壤可持续管理研究,探索可持续土壤管理途径,对于中国社会经济的可持续发展具有至关重要的意义。     

城市园林废弃物生物质炭性质及其应用潜力

【目的】以城市园林废弃物树皮、树枝、树叶和残草为研究对象,采用生物质热解炭化工艺制备生物质炭,分析评价生物质炭的理化性质及用于改善土壤和环境的潜力,为园林废弃物炭化处理及其产物的循环利用提供依据。【方法】运用C、H、O等元素分析和物理分析,Pb、Cd、Cu、Zn等重金属元素含量分析,表面形貌分析及可溶性组分气质联用(GC/MS)分析等方法,表征生物质炭的有机物质组成、颗粒吸附特性、活性有机质丰度以及环境风险物质的存在等。【结果】4种园林废弃物生物质炭的有机碳含量介于46.8%～76.1%之间,树枝类高于草本类20%以上,且热值高达30 MJ·kg~(-1);残草和树叶生物质炭N、P、K等养分含量高于树皮和树枝,且孔隙度和比表面积较高; 4种园林废弃物生物质炭水溶性有机碳含量介于2.86～31.20 g·kg~(-1)之间,检测出177种化合物,主要是有机酸,其次是醇类和糖类等。园林废弃物生物质炭的重金属元素含量尽管满足直接农用,但均符合非农地土壤限值。【结论】城市园林废弃物生物质炭有机质丰富,物理结构良好,活性有机组分和养分含量高,环境风险极低,资源化利用潜力突出。木本类生物质炭可用作燃料炭或土壤覆盖吸水材料,树叶和残草生物质炭宜作为土壤改良剂和营养基质利用,且因丰富的可溶性有机-无机养分,有望进一步开发用作园林绿化植物叶面调理剂。     

乡村小流域不同土壤景观表土有机质团聚体分布与分子组成变化

  【目的】  探讨丘陵山区乡村不同土壤景观表土有机质积累的团聚体分布及其化学组成的变化,为认识自然条件和人为利用下土壤有机质的空间变化特点提供新视角。  【方法】  选取江苏省南京市溧水区芳山小流域内保护林地、园地、旱地和稻田等景观样地,采集0—20 cm土壤样品,分析有机碳(SOC)总量。将土壤样品通过湿筛法分出宏团聚体(2000～250 μm)、微团聚体(250～53μm)和粉黏粒(<53 μm) 3个粒径组,测定其中有机碳含量,计算土壤中各团聚体结合态碳的比例。再者,对土壤样品依次进行总溶剂(TSE)提取,碱水解(BHY) 提取和氧化铜氧化(CUO)提取,分别主要得到游离脂、结合态脂和木质素酚,采用气相色谱–质谱联用仪(GC-MS)测定各组分中生物标志物有机分子丰度,计算分子多样性指数。  【结果】  与林地相比,园地、旱地和稻田表土本体有机碳含量分别降低70%、57%和51%,其中宏团聚体结合有机碳的含量分别降低了85%、81%和71%,微团聚体结合有机碳分别降低了74%、79%和67%,粉黏粒结合有机碳则分别降低了48%、18%和3%。表土中提取得到游离态脂类、结合态脂类和木质素酚类的有机分子丰度分别介于2.24～6.74、4.81～14.87和3.51～6.16 mg/g SOC;不同土壤景观间,这些提取态生物标志物分子丰度的变化趋势均表现为林地>稻田>园地>旱地。而木质素酚类丰度表现为林地和稻田相近。相对于林地,园地、旱地和稻田的脂肪酸丰度、烷醇、甾类及萜类等生物标志物分子丰度显著降低,但烷烃分子丰度明显增加,同时微生物来源有机质对土壤有机质的贡献提高;林地及园地土壤中结合态脂类组分以羟基酸丰度较高,而旱地和稻田则以烷酸为主。通过计算的生物标志物分子多样性指数的变化,发现游离态脂类和结合态脂类是林地和稻田高于旱地和园地,而木质素酚是稻田高于旱地,旱地又高于园地和林地。  【结论】  自然林地和农用地土壤的有机碳含量和团聚体结构具有较大差异,在提取态有机分子的组成上也具有不同的组成特征。林地土壤有机碳含量高,宏团聚体、微团聚体和粉黏粒比例均衡,有机碳的团聚体分配也均衡,而且有机质主要以植物源有机碳为主,具有碳链长、分子多样性高等特点。因之,稳定性也高。相反,园地、旱地的有机碳总量低,宏团聚体和微团聚体趋于分解,团聚体结合态有机碳显著减少,而且结合态和游离态脂类有机分子的多样性均显著降低,微生物来源有机碳对土壤有机碳的贡献更高。而稻田土壤有机碳和分子多样性均高于旱地及园地。因此,合理的土壤管理特别是有机物料的投入是提高农地土壤健康程度的重要途径。     

