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基于生态安全的我国土壤镉环境基准研究

地学前缘 2024年第2期31卷 130-136页

作者：丁昌峰周志高王玉荣张桃林王兴祥中国科学院南京土壤研究所江苏南京210008 中国科学院大学北京100049 中国科学院红壤生态实验站江西鹰潭335211

土壤镉(Cd)污染的生态安全问题不容忽视,我国目前尚缺乏基于生态风险的土壤Cd环境基准。本研究通过调研国内外关于土壤Cd的生态毒性研究,收集并筛选基于我国土壤的Cd毒性效应数据,采用物种敏感性分布法并结合Cd的生态毒性预测模型,推导... 详细信息

土壤镉(Cd)污染的生态安全问题不容忽视,我国目前尚缺乏基于生态风险的土壤Cd环境基准。本研究通过调研国内外关于土壤Cd的生态毒性研究,收集并筛选基于我国土壤的Cd毒性效应数据,采用物种敏感性分布法并结合Cd的生态毒性预测模型,推导不同用地方式下的土壤全量和EDTA提取态Cd生态安全环境基准。共收集与筛选出包含13个物种或生态过程的126个土壤Cd生态毒性数据,其中陆生植物毒性数据60个(6个物种)、无脊椎动物毒性数据39个(3个物种)、生态过程毒性数据27个(4种指标)。土壤Cd生态毒性预测模型研究结果表明,土壤pH是影响Cd生态毒性的最重要因子。自然保护地和农业用地、公园用地、住宅用地、商服及工业用地不同土壤pH值范围的土壤全量Cd生态安全基准分别为1.91~5.25、3.94~11.1、7.59~22.0和10.5~30.8 mg·kg^(-1),基于EDTA提取态Cd的生态安全基准分别为1.13~3.12、2.34~6.62、4.51~13.1和6.24~18.4 mg·kg^(-1)。研究结果可为我国土壤污染风险管控标准的制修订提供依据。

关键词：土壤镉生态毒性物种敏感性分布环境基准

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花生全生育期镉吸收及迁移转运特征

中国油料作物学报 2024年

作者：唐鑫王玉荣周志高丁昌峰王兴祥中国科学院南京土壤研究所中国科学院大学

为探明花生籽粒镉（Cd）积累的关键时期和花生生长过程中Cd的吸收分配动态，选择花育22、湘花2008和粤油43三个花生品种进行田间试验，分析花生不同生育期各器官中Cd含量和转运系数（TF）的动态变化，并比较品种间的差异。实验结果表明... 详细信息

为探明花生籽粒镉（Cd）积累的关键时期和花生生长过程中Cd的吸收分配动态，选择花育22、湘花2008和粤油43三个花生品种进行田间试验，分析花生不同生育期各器官中Cd含量和转运系数（TF）的动态变化，并比较品种间的差异。实验结果表明籽粒中大于69%的Cd来自于结荚前期至饱果初期，且与籽粒生物量增长的关键时期一致。花生植株对Cd的吸收高峰期在结荚中期，进入饱果初期后，植株Cd净增长量急剧减少并保持较低的增长水平。花生根系吸收的Cd能高效地转运到地上部，其转运系数随着花生的生长持续提高，在花针期到达峰值，而后逐渐下降，但仍保持较高的转运系数（TF> 1）。Cd从地上部转运至荚果是相对低效的过程，在整个生殖生长期保持相对稳定（TF≤0.2），而Cd从果壳到籽粒的转运效率较高，随着荚果的发育迅速增加，在饱果前期到达峰值，而后保持稳定或略有下降。花生吸收的Cd主要分配至茎叶，占植株Cd总量的80%以上。花育22茎叶的生长优势和相对较低的壳-籽粒的转运系数是其籽粒Cd积累低于另外两个品种的重要原因。减少生殖生长期，尤其是结荚初期及以后花生根系对Cd的吸收和Cd从地上部向荚果的迁移，以及限制结荚前期到饱果初期Cd从果壳向籽粒的转运是控制花生籽粒镉积累的关键。

