改性玉米芯制备太阳能界面蒸发体及其性能分析

针对天然生物质材料应用于海水淡化领域,蒸发效率较低、材料容易降解等问题,采用多巴胺对天然玉米芯进行改性处理,以改性玉米芯为基底,在其表面包覆炭黑-纤维素薄膜,制备了一种集光热转换、输水、隔热于一体的太阳能界面蒸发体。对改性玉米芯蒸发体的光学吸收性能、输水性能、接触角进行表征,并搭建了室内蒸发试验和户外蒸发试验系统,测试了改性玉米芯的蒸发性能,与天然玉米芯相比,改性玉米芯蒸发体的蒸发速率相对未改性的提升了约10.4%。对改性玉米芯蒸发体进行了30次循环试验,蒸发体均保持稳定的蒸发速率,整个循环测试中蒸发速率波动不超过1%。并且,长期工作后,蒸发体表面没有盐分沉积,没有出现材料软化、降解现象。改性玉米芯蒸发体在海水环境中能够保持良好、稳定的蒸发性能,且能够有效降低海水中的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等离子浓度,达到世界卫生组织所规定的饮用标准中的相应限值。改性玉米芯蒸发体的制备方法简单、成本低廉、蒸发性能稳定,为扩展生物质材料在海水淡化领域的应用提供了有效途径。     

磷肥在旱地红壤上的后期效应及其作用机制

红壤地区施入的磷肥很容易被吸附固定而留存于土壤中,降低磷肥利用效率,留存于土壤中的磷对土壤生态功能和作物养分供应的后续效应值得关注。基于旱地红壤长期施肥定位试验,探讨常规施肥处理（CK）以及短期施入不同磷肥量（P2O5,0、50、100、150和1 000 kg·hm-2）多年后土壤养分、土壤氮循环过程和作物产量的变化特征。通过多元统计分析方法探讨不同磷肥处理下,土壤全碳、全氮和微生物生物量碳和氮转化过程的潜在速率以及产量等因子间的相互关系及其与磷的后期效应的关系。结果表明,在短期投入高剂量磷肥（1 000 kg·hm-2, P1000）27年后,土壤全碳、全氮和微生物生物量碳与常规施肥处理相比无明显差异,但显著提高了土壤pH和氮循环相关过程速率,包括氮矿化速率（Nitrogen mineralization rate, Nmin）、固氮酶活性（Soil nitrogenase activity, SNA）、潜在硝化速率（Potential nitrification rate, PNR）（P < 0.05）,同时降低了净N2O排放潜能（Net N2O production rate, NN2O）（P < 0.05）。与不施磷（P0）和短期投入低剂量磷肥处理（50,100,150 kg·hm-2）相比,P1000处理中,土壤有效磷（AP）、氮矿化速率、固氮酶活性、潜在硝化速率和潜在N2O产生速率（PN2O）分别增加了33.3%～76.4%、88.2%～388.1%、111.4%～4 826.3%、22.6%～152.4%和13.8%～78.9%（P < 0.05）,同时净N2O排放潜能也降低了64.6%～78.9%（P < 0.05）,表现出明显的磷后效,且在作物生长季更为明显。相关分析和冗余分析表明AP和pH是影响以上土壤生物化学活性最主要的因子。近三年作物平均产量在所有处理中无显著差异,但与土壤TP、AP和pH呈显著正相关;但在长期尺度上（1992—2019年）,P1000处理相对于其他低磷处理累积增产效应达3%～23%。以上结果表明,酸性红壤中短期大量施用磷肥多年后,由于大量磷肥投入导致的土壤pH提升和磷的缓释效应,使得磷肥在促进土壤肥力、微生物活性和土壤氮循环转化活性方面表现出较明显的后期效应。     

