添加秸秆生物质炭对酸化茶园土壤N_2O和CO_2排放的短期影响研究

为明确秸秆生物质炭对酸化茶园土壤改良及温室气体排放的影响,采用室内培养试验方法,研究了小麦秸秆生物质炭添加(对照CK:0 g·kg~(-1);低生物质炭B1:8 g·kg~(-1);中生物质炭B2:24 g·kg~(-1);高生物质炭B3:48 g·kg~(-1))对茶园土壤pH值和温室气体排放的影响。结果表明,与对照组CK相比,添加生物质炭显著抑制了酸性茶园土壤N2O的排放(P=0.000),但抑制效应并未随生物质炭添加量的增加而加强,培养期间各处理N2O累积排放量分别为:CK 2.366 mg·kg~(-1),B1 0.444mg·kg~(-1),B2 0.142 mg·kg~(-1),B3 0.207 mg·kg~(-1)。低生物质炭(8 g·kg~(-1))和中生物质炭(24 g·kg~(-1))处理的综合增温潜势(GWP)分别比对照组CK降低了33.45%和25.77%,而高生物质炭处理(48 g·kg~(-1))与对照处理差异不显著。这表明施用中低量生物质炭更有利于茶园土壤的固碳减排。此外,生物质炭显著提高了酸化茶园土壤p H值,生物质炭添加比例越大,p H值越高,故施用作物秸秆生物质炭有利于酸化土壤改良。相关性分析结果表明,土壤N_2O排放与pH值之间呈显著负相关关系,土壤p H值的升高可能是引起N_2O排放量降低的重要原因。     

不同量生物炭施用与蚯蚓互作对土壤N_2O及CO_2排放的影响

为明确不同量生物炭施用与蚯蚓互作对土壤N_2O和CO_2排放的影响,设置了仅有土壤(S)、接种蚯蚓(SE)、施用低剂量生物炭(SL)、接种蚯蚓并施用低剂量生物炭(SLE)、施用高剂量生物炭(SH)和接种蚯蚓并施用高剂量生物炭(SHE)6个处理,开展了50 d的室内培养试验。结果表明,施加生物炭显著降低蚯蚓生物量,与接种前相比,SE处理蚯蚓生物量下降18%,SLE处理蚯蚓生物量下降26%,而SHE处理蚯蚓生物量下降高达37%。培养结束后,接种蚯蚓处理(SE、SLE和SHE)N_2O累积排放量分别为589.8、538.0和258.3μg·kg~(-1),均显著高于未接种蚯蚓处理(S、SL和SH处理N_2O累积排放量分别为57.1、34.5和23.4μg·kg~(-1))。添加生物炭显著降低接种蚯蚓处理N_2O排放量,且生物炭添加量越高,效果越明显。接种蚯蚓处理(SE、SLE和SHE)CO_2累积排放量分别为686.1、682.2和420.7 mg·kg~(-1),均显著高于未接种蚯蚓处理(S、SL和SH处理CO_2累积排放量分别为346.9、268.7和165.9 mg·kg~(-1))。添加生物炭降低了接种蚯蚓处理CO_2累积排放量,但仅高剂量生物炭添加处理(SHE)与无生物炭处理(SE)间存在显著差异。主体间效应检验结果显示,蚯蚓、生物炭均对土壤CO_2和N_2O累积排放量产生显著影响,蚯蚓和生物炭的交互作用仅对N_2O累积排放量产生显著影响。此外,在所有处理中,添加生物炭均增加土壤pH值,降低土壤无机氮含量。因此,高剂量生物炭施用可能通过提高土壤pH值、降低土壤无机氮含量和对蚯蚓活性的影响来抑制蚯蚓作用下的土壤N_2O和CO_2排放。     

