小麦-玉米轮作体系农田氮素淋失特征及氮素表观平衡

连续6年采用渗漏计法研究了不同施氮处理下陕西关中小麦-玉米轮作区农田土壤90 cm深度处氮素(N)淋失特征和土壤-作物体系氮素表观平衡状况.结果表明:该地区农田氮素淋溶主要发生在降雨量较多的玉米季,且集中在8月和9月.监测期内,TN和NO-3-N年平均流失量分别为2.72~23.07 kg·hm-2和1.53~18.72 kg·hm-2,年流失率分别为0.65%~3.44%和0.82%~3.32%,且年总氮、硝态氮流失量均随年施氮量增加呈指数增加.氮素淋失形态中,NO-3-N比例较高,可占总氮淋失量的56.00%~81.00%,且随着氮肥用量的降低,其占总氮淋失量的比例也随之减小.可见,施氮量的大小在一定程度上会影响淋失液中各形态氮的比例.氮素表观平衡结果显示,随着施氮量提高,氮素在土壤中的残留和表观氮盈余均呈现指数增加趋势.长期施氮条件下,土壤-作物体系氮素表观损失率的幅度为32.60%~55.20%,土壤表观残留率为-0.17%~8.20%.多年监测结果表明,优化施氮模式下,作物不仅可以获得较高的产量和氮肥利用率,农田氮素淋失量也大幅降低,在节约肥料资源的同时减轻了潜在的环境风险.     

柠檬酸对重金属复合污染土壤的浸提效果研究

以浙江富阳某炼铜厂附近受Cd、Cu、Pb和Zn复合污染的土壤为研究对象,采用振荡、静置和超声3种不同浸提方式,通过研究柠檬酸在不同浸提方式下对重金属的去除效果,筛选出最佳柠檬酸浓度、处理时间及功率,并采用Tessier连续提取法分析浸提前后4种重金属形态变化.结果表明,柠檬酸对4种重金属均具有较好的去除效果,其中对Zn的去除效果最好,Cd的去除效果最差,而Cu和Pb的去除效果相当.Pb和Zn的去除率均随着柠檬酸浓度的增加而增加,但增幅随之减小,Cu的去除率则先增加后基本保持不变,而Cd的去除率变化不明显.综合考虑成本和浸提效果后,选用0.2 mol·L-1柠檬酸浸提2次为最优条件,最佳振荡时间和静置时间分别为4 h和24 h,最佳超声时间和功率分别为30 min和500 W.柠檬酸能够在很大程度上改变土壤中重金属的形态分布,主要去除以可交换态和碳酸盐结合态形式存在的Cd及以碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态形式存在的Cu、Pb和Zn.通过对比3种浸提方式,在同等去除效果的前提下,静置浸提相比振荡浸提需要更长的时间,而将超声波应用于重金属污染土壤淋洗,所需时间较少,因此,超声波辅助浸提土壤中重金属是可行的,具有良好的应用前景.     

土壤颗粒对纳米TiO_2悬浮稳定性作用机制的实验研究

在不含表面活性剂和含有表面活性剂两种条件下,研究了土壤颗粒对纳米TiO2(nTiO2)悬浮稳定性的影响.结果表明,土壤颗粒降低了nTiO2在水相中的悬浮稳定性.当体系中不含表面活性剂时,nTiO2在土壤大颗粒上的沉积是导致nTiO2脱稳沉淀的主要原因.在含有表面活性剂的溶液中,土壤颗粒降低nTiO2悬浮稳定性的作用变得更加明显了.一方面,表面活性剂加速了土壤颗粒本身的沉降从而增强了nTiO2在其中的沉降,另一方面,表面活性剂在土壤上的强烈吸附促进了表面活性剂-nTiO2在土壤上的沉积.扫描电镜显示,nTiO2不仅吸附在土壤大颗粒上,还会吸附在土壤小颗粒表面.3种表面活性剂中,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)悬浮的nTiO2与土壤颗粒共沉淀现象最明显.除了土壤对CTAB的吸附作用之外,XDLVO/DLVO能量计算显示CTAB体系中土壤颗粒与nTiO2之间存在显著第二极小值,表明nTiO2能够在第二极小值位置与土壤颗粒结合,从而与土壤颗粒一起快速沉淀.     

