生物炭对土壤硝化反硝化微生物群落的影响研究进展

生物炭因具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和无机矿物等特性,在控制农业面源污染和温室气体排放方面有着良好的应用前景.生物炭对氮循环微生物群落特征的影响是生物炭能否有效控制面源污染和改良土壤的核心问题.围绕生物炭对土壤氮循环微生物群落特征的影响,从生物炭的多元性、添加量和环境条件3个方面综述生物炭对土壤硝化和反硝化微生物的影响研究进展.高温热解生物炭对土壤氮循环微生物的积极作用要比低温热解生物炭效果好;生物炭原料来源、添加量对土壤氮循环微生物群落的影响存在较大差异;添加有机肥料要比常规化肥更能提高氮循环微生物碳源的利用能力及其活性;环境中的污染物如多环芳烃(PAHs)、酚类化合物(PHCs)和重金属等的存在不利于氮循环微生物的生存.随着分子生物技术的进步,未来应结合多种分子生态学技术和稳定同位素探针技术等手段研究生物炭对土壤氮循环微生物的影响机制,生物炭热解温度和添加量对土壤氮循环微生物的影响不容忽视,在长期的田间试验中应注意老化生物炭对污染物和氮循环微生物的影响.     

生物炭的土壤环境效应及其机制研究

近年来,随着土壤污染的逐渐加重以及食品安全问题的频出,生物炭作为重要的土壤改良剂以及对污染土壤修复表现出的巨大潜力引起人们的广泛关注.本文首先对国内外生物炭的土壤环境效应方面的研究以及成果进行分析总结.生物炭具有疏松多孔的性质以及巨大的表面积和阳离子交换量(CEC),可以改善土壤理化性质,能强烈吸附土壤中的污染物,降低其生物有效性和迁移转化能力;生物炭的碱性对于改良酸性土壤降低土壤中污染物的生物毒性具有很大的潜力;生物炭还可以为微生物提供生长繁殖的场所,有利于微生物对污染物的降解,但同时又可以保护被吸附的有机物免受微生物的降解,对不同的微生物影响不同;生物炭可以对蚯蚓等土壤动物的生存产生影响.在此基础上,依据生物炭的基本理化性质,对其土壤环境效应机制进行了分析.最后,从当前工作中存在的不足对今后的研究重点和方向进行了展望.     

生物炭对土壤中微生物群落结构及其生物地球化学功能的影响

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质,具有改善土壤理化性质、调控营养元素循环、防治重金属、多环芳烃等污染物迁移转化等功能,因此,在土壤改良与修复领域具有较好的应用前景。但是,生物炭的施用将对土壤中的微生物群落结构组成带来影响,从而改变整个生态系统的物质循环过程。本文综述了近年来国内外有关生物炭对土壤微生物分布影响的研究进展,探讨了生物炭对土壤微生物生长代谢的作用机制,阐述了生物炭对于微生物主导的土壤生物地球化学过程产生的影响作用。相关研究发现,土壤总微生物生物量在生物炭施用后或增加,或不变,或呈现下降趋势;不同种类微生物对于生物炭的响应非常复杂,从而呈现出各异的土壤微生物群落结构组成。生物炭对微生物生长代谢的影响源于改变p H环境、影响水分分布、调节养分循环等多种机制的协同作用,而生物炭在对环境物质的吸附以及对微生物的直接吸附方面扮演着重要角色。同时,生物炭对于土壤微生物群落结构组成的影响还会随着时间的推移而发生变化。生物炭对土壤中微生物分布的改变还会进一步影响微生物的生物地球化学功能,对温室气体排放、碳氮循环和有机污染物降解等生物地球化学过程产生重要影响。因此,有待开展更多关于生物炭对于土壤微生物分布及其生态功能的影响的深入研究,以期更全面地评价生物炭对土壤环境质量的影响作用,为生物炭的实际应用提供依据。     

