水稻根系生物特性与稻田温室气体排放相关性研究

通过湖南双季稻区温室气体排放差异的水稻品种田间试验,研究了不同品种温室气体排放与根系特征的相关性。结果表明,早稻分蘖盛期CH4排放通量与根干重、伤流量均呈显著负相关（P〈0.05）;晚稻CH4排放通量与根伤流量呈极显著负相关（P〈0.01）;早稻N2O排放通量在分蘖盛期与根伤流量相关性极显著（P〈0.01）,在齐穗期与根体积、干重、根伤流量均呈极显著负相关（P〈0.01）;晚稻分蘖盛期,根系干重与体积均与N2O排放通量呈显著正相关（P〈0.05）;齐穗期,根系体积与N2O排放通量呈显著负相关（P〈0.05）;早稻分蘖盛期CO2排放通量与根系干重和根伤流量呈显著正相关关系（P〈0.05）,晚稻齐穗期根系伤流量与CO2排放通量负相关性达到极显著水平（P〈0.01）。因此,根系特性是影响水稻温室气体排放的重要因素。     

植物间作下根际微生物和土壤酶与土壤多氯联苯（PCB）降解的关系

以大豆、黑麦草和南瓜为材料,采用盆栽实验,研究了3种植物的单作和相互间作的不同种植方式对多氯联苯污染土壤的根际修复效应与机理。结果表明：（1）PCB去除率与土壤蛋白酶和磷酸酶活性均呈极显著正相关关系,相关系数分别为0.878和0.929（P〈0.01）,推测这两类酶可能参与了PCB的生物降解过程;（2）PCB去除率与土壤真菌密度呈显著相关（r=0.797）,而PCB去除率与土壤细菌及放线菌密度相关不显著;（3）在本实验条件下,微生物因素对土壤PCB的降解起主导作用,非灭菌土处理的土壤PCB去除率比灭菌土相对应的对照高出17.7%~30.75%;（4）根系分泌物能显著强化微生物的降解功能,添加黑麦草和大豆根系分泌物处理的土壤PCB去除率分别比只加营养液的对照高出21.4%和24.9%。     

玉米和大豆根系对滇中地区坡耕地红黏土抗剪强度的影响

水土流失是限制山区坡耕地持续利用的主要问题。为探讨农作物根系固土机理,采用无侧限压缩试验测定了素土、玉米和大豆成熟期根土复合体的抗剪强度和应力应变特性,WinRHIZO(Pro.2019)根系分析系统测定了根系构型特征,分析了根土复合体力学特性与根系特征参数间的关系。结果表明：（1）玉米和大豆根系能显著增强土体抗剪强度（P<0.01）,其根土复合体强度相对素土分别提高了117.65%和71.91%;(2)两种农作物根土复合体黏聚力c与根长密度、根表面积密度、根体积密度、根重密度均呈极显著正相关（P<0.01）,其中D≤1mm细根对黏聚力增量Δc的贡献大于其他径级根系;（3）根系构型性状中,玉米根分支数高于大豆45.44%且各径级根系分布更均匀,其根土复合体随含根量的增加,在破坏时表现出弱应变硬化特征且裂缝拓展变缓,侧向变形减小。综上农作物根系均能增强土体抗剪强度,但根系结构类型不同则对土体力学特性的影响不同,细根和分支数较多的玉米根系更能有效增强土体强度和约束变形,因此须根系玉米对表层土体的固持能力优于直根系大豆。坡耕地利用中,可以通过合理布局须根系农作物来防治水土流失。     

三江源区植物根-土复合体的抗拉拔力特征及影响因素分析

为研究高寒地区草地恢复过程中牧草根系固土稳定性机制,在青藏高原三江源区对燕麦根—土复合体进行原位拉拔试验,系统分析了燕麦根—土复合体抗拉力的表现特征及影响因素。结果表明:（1）根—土复合体的抗拉力在不同地形、种植方式等不同情况下,表现出的特征不一致。高密度区比低密度区的抗拉力小,撒播区比条播区的抗拉力小,高坡度区比低坡度区抗拉力小,远离冲蚀沟区比冲蚀沟区附近抗拉力小,且差异显著（P < 0.05）。（2）根—土复合体的抗拉力与地上生物学性状相关性低,与根系生物学性状相关性高。（3）复合体的抗拉力与根径（RD）、须根条数（RN）呈极显著正相关（P < 0.01）,与根长（RL）、单根生物量（RW）呈显著正相关（P < 0.05）。     

