基流对亚热带农业流域氮素输出的贡献研究

随着经济的迅猛发展和人民生活水平的逐步提高,亚热带农业小流域的面源污染日趋严峻,恶化的水体环境质量已经成为该区域可持续发展和生态文明建设的重要障碍.基流过程对流域生态水文过程有重要影响,因此本研究选取湖南省长沙县的脱甲和涧山两个农业小流域作为调查对象,通过流域观测和模型估算方法,对比分析2011年1月至2013年12月间流域基流过程对总氮(TN)输出的贡献.结果表明,在较高强度水稻种植的脱甲流域的月平均基流流量、平均基流TN流量加权浓度和平均基流对TN输出贡献[15.2 mm·month~(-1)、4.14 mg·L~(-1)和0.54 kg·(hm~2·month)~(-1)],均大于较低强度水稻种植的涧山流域[11.4 mm·month~(-1)、1.72 mg·L~(-1)和0.20 kg·(hm2·month)~(-1)].基流对TN输出贡献呈现明显的季节性变化,如在水稻生长季,脱甲和涧山流域基流对TN输出贡献分别为23.2%和18.6%,均低于休耕季的46.9%和40.0%,表明水稻种植会提高休耕季的流域基流过程对TN输出的贡献.因此,为缓解农业小流域水体面源污染,应当在农业小流域中实施合理的稻田管理措施来降低基流对TN输出的贡献.     

百乐克(BIOLAK)活性污泥宏基因组的生物多样性及功能分析

百乐克(BIOLAK)是一种在全球范围内得到成功推广的多级活性污泥工艺,然而,迄今对于百乐克工艺的核心元件——活性污泥的生物群落及其功能尚鲜见报道.以连云港市大浦工业区废水处理厂为例,借助于新一代高通量测序技术,获得百乐克活性污泥中大规模的宏基因组数据(428 588条高质量DNA序列).鉴定出47个门类、872个属及1 351个物种.细菌域(289 933条序列)中包含33个门,其中变形菌门Proteobacteria是生物量最丰富的门(62.54%),其次是拟杆菌门Bacteroidetes(11.29%)、硝化螺旋菌门Nitrospirae(5.65%)和浮霉菌门Planctomycetes(4.79%),显示这些生物类群在百乐克废水处理系统中发挥着关键作用.在748个细菌属中,硝化螺菌属Nitrospira(5.60%)最为丰富,为活性污泥氮循环过程中的关键菌群.其次为芽单胞菌属Gemmatimonas(2.45%),是生物除磷过程的重要菌属.在古菌域(1 019条序列)中鉴定出3个门及39个属.在真核域(1 055序列),鉴定出10个门及60个属,其中,纤毛虫门Ciliophora是最大的门(257条序列).同时,检测到448条病毒序列,主要为噬菌体.在百乐克活性污泥中,参与氮、芳香化合物和磷代谢的功能基因比例分别为2.50%、2.28%和1.56%,均高于美国和澳大利亚两个废水处理厂活性污泥中功能基因的比例.在氮代谢的4个过程中,反硝化相关基因所占比重最高,达到80.81%,其次是氨化(12.78%)、硝化(4.38%)和固氮(2.04%).总之,在百乐克活性污泥中蕴藏着惊人的生物多样性,同时,参与氮、芳香化合物和磷代谢的功能基因非常丰富.     

畜禽粪便有机肥中重金属在水稻土中生物有效性动态变化

通过土壤淹水培养试验和土壤淹水培养不同时间后同时开始的水稻生物盆栽试验,研究不同畜禽粪便有机肥中Cu、Zn、Cd、Pb在水稻土中生物有效性动态变化以及与等量重金属无机盐的差异,明确不同畜禽粪便有机肥中不同重金属生物有效性差异及动态变化规律.结果表明,水稻土施入畜禽粪便有机肥后30~60 d内,畜禽粪便有机肥处理土壤溶液中重金属含量显著低于等量重金属无机盐处理,重金属无机盐处理土壤溶液中Cu、Zn、Cd、Pb的含量分别是鸡粪处理的2.4倍、3.1倍、3.9倍和327.3倍,分别是猪粪处理的2.0倍、2.2倍、15.6倍和4.0倍.60d后畜禽粪便有机肥处理和对应等量重金属无机盐处理土壤溶液中Cu、Zn、Cd、Pb的含量变的无差异.不同施用时间的畜禽粪粪便有机肥处理水稻体内Cu、Zn、Pb含量均显著低于对应的等量重金属无机盐处理,施用畜禽粪肥处理降低了土壤中Cu的生物有效性.畜禽粪便有机肥中重金属的生物有效性随施用后不同时间的变化呈现先升高后降低再升高规律,在施用后2个月时畜禽粪便有机肥中重金属的生物有效性最低,只相当于对应的等量重金属无机盐的13.0%~30.0%.     