生物炭及其复合材料在土壤污染修复中的应用研究进展

人类活动产生的重金属与农药残留的有机污染物在土壤中的积累致使土壤遭受严重污染,引发了一系列生态问题。生物炭及其复合材料因其独特的表面结构使其可通过物理或化学等作用吸附土壤中的污染物,限制其在生态系统中的迁移与传递过程,进而改善土壤理化性质,因此生物炭在土壤污染治理方面的应用研究越来越多地引起关注,但多数研究局限于实验室水平。文章对近年来生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用的相关研究进行了整理,从重金属与有机污染物两个方面切入,阐述了不同生物炭材料在污染土壤中对两类污染物的作用机理;介绍了生物炭的改性和复合方法及其应用优势,同时对生物炭材料在污染土壤修复中的研究重点进行了展望。复合材料可以显著增强生物炭对污染物的吸附性能。从吸附机理上看,生物炭及其复合材料对重金属污染多以静电作用、离子交换作用、表面官能团作用为主;对有机污染物则主要以分配作用、吸附作用、孔隙填充为主,但在实际应用过程中,这些机理往往共同发挥作用,只是贡献程度不同。另外,生物炭及其复合材料也可通过提高土壤质量间接增强土壤对污染物的抗性等。虽然纳米材料能够增强生物炭的性能,但其对土壤中微生物的毒性机理尚不完全清楚。综上所述,生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用能显著降低污染物的毒性,但新型生物炭复合材料的作用机理有待进一步的研究和论证。     

秸秆生物炭施用对玉米根际和非根际土壤微生物群落结构的影响

为探究生物炭施用对土壤微生物群落结构与功能的影响,以广东博罗某生态农业实验基地玉米地为试验对象,设置3个处理,分别按0(C)、5(B1)、10(B2)t·hm~(-2)施加秸秆生物炭,分别于第7天、14天、21天后采集根际土壤及非根际土壤样品,通过对玉米根际及非根际土壤细菌16S rDNA进行高通量测序分析,结合16S rDNA PICRUSt功能预测技术,探究生物炭施用对玉米根际土壤及非根际土壤微生物群落结构与功能的影响。结果表明,与空白对照组相比,施加生物炭可明显增加玉米非根际土壤微生物群落多样性,施加21 d后C组、B1组和B2组chao1指数分别为1 261、2 707和2 472;对根际土壤微生物多样性影响不显著(P=0.406)。施加5t·hm~(-2)生物炭后,玉米根际土壤酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度升高,但施加10 t·hm~(-2)生物炭处理酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度降低。在科水平上,施加生物炭后,玉米非根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)受到明显抑制,而施加生物炭与否及施加量多少对根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)丰度高低影响不显著(P=0.857)。PICRUSt预测结果表明,生物炭施加对玉米土壤微生物群落代谢、遗传、信息传递等过程产生影响,从而改变微生物的群落结构及生态功能。综上,施用生物炭会影响玉米土壤微生物群落结构与功能,相对于施加10 t·hm~(-2)处理,施加5 t·hm~(-2)处理对土壤微生物群落结构的影响效果更为显著。该研究结果可为生物炭农业化利用机制研究及施加量选择提供参考。     

生物炭固定化微生物技术在去除水中污染物的应用研究进展

许多研究致力于固定化微生物技术在去除水环境中污染物方面的应用。生物炭具有高的比表面积、大的孔隙率、低成本和来源广等优势,生物炭与固定化微生物技术结合在处理水中污染物方面具有很大的应用潜力。因此,了解生物炭固定化微生物对水中污染物去除的作用机制对于其在环境修复和废水利用中的应用至关重要。文章综述了微生物固定化方法、载体的选择、生物炭作为载体材料在固定化微生物技术中的优势及应用以及生物炭固定化微生物在去除水中不同种污染物的应用及其作用机制。同时,还探讨了初始污染物浓度、pH、温度、接触时间和颗粒投加量等对生物炭固定化微生物对去除水中污染物的影响,并分析这些环境因素对微生物生长、生物炭特性以及污染物去除效果的影响。当前研究表明:生物炭相比于其他固定化载体而言更加适宜微生物的生长,生物炭固定化微生物去除污染物的主要作用机制是吸附和生物降解的协同作用,以及生物炭对微生物具有保护及快速定殖作用。另外,过高的初始浓度、过高或过低的pH和温度都会影响微生物的活性而不利于污染物的去除。生物炭固定化微生物颗粒对污染物的去除能力随着时间和颗粒投加量的增加而提高。此外,文章分析了生物炭固定化微生物技术在水环境应用中存在的问题,可为未来相关领域的研究提供参考。     