关键词：花生镉红壤动态规律关键生育期

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氢气代谢及其环境生物修复功能研究进展

土壤学报 2024年第4期61卷 916-928页

作者：徐勇峰滕应骆永明中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008

分子氢是多种微生物代谢之间相互作用的关键中介物,环境中产氢微生物和耗氢微生物的活动决定了全球氢气循环,对其他重要元素生物地球化学循环具有潜在的驱动作用。环境功能微生物在维持环境生态系统平衡、消除次生环境污染等领域中扮演... 详细信息

分子氢是多种微生物代谢之间相互作用的关键中介物,环境中产氢微生物和耗氢微生物的活动决定了全球氢气循环,对其他重要元素生物地球化学循环具有潜在的驱动作用。环境功能微生物在维持环境生态系统平衡、消除次生环境污染等领域中扮演着不容忽视的重要作用。因此,理解环境中氢气代谢(氢气的产生和消耗)微生物对生态环境的影响及其在环境生物修复中的作用与功能,对认识氢气的生态环境效应并将该生物能源应用于生物修复具有重要的科学意义和实践价值。系统分析了氢气代谢过程及氢化酶的分类和功能,总结了微生物产生和消耗氢气的多种途径及其对土壤生态环境效应和生物修复作用的影响,指出了目前氢气代谢过程及氢化酶应用于环境生物修复领域存在的关键科学技术问题,提出了未来的研究思路与重点方向,以推动氢气这种生物能源成就一种有前景的环境污染修复策略。

关键词：氢气氢化酶土壤生物修复微生物

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中国科学院常熟农业生态实验站

中国科学院院刊 2024年第7期39卷 1288-1291,F0004页

作者：中国科学院南京土壤研究所中国科学院南京土壤研究所南京211135

中国科学院常熟农业生态实验站(以下简称“常熟站”)隶属于中国科学院南京土壤研究所,前身为中国科学院南京土壤研究所太湖农业生态试验站。20世纪50—80年代,中国科学院南京土壤研究所在太湖平原实施了一系列卓有成效的土壤改良、合理... 详细信息

中国科学院常熟农业生态实验站(以下简称“常熟站”)隶属于中国科学院南京土壤研究所,前身为中国科学院南京土壤研究所太湖农业生态试验站。20世纪50—80年代,中国科学院南京土壤研究所在太湖平原实施了一系列卓有成效的土壤改良、合理施肥、丰产试验等科研任务。由南京土壤研究所承担的“六五”国家科技攻关计划“太湖地区高产土壤的培育与合理施肥的研究”结束后,南京土壤研究所明确把水稻土、红壤、潮土三类主要农业土壤作为以后的研究工作重点,所领导与长期在太湖地区的研究人员认为,要把太湖地区工作延续下去,必须建立一个相对稳定的试验站,作为水稻土、经济发达地区农业与生态环境变化的研究基地,在此背景下,常熟站于1987年6月应运而生。

关键词：南京土壤研究所中国科学院丰产试验科研任务生态实验站合理施肥生态试验站土壤改良

作物—牲畜—生物能源综合系统对中国农业源温室气体的影响评估

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地理学报 2024年第1期79卷 28-44页

作者：张帆蔡颖邓祥征姜群鸥吴锋中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院大学北京100049 北京林业大学水土保持学院北京100083

对农作物和畜牧业生产系统中的剩余秸秆和粪便进行生物能源化利用,不仅有利于缓解作物—牲畜系统农业剩余物排放对环境造成的压力,还能通过最终产品的使用来抵消相关的温室气体排放。本文构建了一个作物—牲畜—生物能源一体化的综合系... 详细信息