蚯蚓粪对鹅掌楸容器苗生长及养分吸收的影响

在容器育苗基质中添加体积比为5％～20％的蚯蚓粪,通过无纺布容器育苗试验,研究了不同育苗基质对鹅掌楸根际环境中的微生物数量、根系建造和活力、养分吸收及育苗效果的影响.结果表明,育苗基质中添加蚯蚓粪可不同程度地提高鹅掌楸根际环境中细菌数量和微生物总量,真菌数量有所降低,但对放线菌数量影响差异不显著.蚯蚓粪有利于鹅掌楸根系的生长,尤其是增加了毛细根的重量和在根系体系中的比例,根系活力也有显著提高.此外,育苗基质中加入蚯蚓粪还提高了鹅掌楸根、茎和叶干物质的积累量,虽然对植物体内氮和磷的含量影响较小,但蚯蚓粪的添加显著提高了植物体内钾的含量.同普通育苗基质相比,加入15％体积比例的蚯蚓粪使氮、磷和钾的养分吸收量分别提高了22.23％,15.58％和26.66％.综合分析认为,育苗基质中加入一定比例的蚯蚓粪可显著改善鹅掌楸的根际环境,促进育苗植物对养分的吸收和利用,提高无纺布容器育苗效果.在试验蚯蚓粪添加比例中,育苗基质中添加体积比例为15％的蚯蚓粪效果最为显著.     

三峡库区不同土地利用类型土壤颗粒分形特征

采集三峡库区忠县石宝寨4种不同土地利用类型土壤剖面0-40cm土层3个层次12个土壤样品,通过计算和测定土样颗粒体积分形维数及基本性质,以期说明三峡库区中性紫色土土壤颗粒体积分形特征及其与土壤基本性质间的相关性。结果表明,研究区中性紫色土土壤剖面（0-40cm）土壤颗粒体积分形维数D值介于2.638～2.674之间。随土层深度的增加D值总体呈增加趋势,不同土地利用类型之间的D值存在差异,表现为林地〈果园〈菜地〈水田;D值与土壤粘粒（〈0.002mm）体积百分含量呈极显著正相关关系（P〈0.01）,与土壤粉粒（0.002～0.05mm）体积百分含量的相关性不强,而与砂粒（〉0.05mm）体积百分含量呈极显著负相关关系（P〈0.01）;D值与土壤有机质、全氮、全磷含量不存在显著相关性。     

模拟降雨量条件下沟垄集雨种植对土壤养分分布及夏玉米根系生长的影响

为了探索沟垄集雨种植的增产机理及其适宜的雨量范围,在人工模拟降雨条件下研究了不同降雨量沟垄集雨种植对夏玉米（ZeaMaysL．）根系性状及土壤速效养分含量的影响。结果表明,沟垄集雨种植处理后,耕层（0~40cm）土壤速效N、P、K和有机质的含量明显增加（P〈0．05）。夏玉米根长、根表面积、根体积和根干重在230mm和340mm降雨量下明显增加,440mm雨量下,分别有所减小（P〈0．05）;籽粒产量增加幅度在230~440mm雨量下随雨量增大而减小（P〈0．05）,440mm时增产效果已不明显。可见,沟垄集雨种植协调了土壤水分和养分的关系,在一定雨量下可促进植株根系的发育,其种植玉米适宜的雨量上限可能在全生育期降雨量440mm左右。     

晋西黄土区不同植被类型土壤抗冲性及表层根系分布特征

采用原状土冲刷水槽法,以油松林、刺槐林、山杏林、荆条地及荒草地土壤为研究对象,研究了晋西黄土残塬沟壑区蔡家川流域不同植被类型土壤抗冲性能及植物根系对土壤抗冲性的影响。结果表明:(1)在原状土冲刷试验过程中,各植被类型径流量随冲刷时间的变化趋势不明显,含沙量随时间延长先减少后趋于平稳,土壤抗冲指数呈逐渐增加的趋势。(2)各植被类型总根长密度、根表面积密度、根体积密度及根生物量密度均表现为刺槐、油松林地较大,山杏、荆条、荒草地较小且相差不大,总根系参数之间均存在正相关关系。各植被类型不同根径范围(0～0.5,0.5～1.0,1.0～2.0,2.0～5.0,5.0 mm)的根系指标中,0～0.5 mm径级的根长密度均最大,根体积密度总体表现为细根比粗根小。(3)不同植被类型植物根系均能增强土壤的抗冲性,增强效应表现为刺槐林地和油松林地较强,山杏、荆条、荒草地较弱。植物根系指标中1 mm径级的根长密度、根表面积密度、根体积密度与土壤抗冲性增强值呈显著或极显著正相关关系。其他径级根系参数与土壤抗冲性增强值相关性不显著。     

