生物炭对退化蔬菜地土壤及其修复过程中N_2O产排的影响

高氮投入的设施蔬菜地土壤易发生次生盐渍化、酸化、板结化等土壤退化现象,也会引起地下水污染、N_2O大量排放等环境后果,严重影响了蔬菜农业的可持续发展。强还原土壤灭菌(reductive soil disinfestation,RSD)作为新兴的退化设施蔬菜地土壤修复方法,能够有效缓解土壤退化,但也导致N_2O大量排放。本研究选用生物炭作为调节剂,评估不同生物炭施加量对退化设施蔬菜地土壤及其强还原修复过程中N_2O排放的影响,并测定反硝化功能基因(一氧化氮还原酶基因nor B和氧化亚氮还原酶基因nos Z)丰度来反映反硝化微生物活性。结果显示:RSD法显著降低了土壤硝酸盐含量、提高了土壤p H,缓解了土壤退化,但其N_2O累计排放量是非修复土壤的950倍以上;施加生物炭具有减排效果,其中施加5%的生物炭显著降低了退化设施蔬菜地土壤及其强还原修复过程中的N_2O排放,其减排量分别为68.7%和16.0%;Pearson相关分析显示,非强还原修复过程和强还原修复过程中土壤N_2O排放速率均与p H显著负相关,而在强还原修复过程中土壤N_2O排放速率还与NO_3~--N含量显著正相关;施加生物炭显著改变了土壤nor B和nos Z基因,线性回归分析表明,非强还原修复过程和强还原修复过程中土壤N_2O排放的微生物机理不同,前者显著受nos Z基因丰度影响,而后者显著受nor B基因丰度影响。在退化设施蔬菜地土壤中施加5%生物炭可有效减低退化设施蔬菜地土壤及其强还原修复过程中的N_2O排放。     

开放式臭氧浓度升高对水稻叶片呼吸作用相关酶的影响

本文在开放式臭氧浓度升高（ Ozone-free air controlled enrichment）条件下,以武运粳21（粳稻）和两优培九（杂交稻）两个耐性不同的品种为材料,研究了大气臭氧浓度升高对水稻叶片乙醇酸氧化酶（GO）、多酚氧化酶（PPO）和抗坏血酸氧化酶（AAO）三种呼吸作用相关酶的影响。结果表明：臭氧处理67天,促进了GO、PPO和AAO的活性,武运粳21 升高的幅度大于两优培九;在处理79天,臭氧胁迫抑制了水稻叶片GO、PPO和AAO的活性,品种间比较,武运粳21三种酶降低的幅度小于两优培九。试验结果说明,武运粳21在通过提高三种酶的活力而进行较强的呼吸作用,起到耗散过剩光能并保护光合器官的作用,从而缓解臭氧对光合器官的损害缓解臭氧对水稻叶片造成的伤害,因此武运粳21比两优培九对臭氧耐受性强。     

生物炭对北京郊区砂土持水力和氮淋溶特性影响的土柱模拟研究

为探讨生物炭对北京郊区砂土持水力和氮素淋溶特性的影响,通过分层采集不同深度(0~90 cm)北京郊区沙化地土壤(砂土),模拟田间容重和含水量填装土柱,将生物炭分别按照炭土质量比0%、0.5%、1%、2%和4%施入0~20 cm土层,依据常规施氮肥量(0.56 t N·hm-2)和年平均降雨量(616.6 mm)施肥和滴灌,开展土柱淋溶试验。结果表明:在9次淋溶后,水和总氮的累积淋失量均随着生物炭添加量的增加而减小,与不加炭处理相比最高分别减小41.3%和22.7%。添加生物炭增加了0~20 cm土层总氮含量,最高显著增加158%(P0.05)。淋溶结束后加炭处理土柱土壤中的无机氮总量比不加炭处理高19.5%~91.9%。添加生物炭有利于减小可溶性有机碳的淋失,比不加炭处理最高减小22.8%。淋溶液pH值和电导率随生物炭添加量增加而增大。在9次淋溶过程中,生物炭添加量越大,0~20 cm土层土壤持水量越高。相关性分析表明,总氮淋失量与淋溶液淋失体积显著正相关(r=0.978,P0.01),而与淋溶液中的总氮浓度无正相关关系。生物炭主要通过提高京郊砂土的持水能力,减缓水和氮素向下淋溶的速度,从而减小水和氮素的淋溶损失,提高水肥利用率,降低污染地下水的风险。     