对农作物和畜牧业生产系统中的剩余秸秆和粪便进行生物能源化利用,不仅有利于缓解作物—牲畜系统农业剩余物排放对环境造成的压力,还能通过最终产品的使用来抵消相关的温室气体排放。本文构建了一个作物—牲畜—生物能源一体化的综合系统框架,基于生命周期评价法估算了2010—2019年中国及各省份作物和畜牧生产系统中各过程的温室气体排放清单;对比了作物—牲畜—生物能源综合系统和传统系统在不同生产环节的排放差异,评估了综合系统对农业源温室气体排放的环境影响。研究结果显示:(1)作物秸秆管理、牲畜肠道发酵和作物生产能源消耗贡献了基准情景下中国主要的农业源温室气体排放,作物和牲畜系统中温室气体来源呈现出显著的地区差异。(2)环境影响强度在部分地区或省份呈现波动变化趋势,其中,华东地区的排放强度下降幅度较大(-0.73×10^(-2)),新疆的增幅最大(0.63×10^(-2))。(3)作物和畜牧生产系统中可利用的剩余秸秆和粪便数量可观,综合系统对农业源温室气体排放起到缓解作用,全国范围内缓解程度不同,最大时可减缓约67%的环境影响。

关键词：作物—牲畜—生物能源系统农业源温室气体生命周期评价环境影响时空演化

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Cu含量对管线钢耐微生物腐蚀性能的影响

金属学报 2024年第1期60卷 43-56页

作者：曾云鹏严伟史显波闫茂成单以银杨柯中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学院金属研究所中国科学院核用材料与安全评价重点实验室沈阳110016

含Cu耐微生物腐蚀管线钢的开发和应用是解决管道微生物腐蚀难题的有效措施。本工作利用电化学测试及SEM、激光共聚焦显微镜(CLSM)等分析技术,研究了不同Cu含量(0、0.7%、1.34%,质量分数)的X65级管线钢在无菌和接种硫酸盐还原菌(SRB)的... 详细信息

含Cu耐微生物腐蚀管线钢的开发和应用是解决管道微生物腐蚀难题的有效措施。本工作利用电化学测试及SEM、激光共聚焦显微镜(CLSM)等分析技术,研究了不同Cu含量(0、0.7%、1.34%,质量分数)的X65级管线钢在无菌和接种硫酸盐还原菌(SRB)的近中性模拟土壤浸出液(NS4)中的腐蚀行为,为耐微生物腐蚀管线钢的优化设计提供依据。结果表明,随着Cu含量的升高,含Cu管线钢的抗菌性能和耐蚀性能均有所提高;当Cu含量从0增加到0.70%时,试样表面的点蚀坑密度从714 cm^(-2)下降到244 cm^(-2);当Cu含量达到1.34%时,点蚀坑密度进一步下降到67 cm^(-2);含Cu钢在腐蚀过程中持续释放的铜离子在接菌环境中的杀菌作用和其对腐蚀产物层的改善作用,以及其在无菌环境中所形成的Cu2O等保护性腐蚀产物是含Cu管线钢具有优异耐蚀性能的关键原因。

关键词：微生物腐蚀硫酸盐还原菌含Cu管线钢抗菌性能耐蚀性能

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赣南稀土尾矿山土体硝态氮累积特征研究

土壤学报 2024年第3期61卷 727-736页

作者：许哲杨金玲赵越张甘霖土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所) 南京210008 中国科学院大学北京100049 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008

稀土开采会造成大量浸矿剂(硫酸铵)残留在土壤中,高浓度铵态氮(NH_(4)^(+)-N)可能在生物化学作用下转化为硝态氮(NO_(3)^(-)-N)。为探明NO_(3)^(-)-N在稀土尾矿山土体内的含量及影响因素,明确硝酸盐污染程度,本研究选择赣南地区一个离... 详细信息