改性生物炭对小白菜生长和磷素吸收的影响

华南地区蔬菜地土壤磷极易被固定,磷的生物有效性极低。生物炭作为一种土壤改良剂,能够改善土壤的理化性质,提高磷的生物有效性,促进植物磷素吸收和生长。采用田间小区试验,设置5个改性生物炭施用水平:F0(0)、F1(2 250kg·hm~(-2))、F2(4 500 kg·hm~(-2))、F3(6 750 kg·hm~(-2))、F4(11 250 kg·hm~(-2)),研究改性生物炭对小白菜生长和磷素吸收的影响,以期为改性生物炭在蔬菜保质保量生产上的应用提供理论依据。结果表明:在施用改性生物炭处理中,土壤有机质含量均呈增加趋势,增加幅度为3.28%～17.98%,仅F4(11 250kg·hm~(-2))处理与其他处理相比差异达显著水平(F=4.28,P=0.028);改性生物炭可以提高小白菜产量,提高幅度为6.92%～32.04%;改性生物炭的施用可以降低硝酸盐含量,与对照相比,F2(4 500 kg·hm~(-2))和F3(6 750 kg·hm~(-2))处理小白菜硝酸盐含量显著降低,分别降低幅度14.86%和9.92%;改性生物炭的施用可以提高维生素C和可溶性糖含量,提高小白菜的吸磷量,其中F3(6 750 kg·hm~(-2))和F4(11 250 kg·hm~(-2))处理提高幅度最大,且与对照差异显著(F=11.71,P=0.001)。总体而言,改性生物炭可以提高蔬菜的产量,改善蔬菜品质,提高蔬菜对磷的吸收。     

氮肥配施生物炭对旱地土壤养分和玉米根系径级分布的影响

为了缓解玉米连作带来的土壤养分失衡及根系早衰,探讨生物炭对土壤养分、玉米根系生长的主要径级水平、玉米干物质积累的后效作用。采用定位试验,设置不施氮肥、不施生物炭为对照(CK),2个施氮量(常规施N量225 kg·hm~(-2),N1;减氮10%,N 203 kg·hm~(-2),N2),2个生物炭量(8.4 t·hm~(-2),C1;21 t·hm~(-2),C2)共7个处理。在生物炭施用第二年,测定玉米不同径级根系生长及土壤养分含量。结果表明,与对照(CK)相比,常规施氮配施低量生物炭(N1C1)和减氮配施高量生物炭(N2C2)显著提高了土壤有机质含量;高量生物炭配施氮肥(N1C2和N2C2)分别提高土壤碱解氮储存量29.9%和9.0%;N1C2和N2C1处理显著提高土壤全氮含量。减氮配施低量生物炭(N2C1)促进大喇叭口期玉米0—2 mm径级根系的根长较CK提高38.9%(P?0.05,下同);低量生物炭配施常规氮肥(N1C1)促进成熟期玉米根系变细13.4%、根系变长32.4%,提高0—2 mm径级根系的总根长37.9%;单施氮肥或配施生物炭对2—3、3—4径级的根长无显著影响;常规单施氮肥(N1C0)较CK显著提高4 mm径级根系根长约40.5%。低量生物炭配施常规氮肥(N1C1)提高大喇叭口期玉米单株干物质积累53.16 g·plant~(-1)。综上,研究结果说明,8.4 t·hm~(-2)生物炭配施225 kg·hm~(-2)氮肥能更好地促进成熟期玉米细根生长。单施氮肥和配施21 t·hm~(-2)生物炭均可促进土壤养分的固持。该研究结果为秸秆循环利用提供科学参考,同时为优化玉米根系结构提供新思路。     

稻草覆盖对旱地土壤CO_2排放的影响

在中国南方丘陵地区,稻田与旱地交错相接,将稻草移施旱地不仅可以减缓稻田甲烷排放,而且可以提高旱地土壤肥力,但对旱地土壤CO_2排放的影响尚缺乏了解。选取油菜(Brassica campestris L.)-玉米(Zea mays L.)轮作土壤为研究对象,每季作物分别覆盖5 000 kg·hm~(-2)稻草(SM),以不覆盖稻草为对照(CK),采用静态箱-气相色谱法监测油菜-玉米轮作周期内的土壤CO_2排放动态,同时监测了5 cm深度土壤温度和含水量。结果表明,(1)稻草覆盖在低温季节提高土壤温度,在高温季节降低土壤温度;同时,稻草覆盖有助于保持土壤水分,可以缓解一定程度的干旱。(2)土壤CO_2通量具有明显的季节性,与土壤温度呈极显著正相关(r=0.736,P=0.000)。(3)稻草覆盖显著促进土壤CO_2排放。油菜季稻草覆盖处理和对照处理的CO_2通量平均值分别为34.0 mg·m~(-2)·h-1和21.2 mg·m~(-2)·h-1,CO_2累积排放量分别为3 723 kg·hm~(-2)和5 981 kg·hm~(-2)。玉米季稻草覆盖处理和对照处理的CO_2通量平均值分别为279.9 mg·m~(-2)·h-1和221.6 mg·m~(-2)·h-1,CO_2累计排放量分别为7 591kg·hm~(-2)和6 009 kg·hm~(-2)。全年(包括无作物生长期间)稻草覆盖和对照处理的CO_2累计排放量分别达到15 131 kg·hm~(-2)和11 220kg·hm~(-2),稻草覆盖增加了34%的CO_2排放。     

