土壤氮素内循环对生态覆被变化响应的研究进展

随着人口增长对粮食需求的不断提高,人类对自然生态系统扰动频繁,生态覆被/土地利用变化伴随着土壤活性氮库、氮形态组分及氮素内循环过程的改变,直接影响生态系统的持续与稳定,进而引起全球气候变暖,生物多样性减少等诸多生态环境问题。生态覆被/土地利用变化是全球生态系统变化的重要内容。本综述探讨了活性氮的基本概念及其引发的环境效应,国内外自然生态系统中森林与草地间转换、自然生态系统开垦为农田、弃耕撂荒或退耕还林还草、城市化发展等生态覆被/土地利用变化对土壤氮库消长、氮矿化产物形态变化以及影响氮循环的关键土壤微生物影响等,并探讨了制约氮循环的土壤微生物研究进展。指出农业开垦或农田弃耕撂荒会导致土壤全氮大幅度下降,同时引起土壤硝态氮(NO3--N)增加,造成环境活性氮增加的风险;退耕还林修复生态覆被过程中氮库完全恢复需要漫长的时间;运用现代微生物分子生态学的前沿技术是研究土壤氮循环对生态覆被/土地利用变化响应机理的关键。本综述为自然生态系统的保护与开发利用、退化生态系统的修复与重建以及人工生态系统的科学规划等提供了理论依据。     

培肥措施对复垦土壤微生物碳氮代谢功能多样性的影响

土壤复垦是矿区生态环境恢复和耕地总量平衡及质量提升的根本要求。本研究依托山西襄垣采煤塌陷区复垦定位试验基地,采用Biolog-ECO方法和荧光定量PCR技术,研究了不施肥（CK）、单施化肥（CF）、单施有机肥（M）和有机无机培肥（MCF）4种培肥措施下复垦4年和8年土壤微生物碳代谢功能多样性及氮代谢功能基因丰度的变化特征。结果表明,随复垦年限增加,单施有机肥较其他处理可显著提高复垦土壤微生物的总碳源利用能力;不同处理复垦土壤微生物碳源相对利用率总体表现为氨基酸类>糖类>聚合物类>羧酸类>双亲化合物类>胺类,其中单施有机肥更大程度上提高了羧酸类、氨基酸类和胺类碳源的利用率;复垦年限和培肥措施没有改变复垦土壤微生物优势度指数,但有机无机配施较其他处理可显著提高香浓指数（H′）和Pielou均匀度指数;不同处理复垦土壤氮转化功能基因丰度总体表现为amoA（AOA）> amoA（AOB）>nisS、nirK> nifH,5种功能基因丰度均为以有机无机培肥处理最高,且随复垦时间增加而增加;复垦土壤有机质含量与nirS、nirK、nifH基因丰度以及AWCD值存在显著相关性,相关系数在0.707～0.807,同时5种氮转化功能基因丰度均与玉米产量存在显著或极显著的相关性,相关系数在0.824～0.949。综上所述,单施有机肥可提高土壤有机质含量,进而增强了复垦土壤碳代谢强度,有机无机培肥则更有利于复垦土壤碳氮代谢功能多样性的提升,并促进作物产量形成。     

麦秸秆和沼液配施对水稻苗期生长和土壤微生物的调控

研究了等量氮素肥料处理下小麦秸秆全量还田结合化肥(S-CF)、小麦秸秆全量还田结合沼液(S-BS)和全量化肥(CF)处理对水稻幼苗生长、氮磷积累及土壤微生物群落的影响。结果表明,不同施肥处理的水稻幼苗生长明显被促进,其中CF处理的促进效果最好,其次是S-BS处理。S-BS处理的水稻叶片可溶性糖含量明显高于其他施肥处理,其叶片含氮量也明显高于CF处理。CF处理的土壤细菌总量明显高于S-BS处理,而S-BS处理的土壤细菌总量均显著高于对照(CK,不施肥)和S-CF处理;其中CF处理变形菌门细菌相对丰度显著高于其他处理。而CK和S-CF处理的真菌总量明显高于S-BS和CF处理,S-BS处理的真菌总量最低,其中,CK土壤优势真菌子囊菌门、担子菌门的相对丰度显著高于其他处理,S-CF处理土壤的壶菌门真菌相对丰度也显著高于其他处理。S-CF和S-BS处理的细菌Chao1丰富度指数和香农(Shannon)多样性指数要明显高于CF处理和CK,而S-CF处理的土壤真菌的Chao1指数和香农指数要明显高于CK,CF处理的土壤真菌Chao1指数和香农指数最低。秸秆、沼液短期替代化肥的处理下水稻植株生长低于全化肥处理的,但秸秆、沼液、化肥结合施用对水稻幼苗的促生作用依然很明显,尤其是秸秆还田结合沼液灌溉的全量替代化肥处理。全量替代化肥处理下,即秸秆和沼液处理的土壤质量和细菌丰富度及多样性即使在短期施用条件下也被明显促进。     