不同土表管理措施对梨树根系分布特征的影响

梨树根系在土壤中的分布状况直接影响施肥的效果,采用壕沟法研究不同土表管理措施下梨树根长、 根表面积、 根体积和不同径级根系特征指标的水平及垂直分布。结果表明, 1）梨树根系水平方向主要集中在距树干3090 cm范围内,垂直方向主要集中在2060 cm土层中; 2）行间种植三叶草与覆膜处理下梨树根长、 根表面积、 根体积均高于清耕对照; 3）3种土表处理下,不同径级根系间都以0~1 mm径级根长、 根数量最多,根体积最小,以1~3 mm径级根表面积最大。行间三叶草处理下总根长、 根表面积最大,根体积最小。因此建议梨树施肥在水平方向距主干3090 cm, 垂直深度2060 cm土层为宜,可促进梨树根系的生长,又可提高肥料利用率。     

根际促生菌应用于基质对水稻幼苗生长的影响

为了研究根际促生菌对水稻幼苗的促生效果，培育高效优质水稻育苗基质，本研究选用五株根际促生菌（LY5枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），LY11解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens），X2摩拉维亚假单胞菌(Pseudomonas moraviensis)，X3沙芬西芽孢杆菌（Bacillus safensis），X8绿针假单胞菌(Pseudomonas chlororaphis)）分别与本实验室已筛选出的最适配比基质进行混合制作高效水稻育苗基质，以不添加促生菌为对照，在盆栽条件下，研究根际促生菌对水稻幼苗生长和代谢的影响。结果表明：1）解淀粉芽孢杆菌（LY11）应用于育苗基质对水稻幼苗的促生效果及代谢活性最好。2）在育苗基质中添加根际促生菌后，地上部生物量和壮苗指数均比对照显著增加，增幅分别在18.0%-31.5%和11.38%-23.28%之间。3）添加根际促生菌的育苗基质能够促进水稻幼苗根系的生长，根体积、总根长等均比对照显著增加，且改善了根系形态结构，显著提高了根系活力。4)根际促生菌处理显著促进了水稻幼苗对氮磷养分的吸收，且氮、钾的转运系数显著提高。5）水稻幼苗体内谷氨酰胺合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性在促生菌处理下均显著提高。因此，根际促生菌应用于水稻育苗基质能够促进秧苗的生长并提高其代谢活性，本研究结果能够为高效优质水稻育苗基质的研发提供理论支撑。     

4种湿地植物的生理性状对人工湿地床设计的影响

野外调查分析了4种常见湿地植物的最长根长,根系体积,植物密度,植株的氮、磷和锌含量等对人工湿地去除污染物、人工湿地设计和人工湿地使用寿命的影响。结果表明,最长根长以美人蕉为最长（43.73cm）,芦苇其次（32.50cm）,黄花鸢尾最短（12.57cm）;根系体积以美人蕉最大（66.72cm^3）,芦苇其次（17.42cm^3）,黄花鸢尾最低（4.70cm^3）;密度以芦苇最高（257株·m^-2）,美人蕉其次（61株·m^-2）,茭白最低（54株·m^-2）;单位面积上芦苇、美人蕉、茭白和黄花鸢尾地上部分生物量分别是4.27、2.12、0.94和0.78kg·m^-2。相应地,单位面积上植物地上部分对氮、磷和锌的吸收量以芦苇最高,美人蕉其次,黄花鸢尾最低。不同植物对人工湿地的使用寿命没有显著影响,但植物的最长根长和密度可作为人工湿地基质深度设计和植物数量配置的依据。     

不同人工湿地基质对磷的吸附性能研究

通过基质磷素吸附动力学、等温吸附以及基质饱和吸附后磷素解吸实验,研究陶瓷滤料、红泥、水洗砂、炉渣4种人工湿地基质净化磷素的效果,评价其基质磷素饱和吸附后磷素解吸可能造成的二次污染风险。结果表明,在溶液磷（P）浓度为5-150mg·L·^-1条件下,Langmuir和Freundlich等温吸附方程均能很好地描述陶瓷滤料和红泥两种基质的磷素吸附过程,陶瓷滤料用Langmuir方程比Freundlich方程的拟合程度更好,红泥则相反。4种基质对磷素的吸附量顺序依次为红泥〉陶瓷滤料〉炉渣〉水洗砂。从磷素的解吸率来看,4种基质释磷顺序依次为炉渣〉水洗砂〉陶瓷滤料〉红泥,水洗砂和炉渣吸附磷素后的解吸率较高,其他两种基质磷素解吸的比例很低。综合评价,陶瓷滤料更适合作为人工湿地污水除磷的基质。     

