再植枸杞根际真菌群落对长期连作的响应研究

受枸杞自身种植特点和道地产区土地资源限制,连作障碍已成为制约宁夏枸杞产业可持续发展的主要因素之一,导致严重的经济损失和生态问题。前期研究表明,连作能够显著影响再植枸杞根际土壤细菌的群落结构和多样性,但就连作对真菌群落结构和功能的影响目前仍不清楚。本文利用实时荧光定量PCR和高通量测序技术,研究连作对再植枸杞根际真菌群落丰度及多样性的影响。实时荧光定量PCR分析表明,与对照样地相比,连作显著促进再植枸杞根际及非根际土壤中细菌和真菌的丰度。但连作对真菌的促进作用明显高于细菌,导致细菌/真菌比例失衡,使再植枸杞根际及非根际土壤微生物环境偏向于真菌型。对测序结果的分析发现,所测定样地中枸杞根际及非根际土壤中的优势真菌门分别为子囊菌门、担子菌门、接合菌门、壶菌门及球囊菌门,其中连作地再植枸杞根际子囊菌门的相对丰度较对照样地显著降低,而接合菌门的相对丰度则显著增加(P0.05)。FUNGuild真菌功能预测也证实连作显著抑制再植枸杞根际土壤丛枝菌根真菌的相对丰度(P0.05)。基于距离的冗余分析(db-RDA)结果表明,土壤pH、电导率、硝态氮和有效磷含量是影响枸杞根际土壤真菌群落变化的主要因子(P0.05),而土壤硝态氮和有效磷含量则是解释非根际土壤真菌群落变化的主要因子(P0.05)。这些结果说明长期施用化肥可能是改变连作地再植枸杞根际土壤真菌群落结构及枸杞-真菌互作关系的主要因素之一。这一研究结果为理解枸杞连作障碍的形成机制提供理论基础。     

耕层土层交换对土壤氮素关键转化过程和玉米氮素利用的影响

翻耕会使耕层土壤发生显著位置交换。耕层土壤位置交换会通过影响土壤物理、化学和生物性状,改变氮素转化过程。本文研究了土层交换对黄淮海平原南端砂姜黑土硝化、反硝化过程和玉米生长及氮素利用的影响,为该区域选择合理的耕作方式、减少氮素损失及提高氮素利用效率提供理论依据。试验在人工气候室条件下,以土壤(0～35 cm)田间原位分层作为常规土层处理(CK),以原位0～10 cm和10～20 cm土层交换后作为土层交换处理(SE),并用20μm的尼龙网区分非根际和根际土壤。于玉米小喇叭口期利用荧光定量PCR技术测定土壤氨氧化微生物和反硝化菌群丰度,并结合非根际和根际土壤的硝化潜势、土壤呼吸、反硝化能力、反硝化潜势、土壤理化性质和玉米总氮含量及根系形态的测定,探讨土层交换对土壤氮素转化和玉米生长及氮素利用的影响。结果显示,SE处理的玉米植株氮吸收量比CK处理显著降低8.9%(P0.05)。土层交换显著影响根际而不是非根际土壤的硝化潜势,使其显著降低13.5%(P0.05);并使非根际和根际土壤的反硝化能力分别提高36.6%(P0.05)和8.4%(P0.05)。土层交换使非根际和根际土壤的可溶性有机碳含量分别提高11.7%(P0.05)和5.2%。相关分析显示硝化潜势与氨氧化细菌(AOB)丰度呈显著正相关(r=0.91**),与氨氧化古菌(AOA)丰度无显著相关关系;反硝化能力与土壤可溶性有机碳和呼吸速率呈显著正相关(r=0.89**和0.93**),与nirK、nirS拷贝数无显著相关性;玉米植株氮吸收量与根际土壤的硝化潜势、根表面积×AOB拷贝数都呈显著正相关(r=0.83*和0.86*),而与反硝化能力呈显著负相关(r=?0.88**)。以上结果表明砂姜黑土土壤硝化速率的降低和反硝化速率的增强,是土层交换后玉米氮素利用效率低的重要原因。AOB是硝化速率的主要驱动微生物。土层交换后土壤可溶性有机碳是反硝化能力的关键主导因子。在翻耕条件下,有效调节土壤可溶性有机碳含量是提高作物氮肥利用效率的关键。     

基于危险度与风险格局的土地盐碱化监测区优先级评价

为提高盐碱化监测和防治的针对性和精准性,该文选取与盐碱化形成有关的土壤质地、蒸降比、地下水矿化度、土地利用程度、盐碱化历史敏感性,以及与盐碱化扩散有关的地貌、数字高程(digital elevation model, DEM)、植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)、坡度、土壤质地等因子,借助BP神经网格、最小阻力模型、灰色关联度、叠加法和空间分析法,开展黑龙江省土地盐碱化监测区域识别,研究结果表明,1)黑龙江盐碱地监测区面积为2 981.72万hm~2,占研究区的67.10%,其中高、中、低级别监测区占区域面积的20.18%、14.68%、32.23%;2)盐碱地监测级别总体呈现西部东部中部、北部、南部,高级别和中级别监测区主要分布在松嫩平原西部、西南部和北部以及三江平原东北部地区,低级别监测区主要分布在松嫩平原东部、三江平原南部、东南部山地区。研究结果及过程为土地盐碱化监测与防治提供了科学依据和方法参考。     