基于环境变量的中国土壤有机碳空间分布特征

研究中国土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)的空间分布特征对SOC储量估算以及农业生产管理具有重要意义。以全国第二次土壤普查2473个土壤典型剖面的表层(A层)SOC含量为研究对象,探寻地形、气候和植被等环境因素对SOC空间异质性分布的影响;以普通克里格法为对照,利用地理加权回归、地理加权回归克里格、多元线性回归和回归克里格模型建立SOC空间预测模型;并分别绘制了中国SOC的空间分布预测图。结果表明:(1)SOC含量与年均降水量、年均温、归一化植被指数、高程以及地形粗糙指数呈极显著相关关系;(2)平均绝对估计误差、均方根误差、平均相对误差和皮尔逊相关系数等模型验证指标表明地理加权回归的预测精度优于其他模型,可以更好地绘制SOC在大尺度上的空间分布特征;(3)较高SOC含量主要分布在研究区东北部、西南部以及东南部,而西北部SOC含量普遍偏低。本文以期从大尺度上探讨土壤属性与环境变量之间的相关关系,为全国土壤属性的空间制图提供一定的解决方案和思路。     

不同因素影响下层状土壤水分入渗特征及水力学参数估计

层状土壤是自然界常见的土体结构,其水分运移规律不同于均质土;大气降水、灌溉水等水分的入渗是土壤水文过程的一个重要环节,同时它也与地下水补给、污染物运移等过程紧密相关。土壤初始含水量、土体构型及供水强度等因素均会影响水分的入渗过程。为探究积水深度、土体构型、初始含水量三种因素对层状土壤水分运移的影响,通过室内积水入渗试验对湿润锋、累积入渗量、土壤剖面压力水头进行观测,并利用Hydrus-1D模型反演水力参数并对相应条件下的水分运移规律进行模拟和分析。结果表明,层状土壤中湿润锋随时间的推进方式由非线性过渡至线性,入渗率逐渐减小。三种因素作用下,层状土壤水分运移特征有明显差异:积水深度、土壤初始含水量增加时,湿润锋运移速率和入渗率均增大,且各观测点压力水头升高加快,土壤不饱和程度降低;上砂壤下粉砂壤构型较上粉砂壤下砂壤构型而言,整体湿润锋推进速率和入渗率较大,出流快,且入渗后期界面处的压力水头高于其他观测点。且结果表明,反演的水力学参数较拟合实测的参数更适用于层状土壤入渗的模拟和预测。该研究旨在揭示和掌握层状土壤水分运移规律和影响因素的作用机制,并进一步为农田灌溉措施的合理制定提供科学依据。     

AM真菌对桑树根围土壤团聚体的影响机制

为揭示丛枝菌根 (Arbuscular mycorrhizal,AM)真菌对植桑土壤的影响及机制,采用盆栽试验研究接种摩西管柄囊霉 (Funneliformis mosseae,Fm)和根内根生囊霉 (Rhizophagus intraradices,Ri)对土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)、球囊霉素相关土壤蛋白 (Glomalin related soil protein, GRSP)及团聚体组成与稳定性的影响。结果表明：⑴ 接种Ri显著增加土壤大团聚体百分比,并提高平均质量直径 (Mean weight diameter, MWD)和几何平均直径 (Geometric mean diameter, GMD)、显著降低团聚体破坏率 (Percentage of aggregate destruction, PAD)。⑵ 接种Fm和Ri均显著增加微团聚体SOC含量,接种Fm显著降低大团聚体总GRSP含量,而接种Ri却显著增加大团聚体和微团聚体总GRSP含量及易提取GRSP含量。⑶ 接种AM真菌对整体SOC的效应为负,土壤总GRSP对SOC占比在25.5%~76.5%之间,土壤易提取GRSP对SOC占比在4.87%~5.93%之间,且Ri的接种效应高于Fm。⑷ 总GRSP、易提取GRSP和SOC对团聚体组成表现均为正向显著影响,其中易提取GRSP是主要驱动因子,而总GRSP是土壤团聚体稳定性的主要影响因子。综上,AM真菌作用下桑树根围土壤团聚体得以改善并趋于稳定,Ri的接种效应明显大于Fm;土壤团聚体的形成主要依赖易提取GRSP,而其稳定性主要受总GRSP影响。     