湿地植物对模拟污水的净化能力研究

选择了千屈菜、水芹、水葱、黄菖蒲、石菖蒲、香菇草为待试湿地植物,通过静态水培试验,考察了各植物在以氨氮（NH4^＋-N）为主要氮组分的模拟污水中的生长情况、生理生态学特性,及在不同停留时间下对污水中有机物、N、P的去除率,以期找出不同条件下净化污水的优势植物。结果表明,植物在污水中均能正常生长,对营养物都有一定的吸收能力,对水体有明显的净化效果。其中石菖蒲植株内N、P浓度最高,净化效果较好,当停留时间为8d时,对NH4^＋—N和佃的去除率分别为90．52％和92．89％;水芹生长稳定,在较短时间内对N、P均有较好的去除效果;香菇草在停留时间较长的条件下对污染物的去除率较高,当停留时间为8d时,对NH4^＋—N和TP的去除率分别为94．90％和93．35％。可见,石菖蒲、水芹和香菇草对营养物质具有较好净化效果,是较理想的湿地植物。     

人工湿地的基质及其深度对生活污水中氮磷去除效果的影响

目前人工湿地常用的基质一般为土壤、河砂和砾石,这类基质净化效率低,容易吸附饱和,且除磷脱氮的能力不高,致使出水中氮、磷浓度较高。针对于此,本试验研究选择了沸石、草炭、蛭石、页岩、砂子5种基质,利用两组模拟土柱系统模拟人工湿地对生活污水的处理,主要研究基质种类及其深度对生活污水处理效果的影响,并根据各基质对生活污水中总氮（TN）、总磷（TP）的去除率进行方差分析及基质对污水处理能力的显著差异性分析。实验结果表明：（1）各基质去除TN的能力差别不明显,沸石、蛭石、页岩的处理效果稍好,对TP的去除能力依次为草炭〉页岩〉砂子〉沸石〉蛭石。（2）基质深度的增加对2个指标处理效果的影响不同。对TN来说,深度对各基质的处理效果无明显影响。对TP来说,当深度在100cm以内时,5种基质对TP的去除率均随深度的增加而明显增大,当深度超过100cm后,各基质的这种增大趋势都不太明显。因此,对这2个指标而言,基质的填充深度应为100cm。     

蚯蚓引入垂直流-水平潜流湿地混流系统处理沼液的效果

为了避免或减少人工湿地处理厌氧发酵液发生堵塞,并提高系统处理效果,该试验将蚯蚓引入到垂直流湿地系统中,并与水平潜流湿地构成混流系统,用来处理厌氧发酵液。结果表明:采用蚯蚓垂直流湿地-水平潜流湿地混流系统处理厌氧发酵液,在进水平均有机负荷达1.82 kg/(m~2·d),水力负荷10、20 cm/d的条件下,对化学需氧量、总磷、总悬浮固体的去除率达到了90%以上,氨氮去除率达80%以上,总氮去除率也维持在60%以上。提高水力负荷对污染物的消减量更有优势,水平潜流湿地对总氮的消减优于蚯蚓生态湿地。2种水力负荷下,混流湿地出水化学需氧量、氨氮、总磷、总悬浮固体均能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》要求。蚯蚓使混流系统对化学需氧量、氨氮、总凯氏氮的去除分别提高了2%、12%、4%,同时具有同步处理污水污泥,缓解湿地堵塞的效果,处理水质基本达标,处理污泥的成本也大大降低,因此具有很大应用潜力。     

氧调控下人工湿地微生物群落结构变化研究

运用磷脂脂肪酸（PLFAs）技术研究了氧调控下复合垂直流人工湿地（IVCW）微生物群落结构及活性变化,结果表明,不曝气IVCW基质表层以好氧微生物为优势种群,但绝大部分微生物都集中在0～20 cm基质层,系统的净化空间受到限制;氧调控下微生物群落向基质纵深发展,表征好氧微生物的单不饱和脂肪酸的含量显著增加,曝气系统下行池表层各类群微生物的生物量为不曝气系统的2～6倍,表征微生物活性的PLFAs总不饱和度水平也明显升高;革兰氏阴性细菌成为曝气IVCW基质微生物群落的优势种群,群落具有更高的活性和专一性,提高了污染物的去除效果。因此,进一步研究微生物的这种适应机制可以为优化湿地系统提供一定的理论基础。     