水洗处理对不同原料生物质炭吸附解吸Cd~(2+)行为的影响

以水稻、小麦、玉米和猪粪为原料,比较秸秆类生物质炭和畜禽粪便类生物质炭对溶液重金属Cd~(2+)的吸附解吸特点及其水溶性盐分含量的影响。结果表明,生物质炭对Cd~(2+)的吸附结果均很好地符合准二级动力学方程和Langmuir方程,猪粪炭的Cd~(2+)最大吸附量达20.7 mg g~(-1),为秸秆炭吸附量的1.37~1.72倍。洗脱去除可溶性盐分显著降低生物质炭对Cd~(2+)的吸附。水洗后秸秆炭对Cd~(2+)的最大吸附量为猪粪炭的2~4.3倍,水稻、小麦、玉米和猪粪炭对Cd~(2+)的最大吸附量分别降低52.6%、72.7%、72.8%和91.9%。洗脱作用提高了生物质炭对Cd~(2+)的解吸率,其中猪粪炭提高幅度最大,由原来的1.76%~7.96%提高到12.00%~27.49%。因此,可溶性盐分在生物质炭吸附Cd~(2+)过程中具有重要作用。所以,在污染土壤治理中需要考虑不同原料的组分差异,以制备高效修复土壤重金属污染的生物质材料。     

不同来源生物质废弃物热解炭化农业应用潜力分析:生物质炭产率、性质及促生效应

  【目的】  中国农业生物质废弃物种类多、数量大,且存在病原菌、农药和抗生素残留等潜在生态和环境风险。热解炭化作为一种废弃物的安全处理方法,其生物质炭的循环得率、性质及其土壤改良和促进作物生长的效应还需系统的比较研究。  【方法】  本研究选取作物生产来源的原生生物质、养殖业来源的次生生物质、食品加工处理的残余生物质等共26种生物质废弃物原料,在同一条件下炭化,分析不同来源原料热解后生物质炭产出率与性质。以小白菜 (Brassica campestris L. ssp.) 为试材进行盆栽试验,研究生物质炭对作物生长及土壤改良效应,进而评估这些废弃物炭化农业循环的应用潜力。  【结果】  供试26种废弃物炭化后的生物质炭产出率介于22%～71%,有机碳循环回收率介于22%～81%,氮素循环回收率介于21%～67%。26种废弃物生物质炭的pH和阳离子交换量差异较小 (变异系数10%左右),总有机碳、氮、水分、灰分含量等差异较大,变异系数在60%～70%;而不同原料生物质炭的电导率和溶解性有机碳含量变化极大,变异系数大于90%。生物质炭盆栽试验中,生物炭添加1%,小白菜生物量提升效应介于–34%～314%,变异系数大于100%;小白菜品质提升效应介于–14%～228%,变异系数为59%;土壤肥力提升效应介于20%～360%,特别是土壤有效磷含量提升幅度在0～24倍,均值为359%。同时,生物质炭产出率与生物质炭中灰分呈显著正相关,生物质炭的碳氮回收率与原料中碳氮含量呈显著正相关;不同原料热解炭化的质量回收率、碳氮回收率与小白菜产量及品质等指标间变化差异较大,在小白菜产量效应和品质效应间,部分生物质炭存在抵消作用,而另一部分生物质炭表现为协同作用。  【结论】  综合考虑热解炭化的生物质炭化循环率及碳氮回收循环率和土壤质量–植物生长协同提升效应,供试26种原料中,蚕砂、稻壳牛粪、骨粉、双孢菇渣、兔粪、羊粪和玉米渣的炭化循环率和土壤质量–植物生长协同提升幅度较高 (> 50%),为优先炭化农业利用的生物质废弃物;而木糖渣、稻壳粉、椰渣、高粱酒渣、核桃皮、蚓粪和红茶渣等废弃物热解炭化,因炭化循环率较低,或者土壤质量–植物生长提升的不一致效应,认为不宜炭化农业利用;而其余废弃物热解炭化后的效应介于上述两类之间,具有较高的炭化循环率和一定程度的土壤质量–植物生长协同提升效应,属于可炭化农业利用的生物质废弃物。     

生物质炭可溶性有机物化学组成及生物活性意义

生物质热解炭化过程中,有机可挥发组分从固相逸出,冷凝后重新吸附于生物质炭,成为其中的可溶性有机物。生物质炭可溶性有机物化学组成复杂,主要含小分子有机物与芳香类化合物且含有丰富的官能团,具有较高的化学反应活性和生物活性,可显著地改变土壤中养分元素和污染物的形态与有效性,影响土壤微生物组成与丰度,调控作物的生长与健康。依生物质原料和热解条件的差异,生物质炭可溶性有机物的化学结构与生物活性功能也不尽相同。生物质炭可溶性有机物的生物活性意义主要表现为对生物的刺激作用,但部分生物质炭可溶性有机物可能具有一定的潜在毒性风险。通过提取生物质炭可溶性有机物可生产具有生物刺激作用的商品液体有机肥,从而实现生物质炭的分值利用。未来需要进一步加强生物质炭可溶性组分的生物活性或毒性物质的鉴定及其形成机制的研究,这对于生物质炭产品的优化是十分必要的,也是应用生物质炭尽量避免环境风险的要求。