基于电磁感应仪数据的南疆棉田土壤电导率反演模型研究

土壤盐渍化是南疆棉田优质高产的主要障碍因素,定额灌溉可有效改良土壤盐渍化,EM38-MK2可快速、动态获取土壤盐渍化数据,适时监测土壤盐渍化,为棉田定额灌溉提供数字依据。针对电磁感应仪(EM38-MK2)的发射圈和接收圈设计了不同采样方案,在同一条田内采集了6个不同时期的土壤表观电导率数据及相应的剖面土样,分析了不同土壤采集方案及土壤含水量对表观电导率模型精度的影响,对比了以单一时期数据建模的局部模型和6个时期整体数据建模的全局模型的反演精度。结果表明,由单点采集电磁感应仪发射线圈位置土样所构建的模型精度更高,稳定性更好,能有效减少由采样带来的误差。当土壤含水量低于10%时,表观电导率与实测电导率之间的相关性较低,决定系数为0.58,反演模型只具备粗略估计实测电导率的能力;当土壤含水量高于10%时,表观电导率与实测电导率具有很好的相关性,决定系数达到0.80以上,反演模型具有较好的预测能力。EMH+EMV多测定模式下表观电导率与实测电导率之间的模型精度高于EMH或EMV单一测定模式,确立EC_(h0.375)+(EC_(h0.75)+EC_(v0.75))/2+EC_(v1.5)为建模因子,有效提高了反演模型的精度。不同深度土层的局部模型反演精度均高于全局模型精度,局部模型的RPD均大于2.0,具有较好的预测能力。     

养分管理对安溪茶园土壤肥力及茶叶品质的影响

安溪是铁观音的主产区,茶园养分管理滞后已成为该地区茶叶生产的瓶颈,本研究旨在为该地区茶园的养分管理提供科学依据。试验于2015年在安溪县采集了50个茶园的茶青与土壤样品,测定了土壤5项主要肥力指标和茶青中9种主要次生代谢物含量;并根据茶农氮肥用量调研数据,初步将茶园养分管理划分为:少量、中量和过度型等三种方式。限制性主坐标轴分析发现,此分类方式可解释34.4%(P0.001)茶园土壤肥力参数的总体差异,说明此分类方式能反映出不同茶园养分管理的总体水平;并且,养分管理对表层土壤有效磷的影响最为显著。进一步分析表明,养分管理对茶青综合品质的影响可解释品质总差异的7.48%(P0.001);大部分茶青次生代谢物在中量型管理下含量最高。说明养分管理影响安溪茶园土壤的肥力状况,施肥量过高或过低均不利于高品质茶叶的生产,该地区的建议施氮量约为200～400 kg·hm~(–2)·a~(–1)。     

三种城市景观竹土壤微生物群落结构特征

为探究城市景观竹林对土壤微生物群落的影响,选取上海辰山植物园种植的3种景观竹,利用Illumina MiSeq高通量测序结合土壤理化指标分析研究了不同景观竹林对土壤理化性质和微生物群落结构特征的影响。结果表明：不同竹林土壤全磷、有效磷、有机质、全氮、全钾含量和电导率存在显著差异(P<0.05);土壤细菌丰富度和多样性指数在毛竹林土壤中最高,在淡竹林土壤中最低;土壤细菌优势门为放线菌门(Actinobacteriota)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteriota)和绿弯菌门(Chloroflexi),真菌优势门为子囊菌门(Ascomycota),其中放线菌门和绿弯菌门在淡竹林土壤中的相对丰度最高,且显著高于其他竹林,而变形菌门、粘球菌门(Myxococcota)的相对丰度在毛竹林土壤中最高,土壤真菌优势门在不同竹林间的差异不显著。此外,土壤细菌群落结构和丰度受土壤p H、硝态氮、电导率、全磷、铵态氮、含水率、速效钾和微生物生物量碳影响显著,而真菌群落变化受全磷、电导率和全钾影响显著。     

基于地基激光雷达监测不同地表覆盖条件的土壤侵蚀试验研究

土壤侵蚀量是土壤退化风险评估的重要指标,地基激光雷达(TLS)为土壤侵蚀量动态监测提供新技术手段,但野外不同地表覆盖条件对监测精度的影响尚不明确。基于2019年11月和2021年7月在鹰潭红壤生态实验站获取的地表裸露、石块、稀疏象草、马尾松、马尾松+石块,马尾松+稀疏象草等不同地表覆盖条件的6个径流小区两期TLS数据,运用移动曲面拟合滤波和反距离加权插值方法估算土壤侵蚀量,结合实测侵蚀量数据评价TLS精度,并探讨不同地表覆盖条件下TLS的最小变化识别度(minLOD)。研究表明,TLS监测精度与土壤侵蚀量呈正相关关系,更适用于中等强度以上或长时间发生明显侵蚀的土壤侵蚀区监测。不同地表覆盖条件下minLOD为4～60 mm,TLS监测相对误差(RE)依次为：地表裸露(RE=–9.4%)<马尾松+石块(RE=12.6%)<石块(RE=15.5%)<稀疏象草(RE=–18.9%)<马尾松(RE=23.4%)<马尾松+稀疏象草(RE=–25.2%);地表覆盖条件不仅影响土壤侵蚀强度、地表粗糙度,也产生点云滤波及空间插值误差,进而影响TLS识别minLOD准确度和土...