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微塑料对农田土壤碳转化影响研究进展

中国土壤与肥料 2023年第10期 234-244页

作者：周巧林焦加国张慧娟尚昊林李祥汪吉东梁栋江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部江苏耕地保育科学观测站江苏南京210014 南京农业大学资源与环境科学学院江苏南京210095

近年来,微塑料的生态环境风险受到国内外广泛关注。地膜覆盖、有机肥施用、灌溉和包膜控释肥料使用等农田管理措施导致微塑料在农田土壤中持续累积。微塑料在土壤中经过物理破碎、化学分解和生物降解等作用发生迁移和转化,可能影响土壤... 详细信息

近年来,微塑料的生态环境风险受到国内外广泛关注。地膜覆盖、有机肥施用、灌溉和包膜控释肥料使用等农田管理措施导致微塑料在农田土壤中持续累积。微塑料在土壤中经过物理破碎、化学分解和生物降解等作用发生迁移和转化,可能影响土壤碳周转,进而影响土壤碳储存和含碳气体排放。因此,通过对国内外有关文献进行总结和整理,系统地梳理了农田土壤中微塑料的种类和来源,分析了微塑料通过提供碳源影响土壤植物呼吸,改变酶活性和微生物群落结构,进而直接或间接影响土壤碳排放和碳转化过程,包括以下几个方面:(1)微塑料是长碳链分子结构,进入农田对土壤有机碳含量和转化及土壤团聚体、孔隙度和含水量等理化属性造成影响;(2)土壤中真菌和细菌对不同类型微塑料的分解和碳周转作用不同;(3)微塑料通过影响植物生长、改变相关功能基因丰度、酶活性和微生物群落组成进而影响土壤碳转换过程。基于分析微塑料在土壤中的碳转化过程,为评估微塑料对土壤碳库的影响提供参考。

关键词：微塑料农田土壤碳转化碳排放

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土壤碳转化对大气CO_2升高响应机制研究进展

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核农学报 2017年第8期31卷 1656-1663页

作者：陈栋郁红艳邹路易滕跃江南大学环境与土木工程学院/江苏省厌氧生物技术重点实验室江苏无锡214122

土壤有机碳是地球表层最大的碳库,其微小的变化将影响大气CO_2浓度,而使土壤成为CO_2的源或汇。在大气CO_2浓度升高的大背景下,土壤碳库的转化与更新过程在时间和空间上发生改变。由于土壤本身及环境条件的差异性,土壤碳转化过程对CO_2... 详细信息

土壤有机碳是地球表层最大的碳库,其微小的变化将影响大气CO_2浓度,而使土壤成为CO_2的源或汇。在大气CO_2浓度升高的大背景下,土壤碳库的转化与更新过程在时间和空间上发生改变。由于土壤本身及环境条件的差异性,土壤碳转化过程对CO_2浓度上升的响应差异较大,要阐明这些差异,理清土壤"碳汇(源)"功能,必须全面深入了解土壤碳转化对CO_2的响应机理。然而,长期以来,关于CO_2升高对土壤地上部碳输入的影响研究较多,而针对土壤有机碳对CO_2升高的响应,尤其是响应的内在机制研究不足。本文主要依据近10年相关研究报道,在论述CO_2浓度升高对土壤有机碳含量影响的基础上,从微生物学、土壤酶活性及与其他影响因素的耦合效应揭示CO_2浓度升高对土壤有机碳转化内在机制的研究进展,并展望了未来相关研究的主要方向,旨在为将来农田土壤管理决策提供科学的理论依据。

关键词： CO2浓度升高土壤有机碳碳转化微生物酶

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FeNbO4基碳转化固态氧化物电池研究

FeNbO4基碳转化固态氧化物电池研究

作者：刘小菁西南大学

学位级别：硕士

固态氧化物电池是一种高温能量转换装置,该装置能够将化学能直接转换为电能,具有能量转换效率高、环境友好等优点。固态氧化物电池的工作模式分为两种:固体氧化物燃料电池(SOFC)模式和固体氧化物电解池(SOEC)模式。固态氧化物电池的发... 详细信息

