X射线吸收精细结构光谱在土壤中的应用

由于X射线吸收精细结构(X-ray absorption fine structure,XAFS)可以原位探测吸收原子的2~3个邻近配位壳层,获得目标元素的电子结构信息和化学结构信息,所以XAFS已成为微观领域最重要的结构分析工具,丰富了我们对元素的重要化学性质和反应过程的认识。本文简述了XAFS的基本原理,探讨了样品制备、测试及数据分析等过程需关注的问题,重点综述了应用XAFS研究土壤重金属和营养元素的形态、土壤固-液界面的反应过程和机理,并指出其应用的局限性和未来发展的前景,旨在推动我国XAFS在土壤科学中的应用。由于土壤中界面反应的复杂性,XAFS应结合其他结构分析技术,结构分析技术应结合宏观数据和计算机模拟,土壤学应与其他学科交叉、融合,只有这样,才有可能在时间和空间尺度上阐明土壤组分在环境界面上的复杂反应过程和机理。     

长期施肥对褐土有机碳矿化的影响

以26 a长期定位施肥试验为依托,选取其中6个具有代表性的施肥处理:N_3P_3(单施化肥)、N_3P_4M_1(施用化肥及低量有机肥)、N_3P_1M_2(施用化肥及低量有机肥)、N_3P_2M_3(施用化肥及低量有机肥)、M_6(单施有机肥),以不施肥为对照(CK),采用室内模拟培养试验法研究了长期施肥对褐土有机碳矿化的影响,为科学管理褐土土壤肥力提供依据。结果表明,不同施肥处理使土壤有机碳含量提升了6.28%～156.75%,以M_6处理土壤有机碳含量最高。不同处理土壤有机碳矿化速率均在培养第2天达到峰值,随后急剧下降,第4天后各处理的土壤有机碳矿化速率变化趋于一致,且培养期间各处理土壤有机碳矿化速率随培养时间的变化符合对数函数关系。培养32 d后,各处理土壤有机碳累积矿化量介于1 021.12～2 066.86 mg/kg,以M_6处理最高,较CK提高了102.41%。长期施肥处理均降低了土壤有机碳累积矿化率,以M_6处理下降最明显,与CK相比,降低了2.35%。一级动力学方程的拟合结果表明,长期施肥处理均提高了土壤潜在可矿化有机碳量,以M_6提高最为显著。此外,长期施肥处理均提升了土壤有机碳库的周转速率,缩短了土壤有机碳库半周转期。综上,M_6、N_3P_4M_1、N_3P_1M_2、N_3P_2M_3处理在提高土壤有机碳累积矿化量的同时降低了其土壤有机碳累积矿化率,加强了土壤的固碳能力。单施有机肥可作为褐土培肥管理的最佳选择。     

中国典型农田土壤磷素演化对长期单施氮肥的响应

 【目的】探讨中国典型土壤长期单施氮肥对土壤全磷和Olsen-P磷的影响。【方法】以土壤肥力与肥料长期定位试验为基础,应用常规化学分析法和数学统计方法,分析不同气候、不同耕作制度下15年单施氮肥（每季作物的施氮量为150 kg?hm-2）处理对6种典型土壤全磷和Olsen-P含量变化的影响。【结果】在长期单施氮肥条件下,耕作土壤全磷含量和土壤Olsen-P均呈下降趋势,全磷含量下降幅度为2.7%～25.0%。单施氮肥全磷含量下降幅度大于不施肥。Olsen-P含量下降有一定阈值,阈值大约为4 mg?kg-1。土壤Olsen-P含量下降率比全磷高几倍。耕层Olsen-P含量（y）与土壤磷素表观平衡（x）相关方程为y=0.0005x+3.9986,相关方程斜率很小,表明Olsen-P含量基本不受磷素表观平衡影响。【结论】长期单施氮肥加速了土壤全磷和Olsen-P的减少速度,其中全磷含量较低的土壤其下降幅度更大。     