节水灌溉与控释肥施用对太湖地区稻田土壤氮素渗漏流失的影响

在太湖流域采用田间小区试验研究了干湿交替节水灌溉与控释肥(控释BB肥与树脂包膜尿素)施用对稻田30 cm深土壤渗漏水总氮(TN)、铵态氮(NH+4-N)、硝态氮(NO-3-N)和亚硝态氮(NO-2-N)浓度的动态变化及氮素淋失的影响.结果表明:各处理渗漏水TN、NH+4-N和NO-2-N浓度均在施肥后10 d内达到高峰,然后逐渐下降.渗漏水氮素以NH+4-N(0.22~15.15 mg·L-1)为主,平均占TN 70.1%,NO-3-N(0.10~0.95 mg·L-1)占TN比例较低,平均为13.0%,NO-2-N(0~0.24 mg·L-1)平均仅占TN 1.3%.与淹灌相比,节灌对稻田渗漏水氮素浓度及各氮素占总氮的比例影响不大,但降低了14.2%的渗漏水量和9.4%的TN淋失量.施氮显著提高了渗漏水氮素浓度以及NH+4-N和NO-2-N占TN的比例.控释BB肥和树脂包膜尿素较常规尿素处理水稻全生育期渗漏水TN平均浓度分别降低10.2%和43.3%,TN淋失量分别降低26.1%和39.5%.综上,干湿交替节灌结合树脂包膜尿素施用有利于降低氮素渗漏损失,促进农田面源污染减排.     

稻田土壤反硝化厌氧甲烷氧化菌的时空分布与群落结构分析

由"Candidatus Methylomirabilis oxyfera"主导发生的以甲烷和亚硝酸盐为底物的反硝化厌氧甲烷氧化反应(nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing,n-damo)的发现,将生物地球化学碳循环和氮循环以新的方式结合起来.本研究以夏季和冬季江阴稻田土壤柱状样品为研究对象,对稻田土壤M.oxyfera-like菌的时空分布和群落结构进行了考察.M.oxyfera-like菌16S rRNA基因的定量PCR结果显示M.oxyfera-like菌的丰度随着土壤深度的增加而增加,且无明显季节性差异,60~200 cm深度的稻田土壤是M.oxyfera-like菌的高丰度区域.M.oxyfera-like菌pmo A基因的系统发育分析和生物多样性分析显示M.oxyfera-like菌的群落结构具有一定的时空异质性,且生物多样性随着土壤深度的增加而增加.这些结果都说明江阴稻田深层土壤(60~200 cm)是适宜M.oxyfera-like菌生存的生态环境.     

黄壤表面电场作用下Cu~(2+)与Zn~(2+)的吸附/解吸动力学研究

利用静态恒流法研究了黄壤表面电场作用下Cu2+与Zn2+的吸附/解吸动力学.结果发现:考虑黄壤表面电场作用下,Cu2+和Zn2+的吸附实验呈现初期强吸附作用下的零级动力学过程和一定时间之后弱吸附作用下的一级动力学过程,与理论预期一致;在Cu2+和Zn2+的解吸实验中,只有前期出现了弱吸附作用下的一级动力学过程,实验结果与理论预期存在差别,原因在于专性吸附的Cu2+、Zn2+很难被解吸下来;在交换/吸附实验中,Cu2+的吸附速率值和平衡吸附量均大于Zn2+,且Cu2+-K+体系的表面电化学参数φ0、σ0、E0均大于Zn2+-K+体系中的对应值,证明了黄壤颗粒表面对Cu2+的吸附作用强于Zn2+;在交换/解吸实验中,Zn2+的解吸速率值和平衡解吸量均大于Cu2+,Zn2+-K+体系的表面电化学参数φ0、σ0、E0均大于Cu2+-K+体系中的对应值,证明Zn2+-K+体系中Zn2+的解吸作用比Cu2+-K+体系中的Cu2+解吸作用强.     

亚热带丘陵小流域土壤有效磷空间变异与淋失风险研究

肥料过施导致的土壤磷素累积和淋失是农业面源污染的重要方面.以湖南省长沙县金井镇脱甲河小流域(52 km2)为研究区,采用高密度布点采样、Arc GIS软件和属性相似反距离加权插值法研究了亚热带丘陵小流域表层(0~20 cm)土壤有效磷(Olsen-P)含量(以P计,下同)的空间分布特征与磷素的淋失风险.结果表明,菜地、果园、稻田和茶园土壤Olsen-P平均含量为62.0、16.1、14.4和13.7 mg·kg-1,是林地(平均含量为2.36 mg·kg-1)的5.8~26.3倍.5个土地利用类型土壤Olsen-P含量均具有高等变异水平和中等程度的空间自相关性(块基比C0/(C0+C)=50%),这与区内地形地貌、土壤母质、人工施肥等具有密切关系.根据土壤0.01 mol·L-1Ca Cl2浸提态P和Olsen-P的非线性关系可确定区内红壤和水稻土P的淋失风险临界值分别为69.97和98.40 mg·kg-1,并据此对脱甲河小流域土壤磷素淋失的风险进行了定量评价,结果表明旱地土壤具有明显较高的淋失风险,其中中等以上的比例占36.4%,而稻田土壤仅有0.2%,为中等以上淋失风险.因此,控制旱地(尤其是菜地)磷肥的投入是降低亚热带丘陵小流域土壤P淋失风险和减轻农业面源污染的关键.     