固态氧化物电池是一种高温能量转换装置,该装置能够将化学能直接转换为电能,具有能量转换效率高、环境友好等优点。固态氧化物电池的工作模式分为两种:固体氧化物燃料电池(SOFC)模式和固体氧化物电解池(SOEC)模式。固态氧化物电池的发展有利于减少对化石能源为主的不可再生能源的依赖,降低温室气体排放,改变能源结构。固态氧化物电池目前面临的挑战为:在SOFC模式下,电池阳极(燃料电极)对碳基燃料适应低,从而导致整个电池的输出功率较低;在SOEC模式下,电解池阴极(燃料电极)对CO催化还原性能较差,电解池电流效率也通常较低。以研究新型固态氧化物电池燃料电极材料为目标,系统地研究了FeNbO基氧化物在固态氧化物电池中不同工作模式下的应用,测试了相关性能并分析其机理。采用固相法制备了A位缺位的FeNbO基氧化物,对其结构、铁离子价态等基本性能进行研究,结果表明黑钨矿结构的FeNbO最大缺位量为20%;在此基础上,研究A位缺位及淬火后FeNbO基氧化物的结构、铁离子价态、还原性气氛中的化学稳定性以及高温电导率等性能。虽然?-PbO结构的FeNbO与黑钨矿、锐钛矿结构相比,前者在还原性气氛中具有更好的高温电导率和化学稳定性,但是其在700°C长时间还原条件下仍不稳定。因此,在FeNbO基氧化物中掺杂金属元素Ti,发现其能够稳定高温相?-PbO结构,并提高氧化物的电导率与稳定性。为了解决在SOFC模式中电池阳极(燃料电极)使用碳基燃料时易出现碳沉积和硫中毒的问题,在700°C使用纳米级颗粒尺寸Ti(FeNb)O(TFN-36),作为SOFC模式中单电池阳极并对其浸渍0.5%Pd,采用200?m厚GdCeO(GDC)电解质支撑的单电池,用湿润H作为燃料时阳极极化电阻为0.03?cm,最大功率密度达到180mW cm;在液化石油气(LPG)燃料条件下,TFN-36-0.5%Pd为阳极的单电池在0.5V工作电压下26小时后仍然可以工作,并具有良好的抗碳沉积和耐硫中毒的性能。为了解决在SOEC模式中电解池阴极(燃料电极),电解CO时电极极化阻抗大和电流密度低等问题。文本应用FeNbO氧化物作为电解池阴极。研究了以FeNbO为阴极的电解池在SOEC模式中直接电解水蒸气的电化学性能,阐述了电解池反应的相关机理,分析在SOEC模式中FeNbO阴极具有较高催化活性的原因。以黑钨矿结构的FeNbO为阴极的电解池在SOEC模式中通入5%HO/Ar燃料电极,在800°C、电解电压为1.7V时,电解池极化电阻仅为0.8?cm。通过对电解池在5%HO/Ar中长期稳定测试,在800°C、1.5V电解电压下可获得0.32A cm的电流密度。FeNbO为阴极的电解池在燃料电极电流的作用下还原得到以FeNbO为骨架的纳米复合材料。此外,层状钙钛矿结构在H的高压电解还原过程中可以转化为FeNbO和Fe的复合物,进一步电解FeNbO后Nb可以还原为Nb,Nb/Nb耦合产生氧空位能够有效提高其电导率。通过Mg、Ti和Mo等元素共掺杂形成的?-PbO结构FeMgTiNbMoO(FMTNM),以FMTNM为阴极的电解池在SOEC模式中,以800°C、1.7V的电解电压,电解池极化电阻在CO、CO/HO、Ar/HO分别为0.88?cm、0.14?cm、0.16?cm。在800°C以1.7V共电解CO/HO稳定性测试中,电解池电流密度从0.39A cm上升至0.44A cm保持稳定并缓慢上升。说明FMTNM是性能优异的CO电解材料。

关键词： SOFC SOEC FeNbO4基氧化物碳转化碳沉积和硫中毒

退耕还林对吉林省中部地区土壤微生物群落结构及碳转化功能的影响研究

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退耕还林对吉林省中部地区土壤微生物群落结构及碳转化功能的影响...