土壤活性有机碳测定方法的改良

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,活性有机碳作为土壤碳库中最活跃的组分,对土壤碳含量的变化和碳排放具有较好的指示作用。目前活性有机碳的测定主要采用333 mmol L^-1KMnO_4氧化方法,然而该方法存在诸多不足,需要进行改良。采用改良方法(1:0.2 K_2Cr_2O_7-H_2SO_4)和KMnO_4法测定我国农田生态系统5个长期施肥站点土壤活性有机碳的含量。两种方法测定的土壤活性有机碳含量存在极显著的线性回归关系,且在各地点和施肥处理下均呈极显著的线性关系;改良方法测定的标准误和变异系数都比KMnO_4方法低;并且改良方法所需设备简单、操作简便快速等优点。因此本研究的改良方法与KMnO_4法相比具有一定的优势,可以考虑作为土壤活性有机碳测定的改良方法。     

可变电荷土壤和恒电荷土壤CI^—吸附特性的研究

对不同浓度KCI和不同pH下，3种可变电荷土壤和4种恒电荷土壤CI^-吸附量进行了测定。结果表明，土壤CI^-吸附量随平衡CI^-浓度C（e）增加而增大，恒电荷土壤呈线性，可变电荷土壤在添加CI^-0.5-5.0mmol/L下，符合Langmuir吸附等温式。同一浓度下的CI^-吸附量及其随浓度增加的速率均为砖红壤＞红壤＞赤红壤＞黄棕壤＞棕壤、暗棕壤和黑土，与这些土壤所带正电荷量顺序相一致。Langmuir方程K值较小且几种土壤差异不大。恒电荷土壤对CI^-的吸附量很小，在浓度较低时常出现负吸附，其吸附机理可能更多的是与K^ 吸附时的同时吸附。7种土壤CI^-吸附量均随pH增加而降低，但降低强度可变电荷土壤远大于恒电荷土壤。     

恒电荷土壤及可变电荷土壤与离子间相互作用的研究 I.共存离子对NO_3~-吸附的影响

研究了我国典型３种可变电荷土壤和４种恒电荷土壤在陪伴阳离子分别为Ｋ十、Ｎａ十、Ｃａ２＋时和１ｍｍｏｌＬ－１ＫＣ１、Ｋ２ＳＯ４支持电解质中ＮＯ３－的吸附。结果表明，ＮＯ３－吸附量随ｐＨ的增加而减小。在添加相同浓度ＮＯ３－时，３种可变电荷土壤对ＮＯ３－的吸附量顺序为Ｃａ（ＮＯ３）２＞ ＫＮＯ３＞ＮａＮＯ３＞ＫＮＯ３十ＫＣＩ＞ＫＮＯ３＋Ｋ２ＳＯ４；在初始ＮＯ３－浓度０．５－５ｍｍｏｌＬ－１的范围内，吸附量随浓度变化的关系符合Ｌａｎｇｍｕｉｒ等温吸附式．由此求出与ＮＯ３－吸附结合能有关的常数（Ｋ）在不同共存离子存在下数值较小且差异不大，因此认为不同陪伴阳离子和不同伴随阴离子对ＮＯ３－吸附的电性机理影响不大，只是改变了土壤表面的正电荷数量从而使吸附量发生变化。４种恒电荷土壤对ＮＯ３－的吸附量通常很小，其中在Ｃａ（ＮＯ３）２介质中较在其他介质中稍大，最大吸附量仅为１．５～ｍｍｏｌ ｋｇ－１左右，约为可变电荷土壤的１／１０，且在浓度较低时常观察到负吸附。     