等碳量玉米秸秆及其腐解、炭化材料还田对黑土腐殖质的影响

本文通过在高型塑料桶施加等碳量的玉米秸秆、腐熟秸秆和生物质炭的盆栽试验,以不施加有机物料作对照,研究不同还田材料对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构性质的影响,为施用不同秸秆产品提供科学支持。试验共设4个处理,分别是不施加有机物料的对照(CK)、施加玉米秸秆(CS)、施加腐熟玉米秸秆(HCS)和施加玉米秸秆生物质炭(Bc),每个处理3次重复。结果表明:3种有机物料处理有利于增加土壤有机碳含量,改善腐殖质组成。Bc、HCS和CS处理SOC分别增加了18.20%、17.36%和1.45%,Bc和HCS处理差异显著;水溶性物质(WSS)含碳量分别增加36.36%、36.36%和18.18%,差异显著;胡敏素(HM)含碳量分别增加28.91%、24.69%和1.25%,Bc和HCS处理差异显著;胡敏酸(HA)含碳量分别增加21.64%、19.65%、8.46%,差异显著;富里酸(FA)含碳量显著减少;PQ值显著增加,从CK的62.86%分别增加到74.16%、69.86%和67.47%。不同材料对HA分子结构的影响不同,CS和HCS 2种秸秆处理的HA分子H/C和2920/1620比值增大(分别从1.056增加到1.075和1.107;从0.262增加到0.333和0.380),高温/中温放热比和失重比显著降低(分别从1.95降低到1.75和1.57;从1.56降低到1.50和1.41),说明施加玉米秸秆和腐熟秸秆使得HA分子缩合度和芳香性下降,脂族性增强,有利于HA分子向简单化方向发展;而Bc与秸秆处理相反,HA分子H/C和2920/1620比值减小(分别从1.056减少到1.025;从0.262减少到0.223),高温/中温放热比和失重比增加(分别从1.95增加到2.19;从1.56增加到1.65),说明施加生物质炭使得HA分子脂族与芳香碳比例下降,缩合度和芳香性增强,更有利于HA分子的稳定。秸秆和腐熟秸秆还田有利于增强HA的活性,而生物质炭还田更有利于土壤有机碳的固定。     

大气CO_2浓度升高对陆地生态系统土壤固碳的可能影响

陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分,在全球碳收支中占主导地位。大气CO2浓度升高直接或间接地影响土壤碳的固定,碳在土壤的不同固定机理反映了碳的稳定性和周转过程,本文综述了影响碳固定的物理、化学和生物学机理,土壤碳固定的不同状态发生的主要机理不同;受大气CO2浓度升高影响时间长短不一,主要过程有所侧重,但三种机理相互影响。     

稻田CO2排放对大气CO2浓度升高的响应

利用FACE (free-air carbon dioxide enrichment)平台,采用静态暗箱-气相色谱法,研究了大气CO2浓度升高对稻田土壤CO2通过土壤-大气(土气)和植被-大气(植气)界面排放的影响.在整个水稻生长季中,土气界面CO2排放通量与土壤表面水层深度指数负相关,且在中期烤田和收获前排水阶段出现较大值;而植气界面CO2排放通量与根系生物量的变化趋势基本一致.在低氮(N 125 kg/hm2)和常氮(N 250 kg/hm2)水平上,高浓度CO2(对照大气CO2浓度+200 μmol/mol)有提高水稻生物量、降低土气和植气界面CO2累积排放量的趋势.在水稻的拔节、抽穗和成熟期,较高的施氮量显著增加水稻地上部分生物量,促进植气界面CO2的排放.研究结果表明,未来大气CO2浓度升高的环境下,稻田生态系统有增加CO2的固定(增加水稻生物量),减少CO2的排放(土气和植气界面CO2的排放)的趋势,可能发挥着碳汇的作用.     