生物炭对土壤微生物的影响研究进展

生物炭是有机材料在厌氧条件下热解而成的产物。近年来,生物炭因在碳固定、土壤改良和作物产量提高等方面具有较大的应用潜力而引起国内外学者的广泛关注。作为一类新型的土壤改良剂,它能提高土壤有机碳含量及阳离子交换量(CEC),改善土壤保肥持水性能,有益于土壤微生物活动,同时还可吸附抑制对土壤微生物生长有毒的化感物质,为土壤微生物提供有利的栖息场所。但生物炭的效应与生物炭的特性、用量、土壤类型及肥力有关。笔者从生物炭对土壤微生物的影响及其作用机制出发,概述了不同生物质材料及热解温度对生物炭理化性质的影响及生物炭对土壤微生物丰度、群落结构和活性影响的研究进展。未来应重点从生物炭的特性、生物炭与微生物交互作用及生物炭的环境修复等方面深入研究,客观评价生物炭对土壤微生物的作用。     

土壤微生物污染诱导群落耐性研究进展

污染诱导群落耐性(PICT)是指生物群落为了在污染环境中继续生存,通过生理生化与遗传特征的改变或以耐性类群生物代替敏感类群,从而使整个群落产生耐性.目前人们已将PICT作为一项指标,从群落耐性方面来评价污染生态学的效应.目前PICT研究已涵盖了水生生物、陆地植物、微生物等,其中土壤微生物是PICT研究的重要群落对象.对土壤微生物群落PICT的研究始于上世纪90年代,并已在多方面取得进展,包括在研究方法上的一些突破和改进.在PICT产生和变化机理等方面也有新发现,如发现了土壤微生物群落PICT与污染物浓度存在较好的正相关关系,并且污染物能够引起土壤微生物群落对其他污染物的共耐性等.在PICT影响因素研究方面发现不仅环境因素会影响PICT的形成,而且检测方法也会影响对PICT的判断.论文较为全面地综述了国际上针对土壤微生物群落PICT的研究进展,包括PICT的概念、研究方法、污染物影响PICT的内在机制及影响PICT的关键因素等,最后提出了研究展望.     

生物炭尺寸效应对土壤污染修复的差异调控

生物炭是一种富含碳的材料,可以由各种有机废物原料制备,例如木材废料、农业废物和城市污水污泥.生物炭因其碳含量高、阳离子交换容量高、比表面积大、结构稳定等特性而受到越来越多的关注.本文系统地分析和总结了生物炭的原料来源与性质及在污染土壤修复方面的应用.基于生物炭的理化性质差异,重点阐明了生物炭尺寸效应对土壤污染物的作用机理,并对其修复土壤污染物和改善土壤质量进行了深入讨论.此外,在将生物炭实际应用于环境修复时,应更加关注生物炭老化后性能的改变.综上所述,生物炭在环境修复中具有广阔的应用前景,尺寸效应差异调控土壤污染物的作用机理需要更深一步的研究.     

