稻田土壤N2O消纳能力及nosZ-I型功能种群应答机制

稻田土壤长期的淹水厌氧环境有利于反硝化作用的进行,是导致N₂O大量排放的重要原因之一.目前,关于稻田土壤N₂O排放特征的相关研究已有不少,然而关于稻田土壤N₂O的消纳能力及相关功能微生物的应答机制尚不明确.本研究以淹水水稻土原状土柱（0~5 cm）为研究对象,在土柱底部输入外源N₂O气体,系统监测所添加外源N₂O通过土柱的浓度及关键土壤因子的动态变化特征,以及分析nosZ-I型功能种群组成的演替规律,以期揭示淹水水稻土N₂O的消纳能力及nosZ-I型功能种群的应答机制.结果表明,外源N₂O输入后约97.39%扩散进入土柱,逸散出土表的N₂O占0.72%~7.75%,达到排放高峰后被土壤继续消耗,培养192 h后外源N₂O处理比对照多消耗67.10% N₂O,N₂O消耗速率提高144.2%.同时,NH₄⁺-N、NO₃^--N和DOC分别多消耗了19.65%、16.29%和8.41%.N₂O输入192 h后nosZ-I的群落多样性没有显著差异,但是其种群组成发生显著改变：优势菌株OTU5004、OTU5065、OTU960和OTU1282（Proteobacteria）相对丰度显著提高,其中OTU5004菌株相对丰度比初始样和CK升高7.30%和4.63%,非优势菌株OTU5265（Azoarcus sp.）比初始样和CK升高0.33%和0.15%.上述结果表明,0~5 cm深度渍水水稻土壤具有很强的N₂O消耗能力,外源N₂O添加使N₂O消耗速率明显加快,提高了淹水水稻土壤对N₂O的消纳潜力,促进碳氮转化和nosZ-I群落组成变化,这将为降低大气N₂O排放提供新的参考.     

椰糠生物炭对热区双季稻田N2O和CH4排放的影响

基于稻菜轮作模式,选择海南双季稻田为对象进行氧化亚氮（N₂O）和甲烷（CH₄）排放的原位监测,探究椰糠生物炭对该系统稻田温室气体排放的影响.试验设当地常规施肥对照（CON）、氮肥配施20 t·hm^-2生物炭（B1）、氮肥配施40 t·hm^-2生物炭（B2）及不施氮对照（CK）4个处理,采用静态箱-气相色谱法监测整个水稻种植季稻田N₂O和CH₄排放,并估算增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI）.结果表明,早稻季N₂O排放动态与土壤矿质氮含量密切相关,排放集中在水稻苗期与分蘖期施肥后,各处理早稻季N₂O累积排放量为0.18~0.76 kg·hm^-2,相较于CON处理,生物炭处理减排18%~43%,其中B2处理达显著水平;生物炭可能通过促进N₂O的还原减少早稻苗期N₂O排放;提高土壤硝态氮含量而增加了早稻分蘖期N₂O排放.晚稻季N₂O排放集中在抽穗期和成熟期,累积排放量为0.17~0.34 kg·hm^-2,B1处理减排37%,B2增加3%,差异均不显著.稻田CH₄排放高峰出现在早稻季后期与晚稻季前期.各处理早稻季CH₄累积排放量为3.11~14.87 kg·hm^-2,CK较CON处理增排39%,生物炭处理可能提高土壤通气性限制早稻季产CH₄能力,B1和B2处理分别较CON减排28%和71%;晚稻季CH₄累积排放量为53.1~146.3 kg·hm^-2,排放动态与NH₄⁺-N含量极显著正相关,CK和B1分别较CON处理增加52%和99%,B2处理显著增加176% CH₄排放.早稻季B1和B2处理较CON分别增产12.0%和14.3%,晚稻季分别增产7.6%和0.4%.由于晚稻季甲烷排放的增加,施用生物炭增加了双季稻田总增温潜势（GWP）,其中高量生物炭达显著水平;不同施用量生物炭对双季稻田温室气体排放强度（GHGI）无显著影响.椰糠生物炭在热区稻田温室气体减排方面的应用仍需进一步研究.     

九龙江流域水稻土重金属赋存形态及污染评价

采用改进的BCR四步提取-电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析九龙江流域71个水稻土中12种重金属元素的赋存形态特征,运用风险评价编码法(RAC)、次生相与原生相分布比值法(RSP)和地质积累指数法(Igeo)评价重金属污染特征.结果表明,大部分重金属总量已存在不同程度的富集且不同重金属元素在水稻土中的赋存形态特征差异较大.Cd和Mn主要以F1弱酸溶态存在,平均比例分别为46.2%和35.2%;Fe和Pb主要以F2可还原态存在,平均比例分别为64.5%和41.5%;而V、Cr、Ni、As、Co、Sr、Zn和Cu主要以F4残渣态存在,平均比例分别为79.6%、78.4%、73.1%、67.7%、51.9%、49.7%、45.3%和38.4%.3种污染评价方法分别重点关注弱酸溶态、次生相和重金属总量,均有应用价值,缺点是不够全面.结合3种评价方法能更准确全面评估重金属污染特征.九龙江流域水稻土中Cd为中度~重度污染,Mn和Sr为轻度~重度污染,Zn、Pb、Cu和Co为轻度~中度污染,As和Ni为无污染~中度污染,V、Fe和Cr为无污染~轻度污染.     