稻秸的不同组分对水稻土甲烷和二氧化碳排放的影响

在水稻土中添加稻秸(稻草)的不同组分后对其甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的排放特征及土壤的微生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)进行了观测,并分析其相关关系,以探讨稻秸的不同组分对CH_4和CO_2排放的影响,揭示秸秆还田稻田温室气体排放的机制和来源机理,以期为合理进行秸秆还田,减少温室气体排放提供科学依据。采用室内恒温培养试验,向水稻土中添加稻秸的4种不同组分(原稻秸、腐解稻秸、可溶性有机物和去活稻秸),培养期间定期采样分析CH_4和CO_2的浓度及MBC和DOC的动态变化。结果表明:添加稻秸各组分后,在培养的前20 d各处理CO_2排放速率较高并出现排放高峰,在20 d后基本趋于稳定。整个培养期间,CO2排放量高低顺序为:稻秸处理(2.82 g·kg~(-1))可溶性有机物处理(2.24 g·kg~(-1))去活稻秸处理(1.97 g·kg~(-1))腐解稻秸处理(1.86 g·kg~(-1));整个培养期间,各处理CH4排放速率呈现波动变化,CH_4排放量高低顺序为:原稻秸处理(83.58 mg·kg~(-1))去活稻秸处理(75.94 mg·kg~(-1))腐解稻秸处理(57.66 mg·kg~(-1))可溶性有机物处理(20.08 mg·kg~(-1))。CO_2排放速率与DOC、稻秸组分C/N呈显著相关;CH_4排放速率与MBC呈显著相关。稻秸组分施入水稻土后均能显著提高土壤CH_4的排放速率和排放量,对土壤原有有机碳存在激发效应,以原稻秸激发效应最大;不同外源有机物对土壤有机碳的激发效应不同;CO_2的排放主要集中在稻秸中易分解物质的快速分解阶段;在稻秸的易分解物质的快速分解阶段和难分解物质的缓慢分解阶段,均有CH_4产生,缓慢分解阶段产生的CH_4不容忽视。     

基于DNDC模型多因子对马铃薯田N_2O排放和产量的影响研究

如何在确保粮食保产增产的同时,减少农田温室气体排放,是中国应对全球气候变化的当务之急。为了探究氮肥对马铃薯(Solanum tuberosum)田土壤N_2O排放和产量的影响,以及更全面验证DNDC模型对于马铃薯田N_2O排放和产量预测的适用性,选择沈阳市自然降水条件下的马铃薯田为研究对象,设计不施氮(0 kg·hm~(-2))、低氮(75 kg·hm~(-2))、中氮(150 kg·hm~(-2))和高氮(225 kg·hm~(-2))4个施氮水平,采用静态箱-气相色谱法对土壤N_2O气体排放进行田间原位观测,并运用DNDC模型探究多因子对马铃薯田N_2O排放和产量的影响。结果表明,(1)DNDC模型对于马铃薯田N_2O排放和产量均具有较好的模拟效果。2017年和2018年N_2O排放模拟结果,模型效率指数EF分别在0.45-0.76和0.41-0.73之间。产量模拟结果,2017年:EF=0.91,R2=0.97,P=0.017;2018年:EF=0.85,R~2=0.95,P=0.027。(2)年降雨量、土壤有机碳含量(SOC)、土壤容重、土壤pH值对马铃薯生育期N_2O累计排放的影响较明显,且均呈现正相关关系。年降雨量、年均温度、CO2质量浓度、施氮水平对马铃薯产量的影响较明显,其中年降雨量、CO_2质量浓度、施氮水平与马铃薯产量呈正相关关系,年均温度与马铃薯产量呈负相关关系。(3)保持水分正常供给的前提下,该地区五日滑动平均温度稳定通过10℃后的5 d内播种马铃薯,即可保证马铃薯正常生长的温度条件,达到保产增产的目的。     