南方酸化红壤钾素淋溶对施石灰的响应

为探究石灰施用的长期和短期效应对酸化红壤钾素的影响,依托始于1990年的国家红壤肥力与肥料效益监测长期定位试验,选取化肥氮磷配施(NP)、氮磷钾配施(NPK)、氮磷钾配施+半量秸秆还田(NPKS)及其增加常量石灰（NPL、NPKL、NPKSL）6个处理。室内土柱淋溶试验设置0 L、0.5 L、1 L和1.5 L石灰施用量,监测田间和淋溶后0 ~ 50 cm土层速效钾和缓效钾含量、pH及淋溶液中钾离子（K⁺）含量的变化。结果表明：1）施用石灰4年后,与NPKS、NPK、NP相比,各处理均增加了相应土层的缓效钾含量;NPKSL和NPL处理分别增加了0 ~ 40 cm和0~10 cm速效钾含量,增幅分别为2.06 % ~ 36.39 %和27.26 %。2）石灰施用量相同,各处理土壤累积K⁺淋溶量由大到小依次为NPKS处理、NPK处理和NP处理。施用石灰减少了NPKS和NPK处理淋溶液中累积K⁺含量,降幅为18.10 % ~ 57.70 %,且K⁺淋溶率也下降。3）施石灰提高了表层土壤pH;土壤中钾素盈余情况下,石灰当季施用量每增加1 000 kg·hm^-2,K⁺淋溶损失率降低11.7%;施用石灰和施肥是显著影响平均淋溶K⁺量和K⁺累积淋溶量的主效应。可见,施用石灰的短期和长期效应均能提高表层土壤pH;减少速效钾在剖面的运移,增加剖面下层缓效钾的含量;土壤淋溶K⁺量、累积K⁺淋溶量和K⁺淋溶率均随土壤中速效钾含量的增加而增加,随施用石灰而降低。合理的石灰用量能够有效降低酸化红壤K⁺淋溶损失风险。     

秸秆还田对长期不同施肥黑土微生物残体碳的影响

  【目的】  研究长期施肥以及秸秆还田对黑土中微生物标识物氨基糖含量的影响,以期为调节黑土碳循环提供理论支撑。  【方法】  吉林省农业科学院黑土长期定位试验始于1990年,2018年选取其中不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)和有机肥配施化肥(MNPK) 三个处理进行秸秆微区田间试验。这三个处理的土壤中分别再设加入1 cm 长玉米秸秆6000 kg/hm2的处理(CKS、NPKS、MNPKS)和不加入玉米秸秆的处理(CK、NPK、MNPK),共6个处理。秸秆与土壤混匀后置于PVC框(长0.9 m、宽0.6 m、高0.6 m)内,PVC框上端高于地面20 cm。在PVC框埋入土壤60天(夏季)、150天(秋季)后,取土样测定理化性状及氨基葡萄糖(GluN)、氨基半乳糖(GalN)和胞壁酸(MurN)含量。微生物真菌残体碳和细菌残体碳含量依据各氨基糖含量计算。  【结果】  与CK相比,NPK和MNPK处理能够促进氨基糖在土壤中的积累,其中第60天氨基葡萄糖分别显著增加18.81%和105.36%;胞壁酸分别显著增加19.62%和129.30%。两种施肥措施均能提升土壤中微生物残体碳的含量,而且MNPK处理微生物残体碳积累量较CK处理高出近1倍。各处理中真菌残体碳含量要远高于细菌残体碳含量,两种施肥措施均会降低真菌残体碳占微生物残体碳的比重,说明施肥会增加细菌在这一过程中对黑土有机碳积累的贡献。NPKS处理氨基葡萄糖占总氨基糖含量百分比明显增加,MNPKS处理真菌来源的氨基葡萄糖所占百分比也在第60天、第150天这两个时期内逐渐上升,表明真菌细胞死亡残体积累量在增加。  【结论】  添加秸秆后的MNPK处理促进了黑土中微生物残体碳的积累,NPK处理与秸秆添加相结合可以提高真菌残体碳在微生物残体碳中所占比重。因此,施肥和秸秆添加会使黑土中微生物群落组成发生变化,从而影响微生物残体的积累特征。     