雄黄矿区不同砷污染土壤中微生物群落结构及碳源利用特征

土壤砷污染是我国乃至世界范围内比较严重的环境问题.有关砷污染的生态毒理效应有很多研究,但对砷污染土壤中微生物群落的关注相对较少.本文以我国湖南省石门县雄黄矿地区长期砷污染土壤为例,采用PLFA及BIOLOG微平板技术考察了7个砷(As)污染程度不同的样点以及一个对照样点土壤微生物群落结构及碳源利用特征.结果发现,雄黄矿区存在多种重金属复合污染,除As含量较高以外,镉(Cd)和镍(Ni)的含量也超过了国家土壤环境质量三级标准.雄黄矿区土壤微生物的群落结构受到土壤有机碳(SOC)、有效磷(AP)、p H以及镁(Mg)、Cd、铁(Fe)、铜(Cu)含量的显著影响.各样点土壤微生物群落均以细菌为主,占微生物总量的71.54%~80.66%,真菌次之,放线菌最少.雄黄矿区土壤中的有效砷对微生物造成了较严重的胁迫.严重砷污染降低了微生物对于碳源利用的多样性以及均匀度.各样点微生物对于碳源的利用也表现出明显的差异.31种碳源中微生物利用较多的只有7类,分别属于糖类、胺类、羧酸类与多聚物,并且以糖类为主.     

不同施氮处理下旱作农田土壤CH_4、N_2O气体排放特征研究

依托甘肃农业大学布设在定西市李家堡镇的长期施氮定位实验,对不同施氮农田CH4和N2O气体通量,采用静态箱-气相色谱法进行小麦生育期的连续观测,并对影响通量变化的环境因子同期观测.结果表明:5个施氮处理下(0、52.5、105、157.5、210 kg·hm-2),旱作农田土壤在小麦全生育期内表现为CH4累积通量的汇和N2O累积通量的源;且不施氮处理时,CH4累积吸收通量最大;施氮量为210 kg·hm-2时,土壤CH4的累积吸收通量所受抑制最大,即土壤CH4累积吸收通量随施氮量升高而降低.相反,不施氮处理时,土壤N2O的累积排放通量最小,施氮量为210 kg·hm-2时,土壤N2O的累积排放通量最大,土壤N2O累积排放通量随施氮量的增加而增大.综合分析,施氮量增大会抑制全生育期旱作春小麦田土壤CH4吸收通量,提高土壤N2O的排放通量.因此,合理控制施氮量有利于生育期旱作农田土壤减排.CH4平均吸收通量随土壤温度的升高而降低,随土壤水分的升高而升高;相反,N2O平均排放通量随土壤温度的升高而升高,随土壤水分的升高而降低.5~10 cm层次的土壤温度与CH4平均吸收通量呈极显著线性负相关,与N2O平均排放通量呈显著正相关.5~10 cm层次的土壤水分与CH4平均吸收通量呈极显著线性正相关,与N2O平均排放通量呈显著负相关.     

苏州地区水稻土重金属污染源解析及端元影响量化研究

利用国家土壤质量标准和当地背景值评价了苏州地区表层水稻土重金属(Pb、Cd、As、Hg、Cu、Zn、Ni、Cr)的污染(富集)状况.结果发现,苏州地区土壤Cd、Hg、As、Pb、Zn、Cu、Cr和Ni平均含量分别是0.23、0.23、9.14、35.36、103.36、35.75、77.12和33.18μg·g-1;除As外,其余7种重金属平均含量皆明显高于当地土壤背景值.通过与中国土壤环境质量标准(GB15618—1995)相比,发现苏州地区土壤中Cd和Hg是8种重金属中风险最高的.地质累积指数分析表明,苏州水稻土重金属Cd、Hg、Pb、Cu和Zn出现了污染,其中以Cd和Hg的污染程度最突出,约80%的土壤样品出现了Pb轻度污染.因子得分-多元回归法(PCS-MLR)估算表明,70%的土壤Cd来自与有色金属或磷有关的人为活动;土壤中约50%的Pb和72%的Hg源于大气沉降的贡献;土壤的Zn和Cu污染主要来自与有色金属或磷有关的人为活动,该端元对土壤Zn和Cu的影响率分别为53%和45%.