秸秆生物炭对菜地N_2O、CO_2与CH_4排放及土壤化学性质的影响

通过盆栽模拟试验,探究玉米秸秆生物炭施用对菜地温室气体N2O、CO2与CH4排放及土壤理化性质的影响。结果表明,生物炭施用抑制了菜地N2O排放,NB1(施N 400 kg·hm-2,生物炭20 t·hm-2)和NB2(施N 400kg·hm-2,生物炭40 t·hm-2)的N2O累积排放量分别比N处理(施N 400 kg·hm-2)低76.4%和70.7%,但抑制效应并未随生物炭用量的增加而加强。生物炭施用增强了CO2排放,但对CH4排放影响不显著。NB1和NB2累积CO2排放量分别为N处理的1.8和2.1倍,不容忽视的是,这2种处理同时增加了土壤中有机碳含量,分别比N处理高15.2%与21.3%。NB1和NB2在不降低甚至提高蔬菜产量的基础上,提高了土壤中NH4+-N含量与p H值,降低了NO3--N含量。p H值和NH4+-N含量分别平均比N处理高0.265和34.9%,NO3--N含量平均比N处理低12.7%,因此生物炭具有减排N2O与改良菜地土壤质量的巨大潜力。但生物炭引起的CO2排放以及对土壤有机碳增加的净影响效应尚需进一步研究。     

氮沉降增加对贝加尔针茅草原土壤微生物群落结构的影响

土壤微生物是草原土壤生态系统的重要组成部分。为研究氮沉降增加对草原土壤微生物群落结构的影响,以内蒙古贝加尔针茅草原为研究对象,开展连续6年(2010—2015年)模拟氮沉降试验,以N计算,设置:N0(0 kg·hm~(-2))、N50(50kg·hm~(-2))、N100(100 kg·hm~(-2))、N150(150 kg·hm~(-2))和N300(300 kg·hm~(-2))5个处理,采用磷脂脂肪酸(PLFA)技术测定0~10 cm土壤特征微生物PLFA生物标记数量并探讨土壤微生物群落结构对氮沉降的响应。结果表明:随氮添加量增大,土壤微生物总PLFAs、细菌PLFAs、革兰氏阳性细菌PLFAs、革兰氏阴性细菌PLFAs和放线菌PLFAs含量呈先升高后降低的趋势,均以N100(100 kg·hm~(-2))处理最高。土壤微生物群落PLFA标记的主成分分析显示,不同氮添加下土壤微生物PLFA标记有显著差异。相关分析表明,土壤革兰氏阳性菌、放线菌PLFA含量、G~+/G~-与土壤p H值呈显著负相关,土壤微生物总PLFAs、土壤细菌PLFAs、革兰氏阳性菌PLFAs、革兰氏阴性菌PLFAs、放线菌PLFAs和饱和脂肪酸PLFAs含量均与土壤速效磷含量呈显著正相关。综合研究表明,连续6年氮添加改变了贝加尔针茅草原土壤微生物群落结构,土壤p H值和土壤速效磷含量是驱动这种变化的主要因素。     

碳、氮添加对高寒草甸植物群落物种多样性和生物量的影响

氮素对青藏高原高寒草甸植物群落结构和生物量的影响尚存争议,而外源碳对青藏高寒草甸植物群落结构和生物量的影响鲜见。该研究在西藏那曲封育草甸开展为期4年的多梯度碳(蔗糖)、氮(尿素)添加试验,探究碳、氮添加对高寒草甸植物群落物种多样性特征、生物量以及群落物种多样性指数与生物量之间的相关关系。结果表明,(1)碳×氮交互作用对高寒草甸植物群落地上生物量有显著增加的作用(P0.05),与对照4年地上部分植物生物量总和(549.1 g·m~(-2))相比,在N100 kg·hm~(-2)、C60kg·hm~(-2)、C120 kg·hm~(-2)添加处理下,4年地上部分植物生物量总和增加到了747.5、692.6、730.4g·m~(-2)。其中N100 kg·hm~(-2)、C60kg·hm~(-2)×N 50 kg·hm~(-2)×C 60 kg·hm~(-2)×N100 kg·hm~(-2)、C 60 kg·hm~(-2)×N 100kg·hm~(-2)和C 120kg·hm~(-2)×N 100 kg·hm~(-2)添加处理对高寒草甸植物群落地上生物量的影响不显著。(2)4年碳、氮添加研究结果显示,碳、氮分别添加以及碳氮交互作用对高寒草甸植物群落物种多样性没有显著影响。(3)地上植物群落生物量与群落物种多样性指数之间从2011到2014年均没有显著的相关关系。4年地上部分植物生物量总和与4年总体植物群落物种多样性指数之间有显著的负相关关系(P0.01),但相关性较为微弱(r~2=0.159)。     