湘中典型稻田系统Cd平衡分析

运用大田定位试验的方法,研究了典型稻田系统Cd污染发展趋势.于2015-11～2018-11逐月采集大气沉降及灌溉水样,同时多次采集肥料、土壤及水稻样,监测分析样品中Cd含量,研究湘中典型稻田系统Cd输入输出平衡情况.结果表明,稻田系统Cd通过灌溉水、大气沉降和肥料等途径输入,年均输入量为8. 735 g·(hm2·a)-1,其中大气沉降为主要来源,占总输入的69. 15%～82. 04%,平均为76. 61%,其次是灌溉水占12. 62%～23. 66%,平均为16. 94%,肥料占5. 34%～7. 19%,平均为6. 45%;稻田系统Cd通过地表径流、土壤下渗和水稻地上部分收获途径输出,年均输出量为7. 093g·(hm2·a)-1,水稻地上部分收获占总输出的85. 27%～95. 02%,平均为89. 69%,其次是地表径流4. 57%～13. 96%,平均为9. 41%,土壤下渗输出的Cd最少,为0. 41%～1. 51%,平均0. 90%.结果表明,研究区稻田系统Cd为净输入,土壤Cd污染形势仍在加剧.稻草还田与稻草移除将对土壤Cd平衡产生重要影响,稻草移除可以减缓土壤Cd污染发展趋势.     

水稻根系中多环芳烃的动态变化

水稻根系的多环芳烃浓度随着水稻的生长不断变化,呈现出初期逐渐升高,到成熟期趋于稳定的一般趋势.幼穗期、乳熟期、蜡熟期、完熟期和枯熟期水稻根系的多环芳烃总含量(PAH15)平均分别为464、969、592、1075 ng·g-1和1059ng·g-1,并主要由3环化合物组成.根系的脂含量、比表面和生物量等指标对根系多环芳烃的变化起到了一定影响.其中,脂含量和比表面的影响比生物量的影响更为显著.随着水稻的成熟,水稻土多环芳烃含量逐渐降低,而5、6环化合物的比例逐渐增加.水稻根系和水稻土中的多环芳烃含量之间存在明显的负相关关系.     

脱硫石膏对稻田CH4释放及其功能微生物种群的影响

为探究脱硫石膏对温室气体CH_4排放及其功能微生物种群的影响,采用静态暗箱/气相色谱法,高通量测序和荧光定量PCR技术,研究了FGDG0(0 t·hm~(-2))、FGDG1(2 t·hm~(-2))、FGDG2(4 t·hm~(-2))、FGDG3(8 t·hm~(-2))、FGDG4(16 t·hm~(-2))这5个施加脱硫石膏处理下CH_4排放特征、稻田细菌群落结构及产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度的变化.结果表明施加脱硫石膏后,土壤p H显著提高(P0.05),土壤氧化还原电位、有机质、速效钾含量增加,但处理间无显著差异(P0.05);稻田CH_4平均排放通量随着脱硫石膏用量增加而降低,且FGDG1FGDG2FGDG3FGDG4,较对照分别减少31.56%、57.30%、83.60%、90.66%;与对照相比,FGDG1、FGDG2处理增加了土壤细菌丰富度和多样性,但用量超过4 t·hm~(-2)后,细菌丰富度和多样性逐渐降低;与对照相比,稻田土壤硫酸盐还原菌属相对丰度显著提高6.98%~13.56%,甲烷氧化菌pmo A基因丰度增加0.3%~6.2%,产甲烷菌mrc A基因丰度显著下降2.4%~15.8%,且丰度比(pmo A/mcr A)随着脱硫石膏用量增加而增大;相关性分析表明,CH_4平均排放通量与土壤中硫酸盐还原菌属相对丰度呈显著负相关,与产甲烷菌mcr A基因丰度呈显著正相关,与pmo A/mcr A比呈显著负相关.综上,脱硫石膏能够提高稻田土壤细菌群落多样性,抑制稻田CH_4排放.     