长期定位不同施肥方式对土壤肥力和微生物的影响

以北京市农林科学院(房山)新型肥料长期定位试验站为平台,采用田间冬小麦-夏玉米轮作的方法,探讨了长期不同施肥方式对土壤有机质、养分和微生物特性的影响。结果表明:经过12年的长期定位施肥后,NPK配施有机废弃物肥和NPK配施秸秆可以降低土壤pH值,NPKWN处理降低pH效果最为明显,pH值相较基础土样降低了0.18,而单施化肥的处理土壤pH值均有所增加,处理之间差异不显著;试验地的EC值在11.7～14.5 mS/m之间,各施肥处理与CK处理相比,施肥增加了土壤EC值,差异显著,并且配施有机废弃物肥和秸秆处理的土壤EC值又较NPK处理偏高;长期施用有机废弃物肥和秸秆的土壤肥力明显提高,施肥对土壤有机质、全氮的变化规律:NPK配施有机废弃物肥NPK配施秸秆化肥CK;土壤中的三大微生物数量,细菌放线菌真菌,单施化肥与CK相比,土壤细菌、真菌、放线菌数量都有所提高,化肥与有机废物肥或者与秸秆配合施用的土壤细菌、放线菌数量比单施化肥的增幅效果明显;NPKJG处理土壤中真菌数量最高,达到4.53×10~4个/g,与CK处理相比,增加了67.7%;长期不同施肥处理的土壤微生物量氮变化介于24.7～44.6 mg/kg之间,各处理土壤微生物量氮变化规律为NPKWNNPKLJNPKJGNPKJFNPKMGNPKNPKHSFCK,与对照相比分别增加了80.7%、80.4%、77.2%、72.1%、61.2%、35.7%、23.7%;土壤微生物量氮、细菌数量与土壤有机质、全氮、有效磷呈显著或极显著正相关,土壤放线菌数量与土壤速效钾、有机质、全氮呈显著或极显著正相关,可以作为在长期施肥条件下土壤肥力变化的生物学指标。     

小麦–玉米轮作体系长期施肥对塿土微生物量碳、氮及酶活性的影响

以20年塿土小麦玉米轮作体系长期肥料定位试验为平台,探讨不同施肥模式下土壤化学肥力要素、微生物量碳氮及酶活性的响应。试验包括不施肥（CK）、单施氮肥（N）、氮磷（NP）、磷钾（PK）、氮磷钾（NPK）、NPK+秸秆（SNPK）以及不同量有机肥+NPK（M1NPK、M2NPK）等8种施肥模式。结果表明,与CK相比,长期施用NP提高土壤有机碳含量达34.0%、全氮34.0%、全磷58.5%、速效磷608.9%、微生物量碳23.3%、微生物量氮54.0%、蔗糖酶53.9%、脲酶132.6%、碱性磷酸酶29.9%以及脱氢酶40.9%。长期施用NPK与NP效果相似,钾素效果甚微。作物秸秆还田配合氮磷钾化肥与氮磷钾相比没有明显影响土壤有机碳、氮和磷水平,但是显著提高微生物量碳的含量（29.5%）、碱性磷酸酶（23.0%）和脱氢酶（26.9%）的活性。有机肥配合氮磷钾与其它施肥处理相比,显著提升土壤化学肥力要素、微生物量碳氮和酶活性,特别是引起了磷素的大量富集（速效磷含量大于150 mg/kg）。因此,塿土不施有机物情况下,氮磷配合可以提高土壤化学和生物肥力,作物秸秆还田配合氮磷钾化肥的培肥效果优于氮磷钾化肥配合,而合理的有机无机肥配合是塿土提升化学肥力和保证生物健康的最佳施肥模式。     