10年氮添加未显著影响苦竹林土壤磷组分

土壤磷(P)的可利用性是影响植物生长发育的重要因素。以研究氮(N)添加对土壤P组分的影响为切入点,探讨长期N沉降增加对竹林生态系统中土壤P素可利用性及P循环的影响,对预测该区域大气N沉降持续增加背景下人工竹林系统P素状态的变化具有重要意义。于2007年10月在苦竹(Pleioblastus amarus)林中建立模拟N沉降试验样地,设置对照(CK,0g·m~(-2)·a~(-1))、低N(LN,5g·m~(-2)·a~(-1))、中N(MN,15g·m~(-2)·a~(-1))和高N(HN,30g·m~(-2)·a~(-1))4个处理,每个处理设置3个重复。从2007年10月—2017年10月,每月下旬进行N添加处理。在连续N添加处理10a后,于2017年4月采集0~10cm土壤样品并测定土壤P组分、土壤微生物生物量P含量、土壤酸性磷酸酶活性及土壤pH。结果表明:该苦竹林土壤总P质量分数为0.64mg·g~(-1),其中残渣P约占77.0%,有机P占15.0%,无机P占8.0%。CK处理下,碳酸氢钠和氢氧化钠提取的无机P组分(NaHCO3-Pi和NaOH-Pi)质量分数分别为0.26mg·kg~(-1)和4.26mg·kg~(-1),N处理分别使其增加了100.0%~157.7%和43.2%~70.0%,但未达到统计学显著水平(P0.05)。另外,N添加处理未显著影响土壤pH、土壤酸性磷酸酶活性和土壤微生物生物量P(P0.05)。研究结果表明,长期N添加未显著影响苦竹林土壤酸性磷酸酶活性、土壤总P含量以及各个P组分的分配(P0.05),这说明长期N添加未显著影响土壤P素可利用性。在未来一段时间内,该林分的P素循环可能不会受到大气N沉降增加的强烈影响。     

不同UV-B辐射增幅对稻田土壤酶活性、活性有机碳含量及温室气体排放的影响

UV-B辐射增强对整个农业生态系统产生不同程度的影响,为探讨不同UV-B辐射增幅对稻田土壤碳转化和温室气体排放的影响,在元阳梯田稻田原位种植农家水稻品种白脚老粳,通过人工模拟不同UV-B辐射增幅(0、2.5、5.0、7.5 k J·m~(-2)),研究不同UV-B辐射增幅对水稻生长期稻田土壤碳转化酶活性、活性有机碳含量和CH_4、CO_2、N_2O排放的影响。结果表明,5.0 k J·m~(-2) UV-B辐射处理导致稻田土壤纤维素酶活性显著增加,增幅范围为15.4%—37.7%;而7.5 k J·m~(-2) UV-B辐射导致土壤碳转化酶(纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶和蔗糖酶)活性显著降低。UV-B辐射增强导致土壤溶解性有机碳含量显著增加,而易氧化有机碳和微生物量碳含量减少。3个强度的UV-B辐射增幅处理均使稻田CH_4排放量显著减少,降幅范围为7.5%—30.6%;5.0 k J·m~(-2) UV-B辐射处理显著增加稻田CO_2、N_2O排放量,而7.5 k J·m~(-2) UV-B辐射导致稻田CO_2、N_2O排放降低;综合而言,UV-B辐射增强导致稻田3种温室气体的全球增温潜能降低。此外,土壤中多酚氧化酶活性与微生物量碳、易氧化有机碳含量呈显著正相关(P0.05),CH4排放通量与微生物量碳含量呈极显著正相关(P0.01)。可见,随UV-B辐射增强稻田土壤多酚氧化酶活性降低,进而减少易氧化有机碳和微生物量碳含量,最终导致稻田CH_4排放减少、CO_2和N_2O排放增加。     