添加有机物料对淹水土壤Cd活性的影响机制

采用红壤(pH 4.46)和潮黄土(pH 7.10),在N2覆盖下淹水(25±0.5)℃培养60d,研究了淹水土壤加入有机物料(苜蓿、稻草粉)后Cd活性变化及其制约机理.结果表明,土壤淹水后,氧化铁的还原溶解作用带来Fe组分再分配和pe+pH下降,导致Cd组分向低活性组分转化.淹水土壤添加有机物料后,通过pe+pH下降效应和pH升降效应增强了对Cd活性转化的影响,其中,红壤有机物料处理较对照pe+pH降低和pH值升高,致使固相Exc-Cd含量和液相Cd浓度低于对照,土壤Cd活性降低;潮黄土有机物料处理pe+pH和pH值均低于对照,致使固相Exc-Cd含量和液相Cd浓度高于对照,土壤Cd活性增加.添加有机物料对固相Org-Cd再分配的影响小,但在液相中DOM与Cd的络合效应显著.     

稻田土壤光合细菌群落对镉污染的响应

稻田重金属污染每年造成水稻产量的巨大损失,重金属污染问题日益受到人们的关注.因此,了解不同镉污染水平下水稻土微生态及理化性质的变化具有重要意义.本研究通过16S测序技术探讨稻田土壤光合细菌群落对不同镉污染水平的响应.结果表明,随着镉污染程度升高,pH值、总镉和有效镉含量逐渐降低.高镉组、中镉组和低镉组的土壤α多样性差异较小,富集的光合细菌种群具有显著差异,光合细菌群落之间也均具有显著差异.高镉组光合细菌物种之间有效连接明显多于中镉和低镉组,连接更紧密且密度更高.碱性氮、pH、有效磷、有效钾、总氮、总磷、有机质、总镉和有效镉是影响光合细菌群落的重要因素,与光合细菌群落显著相关,解释了59.90%的光合细菌群落变异,其中有效镉含量与Methylorubrum populi、Methylorubrum extorquens、Methylobacterium sp.Leaf125和Rhodopseudomonas sp.AAP120显著正相关（R>0.05,P<0.05）.本研究对了解镉污染对稻田土壤特定功能微生物种群的影响具有重要意义.     

水田土壤中水溶性有机物的产生动态及对土壤中重金属活性的影响:田间微区试验

采用田间微区试验研究不同施肥处理对土壤水溶性有机物 (DOM)的动态变化及其对土壤Cd活性的影响 结果表明 ,与施化肥对照处理相比 ,施用有机肥后土壤中DOM含量明显增加 .但随着水稻的生长DOM呈不断下降的趋势 ,而对照处理的变幅不大 ;在水稻整个生长过程中根际DOM含量不断增加且都高于对应时期土壤DOM的含量 ,并至水稻扬花期最大 ,此时 ,3种处理的根际产生DOM浓度 (DOM浓度以水溶性有机碳 (DOC)计 ,以下同 )分别为 :绿肥与化肥配施处理组 (GM) ( 14 0 2mg·L-1) >猪粪与化肥配施处理组 (PM) ( 11 12mg·L-1) >对照处理组 (F) ( 10 8mg·L-1) .水稻扬花期后 ,各处理的DOM含量不断下降 .试验还指出 ,有机肥施用后根际及土体土壤中交换态及有机结合态Cd含量显著增加 ,是对照处理的 2倍之多 ,同时发现 ,水稻收获后土壤交换态Cd的含量与此时的土壤DOM含量呈明显的正相关 (r土体 =0 92 6 6 ,n =8;r根际 =0 9389 ,n =8) .施用有机肥改良重金属污染土壤应该谨慎     

湖南省稻田表层土壤固碳潜力模拟研究

稻田土壤有机碳的储存对于缓解大气温室效应具有不可忽视的作用。我国作为水稻产量最大的国家,迫切需要掌握稻田生态系统固碳现状及相应固碳措施。文章利用自主建立的土壤有机碳模型对湖南省稻田生态系统不同有机物投入方式下土壤有机碳的变化进行了模拟研究。结果表明,常规施肥(现状)方式下稻田表层土壤有机碳的饱和固碳量为39.75～64.90th/m₂,半数模拟点已基本饱和,其余点仍具有3.38～4.19th/m₂的固碳潜力;50%秸秆还田效果低于常规施肥方式,而50%秸秆+绿肥效果高于常规方式(平均高10.94th/m₂);全量秸秆还田(冬闲)情况下稻田表层土壤饱和固碳量在55.57～94.25th/m₂之间,与稻田现有碳储量比较有4.15～33.46th/m₂的潜在提高幅度。如果全量秸秆还田结合冬季种植绿肥,土壤饱和固碳量则可以在稻田土壤现有碳储量的基础上平均提高65.77%。模拟结果还表明,湖南稻田土壤中,每年投入1th/m₂的新鲜有机碳可最终形成土壤有机碳饱和固碳量约12th/m₂。研究表明,稻田土壤的饱和固碳量可以通过人为措施进行调控,增加有机物质的投入量(秸秆还田)和冬季绿肥种植是提高稻田土壤固碳能力的有效途径。