稀土开采会造成大量浸矿剂(硫酸铵)残留在土壤中,高浓度铵态氮(NH_(4)^(+)-N)可能在生物化学作用下转化为硝态氮(NO_(3)^(-)-N)。为探明NO_(3)^(-)-N在稀土尾矿山土体内的含量及影响因素,明确硝酸盐污染程度,本研究选择赣南地区一个离子型稀土原地浸矿尾矿山,由表土分层采样至基岩面,并分析土壤NO_(3)^(-)-N及相关的理化性质。研究结果表明,尾矿山土体NO_(3)^(-)-N含量变异范围非常大(2.80~193.99 mg·kg^(–1)),其平均值为46.30±55.16 mg·kg^(–1),表层土壤NO_(3)^(-)-N含量范围为2.89~6.75 mg·kg^(–1),与自然土壤相近;表层以下土壤NO_(3)^(-)-N含量明显高于自然土壤。尾矿山土体深部含矿层土壤NO_(3)^(-)-N含量明显高于表层,NO_(3)^(-)-N含量随深度的分布规律与自然土壤相反,这是矿体部分残留大量浸矿剂造成的。土壤NH_(4)^(+)-N含量主导了NO_(3)^(-)-N的产生量,但NO_(3)^(-)-N在土体不同深度、山体不同部位的累积量还受降雨淋溶及NO_(3)^(-)-N迁移过程的控制。开采结束4年后,尾矿山内累积的NO_(3)^(-)-N仍不断向环境中释放。长期来看,尾矿山土壤中富集的NH_(4)^(+)-N将不断转化为NO_(3)^(-)-N并随水迁移,持续威胁生态环境及人类健康。本研究可为稀土原地浸矿场地土壤及下游水体污染的评价和治理提供理论基础与科学支撑。

关键词：氮转化硝态氮分布硝态氮迁移离子型稀土矿区土壤

晶相设计钌基纳米催化剂提高CO2甲烷化活性（英文）

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第6期61卷 226-236页

作者：杨冲亚王玮珏卓红英沈铮张天雨杨小峰黄延强中国科学院大连化学物理研究所中国科学院航天催化材料重点实验室中国科学院大学北京林业大学环境科学与工程学院

金属纳米颗粒在许多化学反应中表现出优异的催化性能,因而广泛用于能源和环境等催化领域.形貌是影响其催化行为的关键因素之一,它通过改变金属纳米颗粒表层原子排列结构,进而调控化学反应过程中的物质吸附、催化机理和反应动力学.此外,... 详细信息

金属纳米颗粒在许多化学反应中表现出优异的催化性能,因而广泛用于能源和环境等催化领域.形貌是影响其催化行为的关键因素之一,它通过改变金属纳米颗粒表层原子排列结构,进而调控化学反应过程中的物质吸附、催化机理和反应动力学.此外,由于金属存在多种晶相结构,其纳米颗粒暴露的表面结构也可通过改变晶相得以实现.该调控策略可使得纳米颗粒具有独特的表面结构,并展现出不同的催化性能.因此,金属纳米颗粒的晶相设计为优化金属催化剂的催化性能提供了一种有效方式.Ru基纳米催化剂对CO2甲烷化反应具有较好的活性和选择性,且密堆积的Ru（0001）晶面被证明是hcp相Ru纳米催化剂的活性中心,而（10-11）面对CO2甲烷化反应的贡献较小.因此,开发具有更丰富密堆积fcc-（111）表面的Ru基纳米催化剂,有望大幅提高CO2甲烷化的活性.本文首先通过密度泛函理论计算和微观动力学模拟,研究了fcc相Ru纳米催化剂的密堆积（111）晶面上CO2加氢反应的催化机理.结果表明,与hcp-（0001）相比,该密堆积的fcc-（111）表面因能促进CO2的吸附活化,而具有更好的CO2甲烷化反应活性.制备了具有完全暴露fcc-（111）晶面的二十面体Ru金属纳米颗粒,并将其负载于惰性载体氧化铝上,结果表明,CO2甲烷化活性比传统六方密堆积相（hcp）的钌基催化剂高5-8倍,证实了fcc相催化剂具有更高的甲烷化催化性能,同时,在较高的反应温度下,fcc-晶相的Ru基催化剂在初始反应阶段甲烷化反应活性逐渐下降,但其CO2甲烷化活性仍远高于hcp-相催化剂.原位X射线衍射和环境透射电镜等结果表明,在反应温度高于250℃条件下,fcc-晶相的金属催化剂发生部分晶相转变.该相变主要发生于Ru金属纳米颗粒的聚集体,并伴随着金属粒子的团聚和粒径的增长;然而,单颗粒分散的Ru纳米粒子在相同条件下仍能维持其fcc-晶相,从而确保了其较高的甲烷化活性.此外,原位红外结果进一步证实了CO2甲烷化在Ru基纳米催化剂上通过氢化生成HCOO*中间体的反应路径,以及Ru纳米颗粒在反应过程中的动态结构演化.综上,金属纳米颗粒的晶相设计是调控表面原子结构及其催化反应性能的有效手段.通过对Ru基纳米催化剂的晶相设计,可以显著提升其在CO2甲烷化反应中的催化活性.然而,潜在的高温晶相转变可导致催化剂活性的部分失活.总之,晶相设计通过对金属纳米粒子表面原子结构的调变,为高效催化剂的设计开发和反应机理的深入研究提供了新的机遇.