作者：王玖程吉林农业大学

学位级别：硕士

为了生态环境的可持续发展,我国自1999年开始实施退耕还林工程。然而,对于退耕还林的研究多集中在植被恢复状况及退耕地土壤性质改良等方面,对于农田退耕还林后土壤微生物群落的演替特征尚缺乏足够了解。本研究以吉林省中部地区耕地及... 详细信息

为了生态环境的可持续发展,我国自1999年开始实施退耕还林工程。然而,对于退耕还林的研究多集中在植被恢复状况及退耕地土壤性质改良等方面,对于农田退耕还林后土壤微生物群落的演替特征尚缺乏足够了解。本研究以吉林省中部地区耕地及其相邻退耕20年及40年落叶松林地为研究对象,采用高通量和宏基因组测序技术分析细菌和真菌的多样性、群落结构、物种组成以及碳转化相关功能基因的变化,同时进行土壤理化分析以及土壤碳转化相关酶活性分析,以期为全面评价退耕还林的生态效益提供数据支撑。研究结果如下:(1)退耕还林对土壤理化性质和土壤碳转化相关酶活性具有显著影响,退耕还林后土壤p H、有机质(OM)含量随退耕年限的增加显著升高,在退耕20年及40年后分别升高17.24%和76.88%,土壤速效钾(AK)、碱解氮(AN)含量则显著降低52.48%和36.93%,土壤速效磷(AP)含量随退耕年限的增加先显著降低后显著升高,退耕40年林地较未退耕农田降低82.26%。退耕40年林地土壤纤维素酶活性及β-葡萄糖苷酶活性较未退耕农田显著升高111.9%、90.55%,土壤蔗糖酶酶活性呈现先升高后降低的趋势,退耕20年林地较未退耕农田升高235.37%。(2)退耕还林对土壤微生物群落结构组成及多样性具有显著影响。微生物多样性退耕40年林地细菌群落多样性、丰富度较未退耕农田分别降低4.31%、26.4%,而真菌群落分别升高28.74%、60.17%。退耕还林前后土壤真菌和细菌群落结构均具有显著差异,且真菌群落组成的差异大于细菌。退耕后土壤中细菌节点和连接数较多,模块性指数较高,退耕后细菌网络更加稳定,真菌网络平均连通度和聚类系数较低,群落结构更加稳定,细菌及真菌网络中正相关数均大于负相关数。退耕还林各阶段细菌差异性物种主要集中在酸杆菌门(Acidobacteriota)、变形菌门(Proteobacteria)。真菌差异性物种主要集中在子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)。退耕20年及40年林地土壤细菌和真菌群落之间的相互关系与未退耕农田具有显著差异,共变异类群细菌酸微菌纲(Acidimicrobiia)及真菌银耳纲(Tremellomycetes)随着退耕还林丰度显著提高。土壤细菌及真菌跨域网络分析结果显示退耕20年林地节点数及相关性最为复杂,同时互作网络图中正相互作用减少,土壤细菌及真菌菌群协同作用降低。(3)退耕还林后,碳转化相关基因丰度差异显著,景天酸代谢循环(CAMcrassulace an acid metabolism)、C4-二羧酸循环(C4-dicarboxylic)、3-羟基丙酸循环(3-HP3-hydrox ypropionate)相关基因丰度均随着退耕年限的增加分别提高8.53%、16.93%、2.37%,还原性乙酰辅酶A途径(Wood reductive acetyl-Co A)基因丰度则随着退耕年限的增加降低7.14%,CAZy基因的组成和丰度分析表明,编码糖苷水解酶(GH)、多糖裂解酶(P L)、辅助活性(AA)的基因丰度均随着退耕年限降低,碳水化合物结合模块(CBM)则随着退耕年限升高。综上所述,本研究发现吉林省中部地区农田退耕还林后,土壤性质发生了改变,土壤有机质、p H显著升高,碱解氮显著降低。土壤细菌多样性显著降低,土壤真菌多样性和丰富度均显著升高,退耕还林前后土壤真菌和细菌群落结构均具有显著差异,且真菌群落组成的差异大于细菌。退耕后土壤微生物具有更大的网络规模及复杂度,且微生物碳转化功能发生显著变化。