长期施肥下灰漠土有机碳组分含量及其演变特征

采用湿筛和重液悬浮的物理分组方法分析了18年不同施肥模式下灰漠土有机碳组分含量差异及其演变特征。结果表明:与不施肥相比,长期有机无机肥配施(NPKM和1.5 NPKM)增加各有机碳组分的效果最显著,且粗和细自由颗粒有机碳、物理保护有机碳、矿物结合有机碳增加速率最高,平均分别达到0.12、0.06、0.08及0.17g/(kg.a);秸秆还田使粗和细自由颗粒有机碳分别以0.05和0.03 g/(kg.a)的速率增加,而撂荒和施化肥维持着各有机碳组分的含量。不同有机碳组分间存在显著的相关性,其中以粗自由颗粒有机碳含量增幅最高,不同施肥模式下平均增幅是其它有机碳组分的2.18~.0倍;以矿物结合有机碳所占比例最高,达到56.9%7~7.8%,说明粗自由颗粒有机碳对施肥较敏感,而矿物结合有机碳是灰漠土固存有机碳的主要形式。综上分析,长期有机无机肥配施是提高灰漠土有机碳组分含量和培肥土壤的有效模式。     

潮土小麦碳氮含量对长期不同施肥模式的响应

【目的】以潮土21年长期定位试验为基础,分析不同施肥模式下冬小麦不同生育期的地上部生物量、碳氮含量、碳氮比及碳氮积累量,探讨冬小麦碳氮含量对不同施肥模式的响应规律。【方法】试验包括不施肥(CK)、单施氮肥(N)、施氮磷肥(NP)、施氮钾肥(NK)、氮磷钾配施(NPK)、氮磷钾肥配施有机肥(NPKM)、施氮磷钾肥及玉米秸秆还田(NPKS)7个处理。在2011 2012年冬小麦生长季,分别采集越冬、拔节、灌浆、成熟四个生育时期地上部植株样品,利用Euro Vector EA3000型元素分析仪对小麦植株样品的全碳、全氮含量进行测定。【结果】NPK、NPKM和NPKS处理均能显著提高各生育期小麦地上部干重,其中NPKM处理小麦地上部干重在越冬、拔节、灌浆、成熟期分别比CK提高了111%、194%、238%、206%,除越冬期外,等量氮肥条件下,NPK、NPKM和NPKS 3个处理间小麦同一生育期地上部干重无显著差异,说明与氮磷钾配施相比,有机无机配施与秸秆还田这两种措施并不能显著提高小麦地上部生物量;小麦地上部碳含量受不同施肥影响很小,不同生育期小麦地上部碳含量平均值为410 g/kg;小麦成熟期地上部氮含量以N和NK处理最高,分别达到19.4和18.1 g/kg,其中N处理小麦地上部氮含量分别比NPKM和NPKS处理高52%和66%。随着生育期的推移,各处理小麦氮含量逐渐降低,总体表现为越冬期拔节期灌浆期≥成熟期;在整个生育期中各施肥处理碳含量基本保持不变而氮含量呈逐渐下降趋势,这就使得各施肥处理地上部分C/N比随生育期的推移呈逐渐增加趋势;不同施肥下小麦碳积累量差异性和地上部干物质重差异性规律一致,而不同施肥下地上部氮积累量差异性不同于干物质重的差异性,以NP处理最高,达545 kg/hm2,分别比NPKM和NPKS处理高61%和68%。【结论】施肥方式不能显著改变小麦碳含量但能影响氮含量,因此小麦生物量大小决定了其碳的积累量,相应地,C/N比大小则由氮含量决定。氮磷钾配施、有机无机配施及秸秆还田处理下,小麦具有较高的生物量从而具有较高的碳氮积累量,这有利于增加农田系统碳、氮积累,提升土壤碳、氮肥力。     

土壤离子吸附：2.主要阴阳离子的吸附特性

综述了土壤与环境中主要阴离子ＨＰＯ＾２－４，ＭｏＯ＾２－４，ＳＯ＾２－４，Ｆ＾－，Ｃｌ＾－和ＮＯ＾－３以及主要阳离子Ｋ＾＋，Ｎａ＾＋，Ｃａ＾２＋，Ｍｇ＾２＋和重金属离子Ｃｕ＾２＋，Ｚｎ＾２＋，Ｎｉ＾２＋，Ｃｏ＾２＋，Ｐｂ＾２＋等的吸附特性和研究进展。