关键词：晶相设计面心立方相钌纳米催化剂二氧化碳甲烷化相变

松嫩典型黑土区耕地黑土层厚度数字制图方法比较

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地球信息科学学报 2024年第6期26卷 1452-1468页

作者：郭俊辉刘峰徐胜祥高璐璐赵治东胡文友于东升赵玉国中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室南京210008 中国科学院大学北京100049 中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室南京210008 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院淮南232001

黑土层厚度与农田土壤肥力和质量密切相关,准确刻画东北松嫩典型黑土区耕地黑土层厚度的空间分布对黑土地保护和农业可持续发展具有重要意义。然而,常用的预测模型在平原漫岗地区进行数字制图具有较大的难度,如何准确预测黑土层厚度的... 详细信息

黑土层厚度与农田土壤肥力和质量密切相关,准确刻画东北松嫩典型黑土区耕地黑土层厚度的空间分布对黑土地保护和农业可持续发展具有重要意义。然而,常用的预测模型在平原漫岗地区进行数字制图具有较大的难度,如何准确预测黑土层厚度的空间分布特征是亟待解决的问题。选取东北地区松嫩典型黑土区作为研究区,以研究区内106个剖面点和45个环境因子为基础数据,通过因子重要性排序和相关性剔除法筛选变量,利用多元线性回归(Multiple Linear Regression,MLR)、随机森林(Random Forest,RF)、梯度提升树(Gradient Boosting Decsion Tree,GBDT)、极端梯度提升(Extreme Gradient Boosting,XGBoost)、随机森林回归克里格(Random Forest-Regression Kriging,RF-RK)和堆叠泛化模型(Stacking)对黑土层厚度进行空间预测制图,评估不同模型预测精度并研究影响黑土层厚度空间分布的最优协变量,并基于较优模型绘制东北黑土区耕地黑土层厚度分级图。结果表明:①Stacking组合多种模型的优点,预测性能表现最佳(R^(2)=0.47,MAE=21.02 cm,RMSE=27.12 cm),其次是RF-RK和RF;②通过变量筛选剔除低贡献度的环境变量后,不同模型的R^(2)平均提高0.11,其中MLR提升幅度最大为0.32;③不同模型预测的松嫩典型黑土区黑土层厚度空间分布趋势基本一致,60 cm以上的黑土层主要分布在研究区的东北部和东南部,而30 cm以下的黑土层主要分布在研究区的西南部。在平原漫岗地区,RF-RK和Stacking可以作为黑土层厚度预测的有效方法,总初级生产力(GPP)、坡度坡长因子(LS)和地表温度最大值合成(LSTm)是模型中最重要的解释变量,且黑土层厚度的空间分布信息能为黑土区耕地黑土保护和农业可持续发展提供数据支持。

关键词：黑土层厚度数字土壤制图变量筛选机器学习随机森林回归克里格堆叠泛化模型空间分异特征最优协变量