生物炭对土壤生境及植物生长影响的研究进展

生物炭是指由含碳量丰富的生物质在无氧或限氧的条件下低温热解而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料。近年来,生物炭作为一类新型环境功能材料引起广泛关注,其在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复等方面都展现出应用潜力,已成为当前的研究热点。综述了生物炭对土壤生境以及植物生长方面的影响机制,并指出未来研究的主要方向。国内外最新的研究表明:生物炭的高孔隙度和表面面积,可以增加砂性土壤的田间持水量,但这种增加效应是有限度的;生物炭的碱性属性使其能够提高酸性土壤的pH值,这对喜碱作物的生长具有积极意义;生物炭能够抑制土壤氮磷养分淋失,提高肥料利用率;生物炭的添加会增加土壤微生物量,改变土壤微生物群落结构组成和土壤酶活性;生物炭的添加改善了土壤性质、养分状况以及土壤微生物性质,进而促进了植物生长。但生物炭对土壤生境和植物生长的影响效应要取决于土壤肥力和性质、植物种类、以及生物炭的特性和施用量等因素。因此,必须根据不同土壤的主要障碍因子,选择合适的生物炭,以期得到较好的土壤改良效果。今后应加强生物炭在林地土壤改良以及林木生长方面的研究与应用,进一步探索生物炭在土壤中发生的生物和化学反应机理,并且要对生物炭的施用效果进行野外长期定位研究。     

土壤变暖对土壤微生物活性的影响

讨论了土壤变暖对土壤微生物活性的影响及其后果。许多研究表明，土壤呼吸与土壤温度呈正相关关系。描述这种关系所用的模式有线性回归分析、Q10关系式、幂关系式、Arrhenius关系式及其它关系式，但这些模式通常都不能准确地估计呼吸率。尽管如此，几乎所有的研究都显示土壤温度强烈地影响土壤微生物活性及呼吸。在一定温度范围内，土壤变暖提高土壤微生物活性及呼吸率。解释这种现象的一种机制是微生物群体组成随温度升高而改变。文章最后指出，为了得出更加明确的结论及更加准确地预测全球变暖对土壤的影响，必须进行更深入地研究。     

Soil Quality: A Review of the Science and Experiences in the USA

An increasing human population is placing greater demand on soil resources, and as a result degradation is taking place in many regions of the world. This is critical because soils perform a number of essential processes including supporting food and fiber production, influencing air quality through interaction with the atmosphere, and serving as a medium for storage and purification of water. The soil quality concept was introduced to complement soil science research by making our understanding of soils more complete and helping guide the use and allocation of labor, energy, fiscal, and other inputs as agriculture intensifies and expands to meet increasing world demands. Soil quality thus provides a unifying concept for educating professionals, producers, and the public about the important processes that soils perform. It also provides an assessment tool for evaluating current management practices and comparing alternative management practices. Soil attributes comprising a minimum data set have been identified, and both laboratory and field methods have been developed for measuring them. A soil quality index is being developed to normalize measured soil quality indicator data and generate a numeric value that can be used to compare various management practices or to assess management-induced changes over time. Using previously published data, we evaluated the soil quality index as a tool to assess a wide range of management practices in the Northern Great Plains. The index ranked the treatments: grazed fertilized tame pasture > moderately grazed > ungrazed> heavily grazed > annual cropping with no-tillage > conventionally tilled crop-fallow which agrees with the way they were subjectively ranked in the publications. The soil quality index shows potential for use as a management assessment tool.     

土壤学与广东持续农业的发展

持续农业是关于建立资源、生态、地力、经济效益等各个方面均可持续发展的农业制度的一种思想．水土流失、土地退化、耕地锐减、环境污染，制约着广东农业的持续发展．土壤学应围绕持续农业开展研究工作．目前应加强土壤生态环境的保护，防治土地退化，提高土壤肥力，保证耕地生产力的持续发展．应开展土壤资源的动态变化研究，为合理开发和利用土壤资源提供科学依据．     

河北省曲周县盐渍土区土壤养分含量的动态变化

对华北盐渍土区河北省曲周县 79个土壤样点 1 980年和 1 999年土壤养分含量进行了分析 ,结果表明 :1 999年与 1 980年相比 ,土壤有机质含量增加了 41 % ,土壤全氮和速效磷含量分别增加了 1 0 2 %和 351 % ,而土壤速效钾含量则下降了 38% ;土壤有机质含量增加的原因是秸秆还田量增加 ,土壤中全氮、速效磷含量增加的直接原因是土壤中氮肥、磷肥投入量增加 ,而土壤速效钾下降的原因则是钾肥的施入量不足。对不同质地土壤养分含量变化分析表明 ,质地可控制养分的空间分配 ,但人为干预促进了土壤养分含量向均一化方向发展。对不同质地土壤有机质含量与表层含盐量进行相关分析表明 ,表层为轻壤时 ,土壤有机质含量与表层含盐量具有明显的负相关性。     