关键词：退耕还林土壤酶活性微生物群落碳转化

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煤加压流化床富氧燃烧的碳转化规律研究

煤加压流化床富氧燃烧的碳转化规律研究

作者：陈超东南大学

学位级别：硕士

富氧燃烧技术作为重要的燃烧中CO捕集技术之一,能有效捕集煤燃烧产生的CO以便后续封存与利用。在常压富氧燃烧系统中,压力由空分单元到富氧燃烧单元再到CO压缩与纯化单元经历了升降升的过程,系统整体经济性大大降低,由此加压富氧燃烧技... 详细信息

富氧燃烧技术作为重要的燃烧中CO捕集技术之一,能有效捕集煤燃烧产生的CO以便后续封存与利用。在常压富氧燃烧系统中,压力由空分单元到富氧燃烧单元再到CO压缩与纯化单元经历了升降升的过程,系统整体经济性大大降低,由此加压富氧燃烧技术应运而生。增加燃烧压力不仅能够提高燃烧热负荷,还能提高烟气中水蒸气的凝结温度,从排烟中回收更多热量进而提高发电效率,同时有效降低CO压缩与纯化单元的功耗。加压流化床富氧燃烧技术结合了流化床反应器燃料适应性广、装置紧凑、负荷调节性能好等优点,进一步提高了富氧燃烧系统的经济性,具有较好的工业应用前景。在加压流化床富氧燃烧小试实验台上开展了三种煤种的加压富氧燃烧实验,研究了稳态条件下燃烧压力和O/CO气氛对煤加压流化床富氧燃烧碳转化规律的影响。随着燃烧压力的提高,煤加压流化床富氧燃烧的CO生成率明显增加,且煤阶越高,CO生成率的增加越为显著。随着燃烧压力的提高,飞灰中未燃尽碳含量下降,飞灰表面由疏松多孔的结构逐渐转变为紧密的片状结构,飞灰表面的絮状物减少。相比空气气氛,21%O/79%CO气氛下的煤加压流化床富氧燃烧状况明显恶化,CO生成率显著降低。250%氧浓度的O/CO气氛下,煤加压流化床富氧燃烧的CO生成率与空气气氛接近。随着O/CO气氛的氧浓度提高,CO排放量逐渐降低,但即使O/CO气氛的氧浓度达到30%,CO排放量仍然高于空气气氛。为探究过量氧气系数、床层温度、燃料粒径、床料粒径、流化数和床层高度等运行参数对加压流化床富氧燃烧碳转化规律的影响,选用1号无烟煤在加压流化床富氧燃烧小试实验台上进行了一系列30%O/70%CO气氛和空气气氛下的加压流化床燃烧实验。随着过量氧气系数的提高,煤加压流化床富氧燃烧的CO生成率增加,但增幅逐渐变小。同时,燃烧压力越高,过量氧气系数对CO生成率的影响越小。提高过量氧气系数能够降低飞灰中未燃尽碳含量,但是随着床层温度的提高,飞灰中未燃尽碳含量下降的幅度有所减小。随着床层温度的提高,煤加压流化床富氧燃烧的CO生成率增加,与反应温度对碳化学反应速率的影响一致。在加压流化床富氧燃烧小试实验台上,选用的石英砂平均粒径范围不宜超过1.5mm,床层高径比控制在1.0.6范围较为合适。加压流化床富氧燃烧碳转化过程的最终产物为CO、CO和未燃尽碳,为探索三种最终产物的生成规律,首先根据CO生成率的实验数据,探讨了关于燃烧压力、过量氧气系数和床层温度的CO生成模型,并结合碳反应速率方程,提出了煤加压流化床富氧燃烧CO生成率的计算经验公式。然后,以CO排放量的实验数据为基础,建立了Aspen Plus煤加压富氧燃烧碳转化的热力学模型,从化学反应平衡角度探索加压流化床富氧燃烧的CO排放规律。最后,基于碳的化学反应动力学,建立了Aspen Plus煤加压流化床富氧燃烧碳转化的动力学模型,结合飞灰未燃尽碳的实验数据,探索煤加压流化床富氧燃烧飞灰中未燃尽碳的影响规律。