生物炭与有机肥配施对菜地温室气体强度的影响

采用盆栽模拟研究方法,设置对照(CK)、只施氮肥(U)、氮肥与有机肥配施(UM)、氮肥与生物炭配施(UB)以及氮肥、有机肥与生物炭配施(UMB)共5个处理,探究生物炭与有机肥施用对菜地N_2O、CH_4与CO_2排放以及全球增温潜势(GWP)、温室气体强度(GHGI)、N_2O-N排放系数的影响.结果表明,整个观测期间,N_2O排放变幅较大,达0.02-1 559.77μg m~(-2)h~(-1),CH_4排放变幅较小,为-0.09-0.25 mg m~(-2)h~(-1).与N_2O、CH_4相比,处理间CO_2排放通量具有更为相近的波动规律. UB与UMB能显著降低N_2O排放,其中UMB抑制效果最佳,仅为U处理的14.1%. 5个处理间CH_4累积排放量无显著差异,表明氮肥、有机肥与生物炭均非影响CH_4排放的主要原因. UB与UMB间累积CO_2排放量无差异,但二者均显著高于U与UM处理,证明生物炭施用促进了CO_2释放.菜心与苋菜产量均以UMB最高,两种蔬菜产量分别比U处理高25.6%与29.5%. GWP与GHGI均以UMB最低(除对照外),分别为919±266 kg/hm~2与0.04±0.01 kg/kg. UMB的N_2O-N排放系数最低(0.37%),仅为U处理的11.5%.综上所述,生物炭与有机肥配施处理在不降低蔬菜产量的基础上,既能抑制N_2O排放,降低GWP、GHGI与N_2O-N排放系数,又能降低化学氮肥投入量,是值得推荐的施肥措施.考虑到生物炭施用显著促进CO_2排放,需要进一步探究生物炭与有机肥配施的综合净温室效应.(图1表2参45)     

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。     

氮沉降对贝加尔针茅草原土壤酶活性的影响

草原土壤酶作为土壤中最活跃的组分,影响生态系统的物质循环过程,其活性能快速反映氮沉降对土壤环境的变化。以内蒙古贝加尔针茅草原为研究对象,于2010年开始实施模拟氮沉降试验,设置对照(N0,0 kg·hm~(-2)·a~(-1))、低氮(N30,30 kg·hm~(-2)·a~(-1);N50,50 kg·hm~(-2)·a~(-1))、高氮(N100,100 kg·hm~(-2)·a~(-1);N150,150 kg·hm~(-2)·a~(-1);N200,200 kg·hm~(-2)·a~(-1))6种氮处理,研究不同氮沉降水平对贝加尔针茅草原土壤6种酶(脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、多酚氧化酶和蔗糖酶)活性影响。结果表明,0~10 cm土层,与对照相比,氮沉降处理均降低了土壤脲酶(1.32%~24.54%)、过氧化氢酶(10.34%~46.41%)、过氧化物酶(40.54%~271.43%)和蔗糖酶(2.88%~7.31%)活性。同一氮处理水平,不同深度土层的脲酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性表现为0~10 cm10~20 cm。相关分析表明,土壤含水量、p H、有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、微生物生物量碳和微生物生物量氮含量与酶活性具有显著相关性(P0.05)。以上结果表明,氮沉降通过改变草原土壤的环境因子,影响土壤酶活性。     

内蒙古大青山4种典型植被类型生态系统服务权衡与协同

分析生物多样性、土壤肥力、水源涵养、固碳能力等4种生态系统服务间的权衡与协同关系,从而为大青山植被合理经营提供理论依据。以内蒙古大青山白桦(Betula platyphylla)天然次生林、华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林、虎榛子(Ostryopsis davidiana)天然灌丛和天然草地等4种植被类型为研究对象,利用均方根偏差(RMSD)对区域生态系统服务的权衡与协同关系进行了研究,并对各生态系统服务的贡献进行了分析。结果表明,4种植被类型生物多样性为:白桦天然次生林(2.81)虎榛子天然灌丛(1.84)华北落叶松人工林(1.80)天然草地(1.78);土壤肥力为:白桦天然次生林(71.14 g·kg~(-1))华北落叶松人工林(57.01 g·kg~(-1))虎榛子天然灌丛(52.50 g·kg~(-1))天然草地(35.58 g·kg~(-1));水源涵养为:白桦天然次生林(618.42 t·hm~(-2))华北落叶松人工林(603.30 t·hm~(-2))虎榛子天然灌丛(573.85 t·hm~(-2))天然草地(561.02 t·hm~(-2));固碳能力为:华北落叶松人工林(468.92 t·hm~(-2))虎榛子天然灌丛(415.31 t·hm~(-2))白桦天然次生林(291.97 t·hm~(-2))天然草地(129.37 t·hm~(-2))。4种植被类型生态系统服务之间均属于权衡关系,其中白桦天然次生林的生物多样性分别与水源涵养、土壤肥力和固碳能力呈中等程度的权衡(ERMSD=0.149、0.159、0.145),表现为水源涵养具有较高的收益。华北落叶松人工林的固碳能力与生物多样性、水源涵养和土壤肥力呈较高程度的权衡(ERMSD=0.214、0.183、0.184),表现为固碳能力具有较高的收益。各植被类型的4种生态系统服务存在一定差异,白桦天然次生林的水源涵养能力强于其他生态系统服务,华北落叶松人工林的固碳能力占重要地位。由此可知,适当调整经营措施,提高人工林的生物多样性,同时注重改善天然林的固碳能力,可维持内蒙古大青山森林生态系统服务的平衡发展。     