Nitrogen fertiliser rate affects the frequency of nitrate-dissimilating Pseudomonas spp. in the rhizosphere of Lolium perenne grown under elevated pCO2 (Swiss FACE)

The effect of elevated pCO₂ (60 Pa) on the frequency of nitrate-dissimilating Pseudomonas (NDP) was investigated in the rhizosphere of fertilised Lolium perenne swards in the Swiss Free Air Carbon dioxide Enrichment (FACE) experiment. Numbers of cultivable root-associated Pseudomonas were greater under elevated (60 Pa) than under ambient (36 Pa) pCO₂ in both high and low N-fertilised swards. For both pCO₂ conditions, the NDP frequency decreased with closer root proximity to L. perenne roots in low fertilised swards. Anyway, in high N swards the NDP frequency was similar in root and soil fractions. Thus, N availability may be a major factor influencing NDP populations under elevated pCO₂, most likely due to increased competition for N between plant and nitrate-dissimilating bacteria.     

污染土壤的微生物修复原理与技术进展

微生物修复是土壤环境生物修复技术的重要组成部分,是最具发展和应用前景的生物学环保新技术.本文以土壤中重金属及典型有机污染物为对象,从土壤微生物与污染物质的相互作用入手,较为系统地综合评述国内外污染土壤的微生物修复原理与技术,并结合当前土壤污染的新特点,提出了需进一步认识和解决微生物修复过程中出现的新现象和新问题,以不断丰富和拓展土壤环境微生物修复范畴与内涵.     

Measurement and prediction of nitrogen loss by simulated erosion events on cultivated forest soils of contrasting structure

The objectives of this study were to determine nitrogen (N) loss associated with erosion of forest soils and to explore the role of soil structure and other factors governing N enrichment of sediment to aid prediction of N loss. We measured erosion, size distribution of aggregates in the sediment and N distribution in various aggregate fractions using simulated rainfall on samples of three cultivated forest soils of contrasting structure (repacked in trays) exposed to four erosion conditions. Both sediment loss and N loss increased with slope and kinetic energy of rainfall suggesting greater dependency of N loss on sediment loss than on N concentration in the sediment. Irrespective of erosion treatments and soil type, the bulk sediment and its size fractions were mostly richer in N than those of the uneroded soils. The enrichment ratio (E_R) and concentration ratio (C_R) of N for sediment cast some doubt on the application of raindrop stripping as a mechanism of N enrichment of sediment for soils of widely differing characteristics. Previously published models of N enrichment of sediment did not predict E_R for our soils satisfactorily. However, an empirical model using published data on erosion and N loss agreed well with the results. This predictive method only requires information on sediment loss that can be easily obtained from an erosion model.     

中国农田小麦和玉米产量时空演变及驱动因素

探究中国小麦和玉米产量的时空变化特征和关键驱动因素,为粮食安全战略决策提供理论依据。基于农业农村部近30年（825个点位,1988－2019年）全国农田监测数据,分析了小麦和玉米产量的时空变化特征,利用逐步回归和随机森林模型探究施肥、气候和土壤属性对产量变化的影响,最后通过偏最小二乘法探究各指标影响产量变化的主要调控路径。结果表明,近30年,小麦、玉米单作和二者轮作下平均产量分别为5.05、9.05、6.01和7.08 t/hm2,相应的变异系数为36.6%、26.2%、32.1%和28.0%,相应作物产量随时间的增加速率分别为100、159、46和98 kg/(hm2·a)（P<0.05）。同其他作物轮作下的小麦产量、变异系数和变化速率分别为5.29 t/hm2、28.6%和67 kg/(hm2·a)（P<0.001）。高产玉米主要分布在西北（单作）和华北地区（与小麦轮作）;高产小麦主要分布在同玉米轮作下的长江下游和华北地区。西南地区小麦和玉米产量最低。除了西南和长江中游地区小麦玉米轮作下的小麦产量随监测时间延长呈负增长,其他各区域及全国尺度上的产量均呈正增长。逐步回归结果表明：氮肥对小麦和玉米产量的调控作用均达到极显著水平（P<0.01）,而土壤pH的调控作用均未达到极显著水平。针对不同区域而言,随机森林结果显示：除了气候和氮肥的重要性以外,有机质在大部分区域（尤其是西南地区）对产量变化的重要性较大,而钾肥对华北和西北地区的玉米产量变化的重要性较大。通过偏最小二乘法分析发现,土壤属性、肥料投入和气候三者对产量调控的总效应分别为47.6%、29.4%和23.0%,气候主要是通过影响土壤属性和施肥进而调控作物产量。近30年中国小麦和玉米产量整体上呈不断增加趋势,但是西南和长江中游地区小麦玉米轮作下小麦产量随时间呈降低趋势,需引起重视。土壤性质对小麦和玉米产量变化的影响高于施肥和气候,除了氮肥是调控各区域作物产量的关键因素以外,华北、东北和西北地区在种植玉米时还应当重视钾肥合理的投入,而西南地区应当将提升土壤有机质和有效磷含量作为实现高产稳产的主要措施。     