基于涡度相关技术的农田生态系统碳收支评估

以涡度相关技术为主要观测手段,连续观测冬小麦和水稻生态系统主要生长季净生态系统CO₂交换（NEE）的变化规律,评估两种农田生态系统CO₂的源/汇功能.结果表明,整个观测期间,两种作物生态系统CO₂浓度的日变化曲线呈现白天低、晚上高的"一峰一谷"型,冬小麦生态系统变化较为平缓,而水稻生态系统变化则比较剧烈.冬小麦和水稻生态系统白天30 min CO₂通量的平均值分别为-13.4 μmol·m^-2·s^-1和-12.9 μmol·m^-2·s^-1,通量最高值分别出现冬小麦的孕穗期与水稻的开花期.此外,两种作物生长季CO₂通量表现出"U"形曲线的日变化特点,白天以吸收CO₂为主,冬小麦和水稻生态系统分别于12：00和11：30达到吸收峰值;夜间CO₂通量变化较为稳定,表现为呼吸排放CO₂.两种农田生态系统均表现为碳汇,冬小麦与水稻生态系统净碳交换分别为188.2 g·m^-2与233.8 g·m^-2.     

两种土壤增效剂对稻田氨挥发排放的影响

硝化抑制剂和生物炭是农田土壤管理常用的土壤增效剂.其中,硝化抑制剂可以增加作物产量提高氮素利用率,而生物炭是生物质资源利用的一种新方式,且具有一定的吸附特性.以减少稻田氨挥发带来的氮素损失及环境污染问题为目的,在原状土柱模拟试验条件下,以单施化肥处理(CN)为对照,研究了生物炭(B)添加、硝化抑制剂(CP)添加及复合添加处理(BCP)对田面水p H、田面水铵态氮浓度、水稻产量及氨挥发损失的影响.结果表明,两种增效剂施用对水稻产量无显著影响,硝化抑制剂添加有增加水稻产量的趋势.两种土壤增效剂添加均显著增加了稻田氨挥发损失,损失量占施氮量的25%～35%.其中,肥期(施肥后7 d内)氨挥发损失占总损失的86%～91%,是氨挥发损失的主要时期.与CN处理相比,CP处理明显提高了田面水NH_4~+-N浓度和氨挥发损失,基肥期、穗肥期和非肥期增加效应明显,氨挥发增幅分别为138%、48%和78%,全生育期氨挥发总损失量增加59%.生物炭添加对稻田氨挥发损失也有明显的促进效应,且具有阶段性特征,前期(基肥期和蘖肥期)的增加效应高于后期(穗肥期和穗肥后),田面水NH_4~+-N浓度和p H也表现出相同的趋势.两者配施添加处理显现出了正交互作用,氨挥发损失量大于单施处理,与化肥处理差异显著.结果说明,生物炭添加不能解决硝化抑制剂添加引起的铵态氮浓度升高和氨挥发损失增加的问题,对于硝化抑制剂添加引起的氨挥发损失增加的问题需要继续研究.     

水稻不同生育期根际与非根际土壤胞外酶对施氮的响应

与稻田土壤碳氮循环(矿化、转化等)密切相关的酶活性可以反映微生物的生长和代谢过程.为明确水稻不同生育期根际与非根际土壤胞外酶对施氮的响应,采用根际袋法区分水稻根际和非根际土壤,利用96微孔酶标板荧光分析法,测定其碳氮过程关键酶β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)和β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性,探讨根际效应、施氮和生育期对土壤酶活的影响及其调控机制.结果表明,施氮使拔节期土壤BG酶活性相对于不施氮处理降低了7.4~13.5 nmol·(g·h)~(-1),而使成熟期BG酶活性增大了7.0~31.4 nmol·(g·h)~(-1),同时根际与非根际土壤中BG酶活性也随水稻的生育期而发生相应的变化.与不施氮处理相比,施氮使水稻成熟期非根际土壤NAG酶活性增加了1.1倍,根际土壤降低了0.3倍.施氮和生育期显著影响土壤BG酶活性,而水稻生育期、施氮和根际效应及其交互作用均对NAG酶活性有极显著影响.RDA分析表明土壤微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量主要影响水稻根际土壤胞外酶活性;而非根际土壤中酶活性的变化主要受微生物生物量氮(MBN)和铵态氮(NH_4~+-N)的影响.土壤酶活性与多种因素存在复杂关系,需要综合考虑植物生理特征、土壤酶活性和土壤特征,分析N添加对微生物群落组成的影响.     