几种挺水植物净化生活污水总氮和总磷效果的研究

研究了石菖蒲、灯心草和蝴蝶花3种不同植被系统、基质为河砂的潜流型人工湿地净化生活污水总氮和总磷的效果,并同无植被系统、相同基质的潜流型人工湿地净化效果进行了比较,结果表明:在较低浓度范围里无植被的人工湿地和3种有植被的人工湿地对污水中总氮有较好的去除作用,随着污水中总氮浓度的增加,虽然无植被的人工湿地和有植被的人工湿地去除总氮的效果均有下降的趋势,但有植被的人工湿地仍然能维持较高的总氮去除水平,无植被的人工湿地总氮去除效果则下降较快。在有植被的人工湿地中,以石菖蒲植被人工湿地氮素净化能力最强,其次为灯心草和蝴蝶花,这与植被自身吸收同化污水中氮素水平以及植物根系微生物作用有关。对于污水中总磷的去除,本研究中由于污水中磷素浓度较低,无植被和有植被的人工湿地对污水中磷素均有很好的去除作用,没有明显差异,但不同的植物体中磷素仍有明显的吸收同化富集现象,其中石菖蒲吸收同化磷素能力最强,其次为蝴蝶花和灯心草,植被在人工湿地系统中对于污水中总氮和总磷的去除起着重要的作用。     

几种水生观赏植物对城市污水的生理响应

主要研究了石菖蒲、泽泻、菖蒲、黄花鸢尾、千屈菜这5种常见水生观赏植物对城市污水的生理生化变化,分别在第5 d,10 d和15 d对植物叶片膜脂过氧化(MDA、电导率)、体内保护系统酶(CAT、POD)、非酶类(游离Pro)及根系活力等抗性生理指标进行测定,探讨植物抗污水逆境的能力。研究结果表明,不同植物适应污水环境能力不同。其中,黄花鸢尾在污水处理下的抗逆性最强,与对照相比其电导率和丙二醛含量变化不大,而一些植物在实验初期受到污水胁迫,电导率和丙二醛含量较对照有上升的现象;同时,实验初期黄花鸢尾中游离Pro含量、POD和CAT活性及根系活力的增强,菖蒲根系活力的增加,千屈菜POD、CAT酶活性的升高,泽泻根系活力、POD、CAT酶活性的升高,都是水生植物对污水环境的生理适应。黄花鸢尾抗逆性强,是一种值得推荐的净化污水的湿地植物。     

潜流人工湿地中3种基质对氮磷净化的影响

通过潜流人工湿地装置,采用间歇运行方式考察不同停留时间下土壤、砾石、炉渣基质在以NO3--N、NH4+-N和PO4--P为主要氮组分的模拟污水对污水中氮的净化效能,并研究湿地系统基质与pH变化、NO3--N和NH4+-N净化效率的关系。结果表明,当水力停留时间为10d时,土壤-炉渣湿地的N,P净化效能高于以其他基质构建的湿地。在试验周期内,各基质的人工湿地系统NH4+-N的净化效率均高于NO3--N的净化效率,氮素的净化效能上层大于下层,湿地系统中pH值先降低后升高的拐点可作为NH4+-N氧化反应结束的指示参数。     

不同级配基质方式下垂直流人工湿地净化效果及渗透性能研究

本研究设置了基质正、反级配垂直流人工湿地,通过测定系统对CODCr、TN、TP、NH4＋-N等指标的去除效率、有效孔隙率和渗透系数的变化来比较两种级配方式下垂直流人工湿地净化效果和系统渗透性能。结果表明,两种级配方式下,垂直流湿地系统对污染物去除的综合效果优于单一粒径的无烟煤湿地系统;反级配系统在除磷方面存在优势,正级配系统在CODCr去除方面显著强于反级配系统,在脱氮方面两者不存在显著性差异;反级配系统的有效孔隙率在各层的降幅变化不大,而正级配系统表层及上层有效孔隙率的降幅显著大于中层和底层;正级配系统渗透系数的变化显著高于反级配系统,且出现了持续性表面滞水现象。以上结果均表明,反级配垂直流湿地系统可以在保证净化效率的同时,缓解湿地基质堵塞,有效延长基质的使用寿命。