合肥城市绿地土壤特点

以合肥市一环内绿地土壤和近郊蜀山森林公园土壤为对象,研究了土壤表层0~10 cm的理化特性,分析了全磷与速效磷,速效磷与潜在酸度之间的关系。结果表明,市区绿地土壤的容重平均值为1.41 kg/cm3,土壤电导率显著高于近郊森林土壤;城市绿地土壤pH值多在7.51~8.50之间,与森林土壤相比,碱性化趋势明显;城市土壤具有明显的富磷和贫氮特征,其全氮含量平均值为1.44 g/kg,全磷含量平均值为792.0 mg/kg、速效磷含量为50.6 mg/kg,分别是近郊森林土壤的0.64倍、2.9倍和5.1倍;城市土壤全磷与有效磷含量呈显著的正相关(r=0.79,p=0.000);潜在酸度与有效磷含量呈显著负相关(r=0.65,p=0.000)。     

施肥对不同农田土壤微生物活性的影响

采用室内恒温培养研究了施肥对不同农田土壤微生物活性的影响。结果表明，在红壤、水稻土和潮土中，土壤微生物量、土壤酶活性大小顺序均为有机肥配施无机肥处理＞单施有机肥处理＞单施无机肥处理，但对脲酶来说，其活性大小顺序为有机肥配施无机肥处理＞单施无机肥处理＞单施有机肥处理。从土壤类型来看，土壤微生物量碳、氮和土壤酶活性大小以水稻土最大，潮土次之，红壤最小。３种土壤的微生物量、土壤酶活性在培养的４５～６０ｄ之间分别达到最大值，以后逐渐下降。部分单施无机肥处理的土壤微生物量、土壤酶活性最大值比单施有机肥处理、有机肥配施无机肥处理提前１５ｄ。相关分析表明，有机肥配施无机肥处理及单施有机肥处理，３种土壤的土壤微生物量碳、氮与土壤过氧化氢酶、转化酶、蛋白酶、脲酶及速效养分呈显著或极显著的相关性；单施无机肥处理中，土壤微生物量碳、氮与土壤过氧化氢酶、蔗糖转化酶、蛋白酶、脲酶显著或极显著相关，与部分速效养分相关不显著。     

蕉园土壤因子与香蕉枯萎病发病的相关性研究

香蕉枯萎病（Fusarium oysporum f.cubense）是当前严重威胁我国华南地区香蕉生产的重要土传病害,目前尚未找到有效的防治方法。于2010年采集了3个典型香蕉枯萎病患病样地（尖峰、冲坡、十月田）和2个健康样地（临高、广州）的根际与非根际土壤样品共46份,采用常规分析方法测定了19项土壤理化指标含量。旨在从农艺措施的角度考虑香蕉枯萎病的防治提供理论依据。结果表明：健康蕉园的大多理化性状和养分含量高于患病蕉园。尤以土壤粘粒、有机质、CEC、全N、全P、有效P、有效Cu、有效Fe、有效B和交换性Ca含量表现更为明显,其在健康蕉园中的含量均为患病蕉园的1.5倍以上。同一患病蕉园根际土壤中的pH值随植株感病级别增加而上升,而有效P和有效B含量随植株感病级别增加而降低。由此可以推论,在蕉园适当增施P肥和B肥有助于抑制香蕉枯萎病发生。     