粪食性金龟功能群对草原牛粪分解过程中温室气体排放的影响

粪食性金龟作为生态系统的工程师,在动物粪便分解和有机质转移中具有重要作用。通过在内蒙古典型草原区设立粪分解隔离实验,设置无粪金龟处理(T0)、泥蜉金龟(Aphodius sordecens)处理(T1)、小驼嗡蜣螂(Onthophagus gibbulus)处理(T2)、2种粪金龟组合处理(T3)和仅土壤对照处理(CK)5个处理,测定各处理牛粪分解过程中二氧化碳(CO_2)、甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O)排放通量后计算得到CO_2总量,并分析温室气体排放通量与环境因子之间的关系。结果表明,CK处理牛粪分解产生温室气体主要为CO_2(2 106 mg·m~(-2)·h~(-1)),而CH_4(2.769 mg·m~(-2)·h~(-1))和N_2O(0.019 mg·m~(-2)·h~(-1))较少。与T0处理相比,T1处理CO_2总量(2 657 mg·m~(-2)·h~(-1))显著增加(P0.05),而T2处理(2 422 mg·m~(-2)·h~(-1))和T3处理(2 398 mg·m~(-2)·h~(-1))CO_2总量无显著差异(P0.05)。不同粪食性金龟功能群对温室气体排放的影响随粪便分解时间和环境条件而异,在新鲜粪便期,T2处理温室气体排放显著减少(P0.05),而T1和T3处理变化不显著(P0.05);在粪便干燥期,粪金龟对温室气体排放影响不显著(P0.05)。温室气体排放通量与土壤温度呈显著正相关(P0.001),中等湿度条件下甲烷(P0.001)和二氧化碳(P0.01)通量较高。适当的温度和湿度条件会促进草原牛粪分解过程的温室气体排放,2种粪食性金龟均可在不同时期影响粪便分解过程中温室气体排放量。     

增温对冬小麦根系残体及秸秆分解特性的影响

研究增温条件下冬小麦根系残体和秸秆在土壤中的分解系数的变异规律及影响因素,可为探讨农田土壤-作物系统碳循环对气候变暖的长期响应规律提供理论依据和数据支撑。为研究一个生长季的昼夜连续增温对冬小麦根系残体及秸秆分解系数以及分解后土壤酶活性等理化性质的影响,采集田间经过一个生长季昼夜增温处理的根系残体(W-根)和秸秆(W-秸秆)以及不增温处理(对照)的根系残体(CK-根)和秸秆(CK-秸秆),设置W-根、W-秸秆、CK-根、CK-秸秆的4个添加处理,每个处理设置4个添加水平(0.3、0.6、0.9、1.2g),将这些根系残体和秸秆添加到土壤中进行培养瓶培养,测定了不同处理下的土壤CO_2排放量及培养后的pH、水溶性有机碳(DOC)含量、脲酶活性、转化酶活性、过氧化氢酶活性。结果表明,土壤CO_2排放量与残体添加量之间存在极显著的一元线性回归关系,线性方程的斜率即代表了不同残体的分解系数。W-根的分解系数为(0.269 9±0.008 0) mg?g~(-1)?g~(-1),显著高于CK-根的分解系数(0.240 7±0.009 0) mg?g~(-1)?g~(-1);而W-秸秆的分解系数为(0.257 3±0.003 0) mg?g~(-1)?g~(-1),CK-秸秆的分解系数为(0.258 7±0.015 0) mg?g~(-1)?g~(-1),差异不显著(P0.05)。不同处理下土壤CO_2排放量随土壤pH的增大而极显著(P0.001)减小,随土壤DOC含量的增大而极显著(P0.001)增大。不同处理下土壤CO_2排放量与土壤脲酶、转化酶、过氧化氢酶活性均存在极显著(P0.001)的自然对数回归关系,土壤脲酶、转化酶、过氧化氢酶活性分别可解释75.7%(R~2=0.757)、80.3%(R~2=0.803)、92.7%(R~2=0.927)的土壤CO_2排放量的变异。研究表明,增温显著提高了冬小麦根系残体的分解系数,但对冬小麦秸秆的分解系数无显著影响。根系残体和秸秆在土壤中分解所释放的CO_2量与酶活性存在自然对数回归关系。     