基于水平吸渗确定土壤水分扩散率的解析-修正法

准确测试土壤水分扩散率是研究水分在土壤中运移的关键之一。针对水平吸渗法测试土壤水分扩散率易受边界效应影响的问题,该研究构建解析-修正法,以提高测试结果的精度。假设第一类边界条件下,一维水平入渗Richards方程解的形式与其对应线性化方程的解析解相似,结合常数变易法,推导了一维水平入渗Richards方程的近似解析解。将有限长土柱中测点含水率随时间的变化数据分为受边界影响和不受边界影响两部分,采用近似解析解修正受边界影响的数据,再采用水平吸渗法确定土壤水分扩散率,以此建立测试土壤水分扩散率的解析-修正法,并通过数值模拟试验和室内试验讨论方法的合理性。结果表明,采用解析-修正法得到的土壤水分扩散率与真实值的决定系数均在0.900以上,室内试验不同测点间测试结果的决定系数均大于0.950。由此可见,该方法可以准确地确定土壤水分扩散率。研究可为土壤水运动的模拟提供可靠参数。     

SWAT模拟耕作方式与盐分对区域土壤氮运移及作物产量影响

耕作方式与土壤盐渍化是影响河套灌区氮素流失及作物产量的重要因素。明确不同耕作方式与盐渍化水平下硝态氮运移量及作物产量的变化,可为制定合理的灌区耕作措施及盐渍化治理方案提供理论依据,对于揭示灌区氮素流失控制及不同作物增产潜力具有重要意义。该研究基于验证后的SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型,以河套灌区2种主要土壤类型为研究对象,设置不耕作（指不添加耕作管理,CK）、免耕（T1）、少耕（T2）、常规春耕（T3）和模板犁（T4）5种耕作处理,非盐化土（S1）、轻度（S2）、中度（S3）、重度（S4）4种盐分水平,研究耕作方式与土壤盐分对灌区产水量、作物吸氮量、硝态氮淋溶量及运移量、作物产量的影响。结果表明：耕作方式与土壤盐分对区域总产水量、作物吸氮量、硝态氮淋溶量、硝态氮运移及作物产量均有显著影响（P<0.05）。其中,区域产水量、硝态氮淋溶量、不同水文路径（地表、侧向和地下径流）硝态氮运移量及小麦产量均随耕作混合深度与混合效率的增加逐渐减少;作物吸氮量、玉米与葵花产量均随耕作混合深度与混合效率的增加逐渐增加。与CK相比,模板犁耕作作物吸氮量平均增加11.78%,硝态氮淋溶量平均减少16.5%,有效降低了土壤养分流失和地下水污染。增加土壤盐分通过降低土壤层有效持水量,显著增加了区域总产水量、硝态氮淋溶量（草甸盐土除外）及硝态氮地下运移量,减少了作物吸氮量和作物产量。与非盐化土相比,重度盐化土处理小麦、玉米、葵花产量平均显著减少19.15%、27.31%、26%（P<0.05）。增加土壤盐分相比转变耕作方式更能影响区域产水量、土壤养分和作物产量。因此,为更好解决灌区污染严重和作物产量下降等问题,仍需将区域土壤盐渍化防控与治理放在首要位置。     

基于基因表达式编程的作物水分生产函数构建

作物水分生产函数的确定是农业水资源优化配置的关键。该研究采用农业水文生态系统模型（Agro-Hydrological & Chemical and Crop systems simulator, AHC）与基因表达式编程（Gene Expression Programming, GEP）相结合的方法构建作物水分生产函数。以河套灌区3种主要作物（葵花、玉米、小麦）为研究对象,采用AHC模型模拟作物产量等,构建基于GEP算法的作物水分生产函数,探讨考虑盐分胁迫的作物水分生产函数构建的思路与方法。结果表明：1）作物模拟产量与地下水埋深、地下水矿化度和灌水量等因素有关。2）构建作物水分生产函数的最优输入因子组合为地下水埋深、灌溉量、蒸散发、地下水矿化度、土壤根层盐分对作物胁迫因子、土壤根层含水率。3）应用作物水分生产函数估算不同灌溉定额条件下作物产量（预测产量）,并与AHC模型计算的产量（模拟产量）进行比较,玉米、葵花、小麦预测产量与模拟产量具有很好一致性,其决定系数分别是0.96、0.93、0.96,平均相对误差均小于5%,满足计算精度要求。因此,该研究所构建的作物水分生产函数可以较准确地估算盐分胁迫下作物产量,为农业节水与灌溉水高效利用提供科学参考。