长期不同施肥处理对土壤活性氮库的影响

通过长期肥料定位试验,对不同施肥处理下草甸黑土活性氮库中几种重要组分含量变化及其相互之间的比例关系进行研究.结果表明,氮肥施用能够增加土壤中无机氮含量,以土壤剖面中硝态氮含量变化为例,除NPK配施处理外,其它施氮处理在180-200 cm土层硝态氮含量均显著增加,N,.P,K配施减少了土壤剖面中硝态氮累积.土壤表层微生物态氮和固定态铵含量的变化不仅取决于氮素的投入量,还与其它因素有关,长期单纯施用氮肥土壤微生物氮含量并没有增高.而N,P配施的处理,土壤微生物氮含量较高.施用氮肥抑制了土壤中可矿化氮的含量,促进氮的矿化释放,增加了活性氮库中其它组分的含量;不同施肥处理表层土壤氮素矿化速率从高到低的顺序是:CKPKPKNPNPKNKN,不同施肥处理对硝化速率的影响大小按PCKKPKNPNPKNNK顺序排列.     

长期施肥对作物铜、铅、铬、镉含量的影响

为了弄清长期施肥对作物重金属含量的影响,利用长期定位试验,研究了不同施肥措施对小麦、水稻铜、铅、铬、镉含量的影响,并对其籽粒中重金属的含量进行了安全性评价,结果表明,长期施肥影响了小麦和水稻中铜、铅、铬、镉的含量,小麦、水稻籽粒中铅、铬、镉含量长期施肥处理均明显增加,其中铅、铬含量都超过了国家食品卫生标准,施磷处理水稻籽粒中镉含量也严重超标.小麦、水稻对土壤铜和铬的富集能力较强,对铅、镉的富集能力较小;小麦对铬和铜的富集能力大于水稻,其富集系数分别是水稻的2.5倍和2.8倍.而水稻对镉的富集能力大于小麦,富集系数是小麦的2.1倍.     

长期定量施肥对玉米光合碳分配的影响

基于中国科学院海伦生态实验站的长期定位试验,采用13CO2脉冲式标记方法,研究了长期施肥对玉米光合碳分配机制的影响.结果表明,光合碳分配到玉米不同组织的δ13C值差异较大,地上部>根部>土壤>土体.施肥对玉米地上部δ13C影响较大,缺索处理CK、NK、PK的δ13C值较大,可以达到333.5‰～339.5‰,而养分均衡的NP、NPK和NPKM处理地上部占δ13C值较小,为168.8‰～196.0‰.NK处理在标记当天(0 d)地上部13C分配比例最大,为76.12%,标记第7天(7 d)后变为53.26%.NPKM处理土壤13C分配比例增幅较大,可由标记0 d的0.98%到增加到标记7 d后的3.50%,增加了2.52个百分点.标记0 d,根际呼吸将消耗转移到地下的光合13C的52.89%～94.38%,NPKM和NPK处理消耗最大,达94.38%和93.59%,在标记7 d后,13C光合产物分配达到平衡状态.     

长期定位试验点土壤镉的吸附解吸及形态分配

以中国生态系统研究网络和国家土壤肥力和肥料效应长期定位监测网络5个农业生态实验站的表层土壤为材料,研究了不同区域农田土壤对Cd的吸附解吸特性;同时,在研究长期定量施肥对封丘潮土和祁阳红壤Cd积累及其有效性影响的基础上,对不同施肥处理进行了土壤Cd形态分级。结果表明,5种农田土壤中,中厚黑土的吸附量较大,旱地红壤的吸附量较小,土壤的最大吸附量与土壤有机碳含量、土壤CEC及土壤pH有关;长期施用化肥对封丘黄潮土和祁阳红壤Cd积累的作用不明显,长期施用有机肥可增加土壤Cd的积累,但内源性有机肥(秸秆)使黄潮土Cd含量增加的幅度远低于外源性有机肥(猪粪)使红壤Cd含量增加的幅度,长期施用有机肥对土壤Cd有"活化"作用。黄潮土和红壤中Cd的形态分配顺序均为:残渣态弱酸提取态可还原态可氧化态,但黄潮土中残渣态Cd的比例显著高于红壤中残渣态Cd的比例。化肥和有机肥均可影响Cd在黄潮土和红壤中的形态分配。