关键词：加压流化床气固燃烧富氧燃烧碳转化

长期覆盖施肥下作物产量演变规律及土壤碳转化特征研究

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长期覆盖施肥下作物产量演变规律及土壤碳转化特征研究

作者：王明达西北农林科技大学

学位级别：硕士

秸秆和地膜覆盖在干旱、半干旱区被广泛用于提高作物产量,但二者增产效应的比较性研究及其不同降雨区适应性缺乏系统研究,同时秸秆和地膜覆盖下土壤碳转化特征及其转化机制仍不完善。因此,本研究以文献数据统计探究秸秆和地膜覆盖下作... 详细信息

秸秆和地膜覆盖在干旱、半干旱区被广泛用于提高作物产量,但二者增产效应的比较性研究及其不同降雨区适应性缺乏系统研究,同时秸秆和地膜覆盖下土壤碳转化特征及其转化机制仍不完善。因此,本研究以文献数据统计探究秸秆和地膜覆盖下作物产量响应特征;基于2003年开始长期覆盖施肥定位试验[撂荒(Fallow);平作无覆盖(CT);平作+秸秆覆盖(SM);垄上覆膜+沟内覆秸秆(RF)],采用土体水平和团聚体尺度相结合,通过碳分布、碳转化相关酶活性及功能基因分析,阐明土壤碳转化特征及其生物学机制。主要研究结果如下:(1)与不覆盖(CK)相比,地膜覆盖(PM)显著提高玉米单作、小麦单作以及小麦-玉米轮作体系作物产量,秸秆覆盖(SM)表现趋势相同,但玉米单作体系二者产量差异不显著;与SM相比,PM显著提高玉米单作和小麦单作体系作物产量,而小麦-玉米轮作体系下二者差异不显著。PM与SM产量比(R)表现为单作玉米(1.28)>单作小麦(1.11)>轮作玉米(1.05)≈轮作小麦(1.04)。生育期降雨量(MSP)对R的调节作用大于整年降雨量(MAP)。MSP分别超过576 mm(单作玉米)、500 mm(轮作玉米)时,R分别稳定在1.082和1.001;MSP分别超过530 mm(单作小麦)、395 mm(轮作小麦)时,R小于1。当覆盖年限超过10.3年(单作玉米)、14.6年(轮作玉米)和16.7年(轮作小麦)时,R小于1;覆盖年限超过3.7年(单作小麦)R稳定在1.075。与CK和PM相比,SM提高土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、速效钾(AK)和微生物生物量碳(MBC)有效性,在单作制度中,覆盖模式间土壤质量指数(SQI)为SM>PM≈CK;轮作制度中SQI表现为SM>PM>CK。MSP、播种期土壤水分(SWC)、SOC和TN是调节R的重要气候和物理化学变量,而与种植制度无关。(2)与CT相比,RF和SM显著提高SWC、SOC、MBC、腐殖酸和富里酸、β-葡萄糖苷酶、纤维素二糖苷酶和过氧化物酶活性,而显著降低土壤容重。与RF相比,SM显著提高土壤有机碳、胡敏素、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素二糖苷酶和过氧化物酶活性,分别提高16.4%、12.8%、48.8%、156.9%、195.1%和22.1%;与Fallow相比,CT显著降低p H,但提高了微生物生物量碳、腐殖质组分的含量和α-葡萄糖苷酶的活性。(3)与CT相比,RF土壤大团聚体比例显著提高7.6%,平均重量直径提高5.9%。覆盖增加大团聚体(>0.25mm)、微团聚体(0.053-0.25mm)和大团聚体内微团聚体的有机碳含量,分别提高10.2%─17.5%、11.4%─17.5%和10.2%─38.1%,且SM的效果大于RF。SOC随着团聚体粒径的增加而提高。与Fallow相比,CT土壤大团聚体比例显著提高9.6%,平均重量直径提高9.0%,大团聚体中的有机碳增加19.5%。覆盖显著提高大团聚体中纤维素二糖苷酶的活性。碳转化相关水解酶在粉粘粒(碳、微生物生物量碳和胞外酶的影响更大。综上可知,长期秸秆覆盖比地膜覆盖有更好的农学效益;团聚体对土壤碳周转的影响比覆盖措施更明显;今后应加强秸秆覆盖下团聚体尺度碳转化特征研究。