玉米秸秆生物炭和碳骨架的制备及对农田土壤CO2排放的影响

为探明生物炭对黄土高原石灰性农田土壤CO_2排放的影响及机理,于400、600和800℃条件下制备玉米秸秆生物炭(BC),并采用热水浸提法制备碳骨架(BS)。在分析材料基本性质的基础上,将其分别按质量比1%和2%与土壤充分混匀,开展为期50 d的室内静态土壤培养实验。结果表明,随着热解温度的升高(从400℃上升到800℃),玉米秸秆生物炭和碳骨架的pH值和总碱性含氧官能团含量显著增加,而溶解性有机碳(DOC)含量、易氧化有机碳(ROC)含量和总酸性含氧官能团含量则显著降低(P0.05)。碳骨架DOC和ROC含量均显著低于同一热解温度条件下制得的生物炭(P0.05)。随着添加材料(生物炭或碳骨架)热解温度的升高,各处理CO_2累积排放量呈降低趋势,且添加生物炭处理的CO_2累积排放量高于添加碳骨架处理,尤其是BC-2%处理CO_2累积排放量显著高于BS-1%处理(P0.05)。在整个培养过程中,培养体系的DOC和ROC含量均呈降低趋势,但DOC含量降低幅度(87.90%～89.18%)大于ROC含量(19.29%～38.49%);培养过程中400、600和800℃处理DOC和ROC含量均呈BC-2%BC-1%/BS-2%BS-1%对照趋势。在添加生物炭或碳骨架处理中,与ROC含量相比,DOC含量对CO_2排放变化的解释程度更高,且达到显著水平(P0.01)。DOC和ROC含量均是影响黄土高原石灰性农田土壤CO_2排放的重要因素,但相比较而言,DOC含量的影响更加显著。     

基于DNDC模型覆膜马铃薯N_2O减排增产的优化施氮量研究

为了探究马铃薯(Solanum tuberosum)田苗期不覆膜和苗期覆膜处理下土壤N_2O减排和增产兼顾的最优施氮量,并验证DNDC模型对于马铃薯田土壤N_2O排放和产量预测的适用性,以沈阳市自然降水条件下的马铃薯田为研究对象,设计不施氮肥(0 kg·hm~(-2))、低氮(75 kg·hm~(-2))、中氮(150 kg·hm~(-2))和高氮(225 kg·hm~(-2))4种施氮水平,每种氮肥水平包括苗期不覆膜与苗期覆膜两种处理,采用静态箱-气相色谱法对土壤N_2O气体排放进行田间原位观测,并运用DNDC模型进一步探究马铃薯田减排增产最优施氮量,结果对于促进马铃薯田温室气体减排和增产协调兼顾的旱地农业可持续发展具有积极意义。结果表明,DNDC模型可以准确地模拟马铃薯田不覆膜处理下不同施氮水平N_2O排放状况,模型效率指数在0.72~0.94之间;在覆膜处理中,低、中、高施氮量模型效率指数较苗期不覆膜处理分别下降0.21、0.52和0.50,不施氮肥处理下,模型效率指数为负值,模型不能模拟N_2O排放;DNDC模型对于各处理下马铃薯产量均有较准确的模拟效果。DNDC模型进一步表明,不覆膜状态下马铃薯田增产兼顾减排的施氮量为90~105 kg·hm~(-2);减排兼顾增产的施氮量为75~90 kg·hm~(-2)。由于DNDC模型对于覆膜处理下马铃薯田N_2O排放模拟效果不佳,通过大田实验数据分析得出:苗期覆膜可以有效增产和减少土壤N_2O排放,综合马铃薯产量和土壤N_2O减排的环保施氮量可在75 kg·hm~(-2)的基础上有所增加,但需低于150 kg·hm~(-2)。