青藏高原东缘不同林龄云杉林冬季土壤呼吸特征

采用动态密闭气室红外CO_2 分析法(IRGA),连续定位测定青藏高原东部4种不同恢复阶段的人工云杉林和原始云杉林在冬季(2007.11.01～2008.03.31)的土壤呼吸.用挖壕沟法同步区分土壤自养呼吸和异养呼吸,并同步测定土壤5 cm温度和水分结果表明,土壤5 cm温度与冬季土壤呼吸速率具有显著的正指数相关关系,土壤含水量与冬季土壤呼吸的相关性不明显.亚高山针叶林冬季土壤呼吸温度系数Q_(10) 值为3.180 3～6.546 9,不同年龄阶段针叶林的Q_(10)值大小依次为:35 a人工云杉林>47 a人工云杉林>65 a人工云杉林>22 a人工云杉林>原始云杉林.22 a、35 a、47 a、65 aA工云杉林和原始云杉林冬季土壤总呼吸碳释放通量别为200.16、196.23、166.71、228.47、261.75 g(C)m~2,随着森林恢复更新,冬季土壤呼吸通量呈现出先下降后升高的趋势,这种变化趋势的拐点出现在47 a人工林附近.温度是影响土壤自养呼吸贡献率和异养呼吸贡献率的主要因子,温度与异养呼吸贡献率成负相关.22 a、35 a、47 a、65a人工云杉林和原始云杉林冬季土壤的自养呼吸和异养呼吸碳释放通量平均值分别为133.44、134.04、115.97、166.05、199.07 g(C)m~(-2)和66.71、62.20、50.73、62.43、62.68 g(C)m~(-2).图7表3参34     

Reclamation of abandoned shrimp pond soils in southern Thailand for cultivation of Mauritius grass (Brachiaria mutica)

A study on soil reclamation for cultivation of Mauritius grass was conducted on soils obtained from abandoned shrimp ponds at Ranote District, Songkhla Province, southern Thailand. A glass house experiment on the reclamation of the soils included desalination by leaching soils using various amounts of deionised water, rice husk, plant nutrients and gypsum as well as an omission pot trial experiment. The result showed that Mauritius grass survived in the treatment with 15 L of water, 2% of rice husk with gypsum added or 8% of rice husk without gypsum added. The yield of Mauritius grass increased with increases in the amounts of water for desalination and rice husk. Thus, the highest yield of grass with a height of 148.3 cm, 12.7 tillers/pot and dry weight of 46.43 g/pot was observed in the gypsum added treatment with the highest amount of water and rice husk (25 L of water and 8% by weight of rice husk). Therefore, salinity and unfavourable structure of the abandoned pond soils were major factors governing the survival ability and growth of the grass. The omission pot trial experiment revealed that growth of the grass responded to the application of P, Ca, Mg and S, though existing amounts of such plant nutrient elements in the soils were adequate for plant growth. The anomalous characteristics were probably explained by soil pH, salinity and imbalance of plant nutrient elements.     

长期配施秸秆对灰漠土质量的影响

利用国家灰漠土肥力与肥料效益长期定位试验,采用长期不施肥、常规施化肥和长期配施秸秆(玉米秸秆或小麦秸秆)等不同施肥措施相比较的方法,研究长期秸秆还田土壤养分的年际变化,以及对土壤动物、微生物、酶活性的影响。研究发现:⑴长期配施秸秆能提高土壤速效氮、磷、钾含量,平均分别提高15%、48%和22%;⑵配施秸秆对土壤昆虫群落呈正向作用且贡献最大,主要增加了大型、中小型农田土壤动物的个体总数和优势类群数量,尤其是疣跳科和等节跳科动物个体数量增加近10倍;⑶土壤养分与土壤细菌、固氮菌、氨化细菌、纤维分解菌和反硝化细菌呈正相关,秸秆还田激发土壤有益微生物的生长和类群数量,使土壤微生物类群数量比对照增加15%~44%;⑷土壤养分与土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性呈正相关,与过氧化氢酶呈负相关,秸秆还田增强土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性,特别是脲酶和蔗糖酶活性平均提高26.5%。结果表明,长期配施秸秆提高了土壤动物丰富性和微生物多样性,增加了土壤酶活性,同时生物类群和酶活性的增加也改变了土壤生态环境,加速了土壤熟化。