关键词：地表覆盖作物产量土壤质量碳转化土壤团聚体

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农田土壤碳转化微生物及其功能的研究进展

亚热带农业研究 2018年第3期14卷 209-216页

作者：郑慧芬曾玉荣叶菁翁伯琦王义祥福建省农业科学院农业生态研究所/福建省红壤山地农业生态过程重点实验室福建福州350013 福建省农业科学院农业经济与科技信息研究所福建福州350003

农田生态系统土壤碳转化是当前陆地生态系统碳循环研究的重要领域之一,而土壤微生物在驱动和调节土壤碳循环中发挥重要作用。简要介绍了参与农田生态系统土壤碳转化的微生物及其功能,包括农田土壤中的固碳细菌、参与农田有机碳转化的细... 详细信息

农田生态系统土壤碳转化是当前陆地生态系统碳循环研究的重要领域之一,而土壤微生物在驱动和调节土壤碳循环中发挥重要作用。简要介绍了参与农田生态系统土壤碳转化的微生物及其功能,包括农田土壤中的固碳细菌、参与农田有机碳转化的细菌和真菌、农田生态系统中与甲烷生成相关的产甲烷菌和甲烷氧化菌等。

关键词：碳转化固碳微生物农田生态系统

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吡虫啉对土壤微生物碳转化的影响

安徽农业科学 2015年第4期43卷 144-145,346页

作者：谭丽超杨鸿鹏单正军环境保护部南京环境科学研究所江苏南京210042

[目的]了解吡虫啉对土壤微生物的影响以及可能对土壤生态环境造成的危害。[方法]比较了吡虫啉质量分数为0.27、1.35mg/kg对农耕土中微生物碳转化的影响。[结果]试验初期土壤微生物碳转化因农药的加入而产生了波动,施用浓度越高,波动效... 详细信息

[目的]了解吡虫啉对土壤微生物的影响以及可能对土壤生态环境造成的危害。[方法]比较了吡虫啉质量分数为0.27、1.35mg/kg对农耕土中微生物碳转化的影响。[结果]试验初期土壤微生物碳转化因农药的加入而产生了波动,施用浓度越高,波动效果越明显,随着时间的推移,碳转化影响逐渐减弱,与对照组趋于一致,对土壤碳转化无长期影响。[结论]试验结果为吡虫啉在其他类型土壤中施用的安全性提供了参考。

关键词：吡虫啉土壤微生物碳转化

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科学家开发出一种将碳转化为金刚石的新方法

中国超硬材料 2021年第2期 84-84页

据外媒报道,莱斯大学的研究人员己经开发出一种方法,它可以将各种来源的碳直接转化为有用的形式如金刚石或石墨烯。该技术利用电的“闪光”来加热碳并将其转化为由闪光长度决定的最终形式。该技术被称为焦耳热闪蒸技术(FJH),该团队于202... 详细信息

据外媒报道,莱斯大学的研究人员己经开发出一种方法,它可以将各种来源的碳直接转化为有用的形式如金刚石或石墨烯。该技术利用电的“闪光”来加热碳并将其转化为由闪光长度决定的最终形式。该技术被称为焦耳热闪蒸技术(FJH),该团队于2020年1月首次描述了这一技术。

关键词：石墨烯金刚石焦耳热莱斯大学直接转化闪蒸技术碳转化闪光