开放式空气CO2浓度升高对冬小麦生长和N吸收的影响

利用FACE(free-air carbon dioxide enrichment)技术平台,设常CO₂（ambient CO₂）和高CO₂（elevated CO₂,ambient+200 μmol·mol^-1）2个水平和常N（NN,250 kg N·hm^-2）和低N（LN,150 kg N·hm^-2）2个水平,研究CO₂浓度升高对冬小麦（Triticum aestivum L.）整个生长生物量和氮（N）吸收的影响。结果表明,CO₂浓度升高使冬小麦各部分的生物量平均增加28.3%-44.5%,拔节期增幅最大,达36.8%-91.2%,而且NN处理的生物量增幅比LN处理低。CO₂浓度升高不同程度地降低了小麦的N含量,但是增加了N的吸收,在拔节期LN处理下分别增加20.8%-29.2%,CO₂浓度升高使小麦在拔节期NN处理的N相对吸收速率增加44.1%。说明在大气CO₂浓度升高条件下,小麦会通过生物量的增加固定更多的C,增加对N养分的需求,应着重考虑提高小麦拔节期间的施氮肥水平。     

自由大气CO2浓度升高对稻田CH4排放的影响研究

采用FACE田间试验,对高CO2:浓度影响稻田CH4排放规律进行了观测分析,并利用δ13C技术初步分析了土壤CH4的排放来源.结果显示,植株和±壤的CH4排放速率在高CO2浓度处理大于对照18%以上,其增加幅度为土壤大于植物,CH4排放速率可能受田间水分条件影响较大.与对照比较,高CO2浓度条件下植物和土壤部分CH4累积排放总量增加,且变化幅度随生长期而降低,前期(54 d)常规氮处理(NN)高于低氮处理(LN),后期LN高于NN;但是行间裸土CH4累积排放总量在前期(54d)增加和之后降低的幅度均为NN高于LN.土壤排放CH4δ13C值从移栽到第102 d,高CO2浓度处理LN和NN水平下土壤对照(CK)仅分别升高9.0%和8.3%,种水稻则降低8.8%和8.1%;但是在对照CO2浓度条件下土壤对照降低17.2%和112.5%(P=0.047),种水稻降低40.3%和105.9%(P=0.023),表明高CO2浓度下有更多C4来源的碳释放,对照CO2浓度条件下有更多C3来源的碳释放.水稻不同生长期与土壤对照比较,种水稻土壤排放CH4δ13C值降低的幅度总和在高CO2浓度条件LN和NN水平下分别为114.8%和72.7%,对照CO2浓度条件下分别为41.9%和72.8%,表明在种有植物的情况下更多当季的碳分解释放,LN水平下高CO2浓度促进来源于当季碳的CH4排放.NN水平下没有发现CO2浓度的影响,可能与作物生物量和它的间接产物(根系分泌物)的影响有关.     

土壤碳库激发效应研究

外源有机质的输入能促进或抑制土壤有机碳的矿化,引起正的或负的激发效应。本文综述了土壤碳库激发效应产生的机制,以及土壤原有有机质的含量和营养水平,外源有机质(包括根系分泌物)的种类和数量对激发效应的影响。外源有机质的可利用率是影响激发效应的最重要因素。     

玉米秸秆生物炭对烟田褐土水分库容及烤烟生物量的影响

针对山东临沂丘陵烟区干旱灾害频发,且难以推广先进灌溉措施的问题,研究了生物炭改良土壤水分库容、提高烟田抗旱能力的技术。在临沂市沂水烟草试验站开展褐土烟田施用生物炭的田间试验,设置了5个处理:不施肥处理(CK)、常规施肥处理(CF)、常规施肥添加2 400 kg/hm~2生物炭处理(LB)、常规施肥添加7 200 kg/hm~2生物炭处理(MB)和常规施肥添加12 000 kg/hm~2生物炭处理(HB)。研究发现施用生物炭可以显著降低土壤体积质量(降低幅度为6.84%~13.28%),显著增加土壤大空隙(d0.1μm)体积,从而增加土壤水分有效库容和总库容,而且土壤水分库容随生物炭施用量增大而增强。施用生物炭显著提高了土壤有机质和全氮含量,p H提高了0.12~0.55单位,烤烟生物量提高了40%以上,其中施用中量生物炭的增产效应最大。土壤水分库容是影响临沂烤烟生长的主控因子,对烤烟生物量的贡献率达47.2%,其次为土壤全钾(23.7%)和速效钾(5.89%)。上述结果表明,对于丘陵山区烟田可以通过施用生物炭协同提升其土壤水分和养分库容,进而促进烤烟生长。