公路边土壤和水稻中铅的分布,累积及临界含量

在距公路５、１０、５０、１００、２００ｍ准备收割的稻田中同时采集土壤及稻米样品。对２条公路的样品分析结果表明，汽车尾气中铅的污染大多集中在公路两侧５０ｍ左右的范围内。土壤自身性质对路边土壤及水稻中铅的分布、累积具有显著影响。经壤水稻中铅的累积量小于重壤水稻土，但轻壤水稻糙米的含铅量却高于重壤。轻壤中土壤含铅量和糙米含铅量之间具有相关关系。探讨了公路边土壤的临界含量问题，推算出轻壤中此值为５８ｍｇ／     

微囊藻毒素对水稻根系生长和抗氧化系统的影响

以水稻幼苗为材料,研究了不同质量浓度(1、100、1 000、3 000μg·L-1)微囊藻毒素(MCs)在胁迫期和恢复期对水稻幼苗根系生长、吸收活力、抗氧化系统的影响以及MCs在水稻根部的积累.结果表明,胁迫处理7 d,MCs在水稻根部的积累量与MCs质量浓度呈正相关.1μg·L-1MCs处理促进了根系生长,根系活力上升,过氧化氢酶(CAT)活性上升有效维持H2O2于正常水平;100μg·L-1MCs处理下,根系生长受抑,根系活力下降,CAT无显著变化;在高质量浓度(1 000μg·L-1、3 000μg·L-1)MCs处理下,不仅根系生长受抑、根系活力下降,且CAT活性受抑,H2O2大量积累,膜质过氧化加剧.相比胁迫期,恢复7 d后各处理组水稻根系MCs的积累量均低于胁迫期.100μg·L-1MCs处理组根系各生长指标、根系活力、丙二醛(MDA)、H2O2和CAT的变幅减小,优于胁迫期,显示出一定程度的恢复,而1 000μg·L-1和3 000μg·L-1MCs处理组,根系生长与根系活力均低于胁迫期,氧化胁迫进一步加剧,表明高质量浓度(1 000μg·L-1和3 000μg·L-1)MCs对水稻根系造成的伤害不可逆.     

低施磷水平下不同施肥对太湖地区黄泥土磷迁移性的影响

对太湖地区水稻土上长达13年的长期不同施肥处理的某试验田进行了土壤全磷、树脂磷和水溶性磷的测定分析.不同处理的年施磷量为0～53kg/(hm²·a),土壤全磷为0.3～0.5g·k^-1.根据土壤磷素的质量平衡,计算表明该水稻土存在的磷素流失量为2～8kg/(hm²·a),单施化肥下的流失量最大,为配施有机肥处理的2～4倍;水溶性磷的比率在0.2%～0.4%间,且不同施肥实践对其的影响不明显.但单施化肥有使亚表层树脂磷和水溶性磷含量提高的倾向.长期施用化肥配施大量鲜猪粪使树脂磷含量提高20～40 mg·kg^-1,但与长期施用化肥配施秸秆的处理一样没有发生在有机质增加下的磷活化而提高磷流失.这些说明本地区长期单施化肥的水稻土中可能存在强烈的磷流失,且水稻土磷流失并不以水溶解发生.为了防止水稻土磷的强烈水流失而加剧农业非点源污染,要避免长期单施化肥,而应坚持和推广配施适量有机肥.     

盐渍化环境下秸秆还田对稻米汞及甲基汞累积的影响

通过盆栽试验探讨了盐渍化环境下秸秆还田对土壤中总汞（THg）、甲基汞（MeHg）含量和转化以及对水稻吸收汞的影响.试验用土采集自天津典型污灌地区,人为添加不同梯度的盐分（0、0.2%、0.5% NaCl）及外源汞（0、5mg/kg~Hg（NO₃）₂）,秸秆还田按照0.1%进行处理.结果显示：1.秸秆还田促进稻田系统中无机汞的甲基化.与未添加秸秆的处理相比,秸秆还田后土壤MeHg含量提高了56.8%~76.8%,水稻MeHg含量增加了127%~171.6%.2.在轻度盐渍化稻田开展秸秆还田,会进一步提高稻田土壤中汞的甲基化水平,进而增加水稻籽粒中甲基汞含量.与不添加盐分处理相比,轻度盐渍化环境中（0.2% NaCl）,秸秆还田处理导致土壤MeHg含量提高了92.2%~101.2%,水稻籽粒MeHg含量增长了52.8%~132.1%.更高的盐渍化水平会抑制土壤汞甲基化趋势,水稻籽粒中甲基汞含量降低.在中度盐渍化环境中（0.5% NaCl）,秸秆还田导致土壤MeHg含量降低了57.9%~88.6%,水稻籽粒MeHg含量降低了72.9%~86.8%.以上研究结果表明,在盐渍化且汞污染稻田开展秸秆还田可能大幅度增加该地区汞食物链暴露风险,因此在中轻度盐渍化的污灌区,对秸秆还田等农艺措施需要格外慎重.