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根际微生境中生化过程的原位可视化研究进展

植物营养与肥料学报 2024年第7期30卷 1387-1395页

作者：顾文杰刘冲王丹李雅莹卢钰升吴杭涛解开治广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室/广东省土壤微生物与耕地保育工程技术研究中心广东广州510640 岭南现代农业科学与技术广东省实验室茂名分中心广东茂名525000

根际及近根际区域(根际微生境)进行着活跃的物质交换和能量流动,大部分陆地生态系统中碳、氧和矿质元素等关键生源要素循环的生化过程都发生在根际微生境中。根际微生境空间动态过程的可视化对于准确捕捉和量化根际界面物质迁移转化过... 详细信息

根际及近根际区域(根际微生境)进行着活跃的物质交换和能量流动,大部分陆地生态系统中碳、氧和矿质元素等关键生源要素循环的生化过程都发生在根际微生境中。根际微生境空间动态过程的可视化对于准确捕捉和量化根际界面物质迁移转化过程和功能至关重要。过去几十年中,采用二维成像方法进行营养元素、酶和微生物等多种生化过程的同步原位可视化研究取得了重要进展。本文系统总结了根际化学环境、微生物环境和代谢物原位可视化研究的最新方法与研究进展,讨论了多参数成像技术在根际微生境研究中的应用前景,并对根际生化过程原位可视化研究的未来发展方向及亟待解决的问题进行了展望。为进一步提高根际原位可视化技术的研发与应用,深入解析微生境中生化过程与机制,需要在以下几方面重点展开研究:1)开展操作简单、耗时少、成本低的可视化技术开发,并进行多参数及多手段耦合的兼容性验证;2)从样品制备和数据整合等方面,开发根际三维及四维可视化方法,探索根际微生境的时空动态可视化;3)研发便携式仪器,开展根际原位可视化技术的田间应用。

关键词：根际微生境多参数成像技术原位可视化

施硅水平对水稻根表铁膜和体内Cd累积分布的影响

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生态环境学报 2024年第5期33卷 781-790页

作者：李林峰徐梓盛陈勇李奇林晓扬李义纯广东省农业科学院农业资源与环境研究所广东广州510640 农业部南方植物营养与肥料重点实验室广东广州510640 广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室广东广州510640

稻田镉(Cd)污染治理是中国当前亟需解决的重大科学问题;根表铁膜是水稻根系吸收Cd的重要屏障,施硅(Si)调控水稻根系抗氧化酶和乙烯合成酶活性影响根表铁膜对Cd的吸附,并改变水稻体内Cd的累积和分布,但不同施Si水平对水稻根表铁膜和体内C... 详细信息

稻田镉(Cd)污染治理是中国当前亟需解决的重大科学问题;根表铁膜是水稻根系吸收Cd的重要屏障,施硅(Si)调控水稻根系抗氧化酶和乙烯合成酶活性影响根表铁膜对Cd的吸附,并改变水稻体内Cd的累积和分布,但不同施Si水平对水稻根表铁膜和体内Cd累积分布的影响尚未完全清楚。采用水稻盆栽试验,探讨高、低两种施Si水平条件下,水稻成熟期不同组织器官中Cd的含量、分布规律和水稻体内Cd的转运能力,以及抽穗期根表铁膜的Cd含量、形貌特征与根系抗氧化酶和乙烯合成酶基因的表达,试图揭示不同施Si水平对水稻根表铁膜Cd吸附和体内Cd累积分布的影响。结果表明,施Si会减少成熟期水稻茎中Cd的含量,增大根系中Cd的分布比例,而高Si水平(0.66 g·kg^(-1))还会进一步降低茎节和糙米中Cd的含量和分布比例,抑制根系转运Cd至糙米的能力。此外,施Si可以增强抽穗期水稻根系超氧化物歧化酶基因(OsSOD-Cu/Zn和OsSOD-Fe)、过氧化氢酶基因(OsCATa和OsCATb)以及乙烯合成酶基因(OsACS1)的表达,高Si水平(0.66 g·kg^(-1))能够显著增加根表铁膜中的DCB-Fe和DCB-Cd含量,增大根表铁膜的表面粗糙度,并且进一步增强根系OsSOD-Fe和OsACS1的表达。研究结果证实施Si水平是影响水稻根表铁膜和体内Cd累积分布的关键因素,高水平Si能够更显著地促进水稻根系抗氧化酶基因的表达,增强铁膜形成及其对Cd的吸附,并且抑制根系Cd向糙米的转运和茎节中Cd的分布,从而降低糙米中Cd的累积。该研究成果可为解决中国稻田Cd污染治理难题提供理论依据。

关键词：水稻施硅水平镉铁膜累积分布基因表达

生物质炭对作物生长和土壤环境影响的研究进展

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安徽农业科学 2024年

作者：胡剑坤喻颖万水霞武际李帆安徽省农业科学院土壤肥料研究所/养分循环与耕地保育安徽省重点实验室

生物质炭是利用废弃生物质经高温炭化得到的多孔富碳固体物,生物质炭的研究应用可实现废弃资源再利用,同时在土壤的固碳培肥上具备一定潜力。近年来关于生物质炭在改良土壤性质、固碳减排、提高作物产量和品质上展开了大量的研究,关于... 详细信息

生物质炭是利用废弃生物质经高温炭化得到的多孔富碳固体物,生物质炭的研究应用可实现废弃资源再利用,同时在土壤的固碳培肥上具备一定潜力。近年来关于生物质炭在改良土壤性质、固碳减排、提高作物产量和品质上展开了大量的研究,关于施加生物质炭对农田生态系统影响的研究已成为当前农业生态和环境科学领域的研究热点。然而生物质炭对农田生态系统的影响因原材料、作物类型、土壤质地而异,目前尚无统一结论。基于国内外有关生物质炭对作物生长、土壤环境的试验研究,以及抑制温室气体排放等方面的研究结论,对已有研究成果做出概括,综合分析了施用生物质炭对农田系统的影响,探讨可能存在的作用机制。总结发现,生物质炭可提高作物产量、改善作物品质和土壤理化性质、增强土壤微生物和酶活性,并具备增加碳汇、缓解温室效应的作用。

关键词：生物质炭土壤改良土壤理化性质固碳减排土壤微生物

营养型阻控剂影响菜园土中水稻生长及其Cd吸收

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农业环境科学学报 2024年第2期43卷 331-338页

作者：唐明灯王艳红李林峰尹贻龙徐梓盛陈勇艾绍英广东省农业科学院农业资源与环境研究所广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室广东省农业面源污染监测评估与防控工程技术研究中心广州510640

为了探索以钙硅钾等营养元素为主要成分的土壤调理剂(营养型阻控剂)对镉(Cd)超标菜园土旱改水时水稻(Oryza Sativa L.)生长及其Cd吸收的影响,于2014年下半年在Cd超标菜园土中施用营养型阻控剂,对不同用量(分别为0、1.5、3.0、4.5、6.0 g... 详细信息

为了探索以钙硅钾等营养元素为主要成分的土壤调理剂(营养型阻控剂)对镉(Cd)超标菜园土旱改水时水稻(Oryza Sativa L.)生长及其Cd吸收的影响,于2014年下半年在Cd超标菜园土中施用营养型阻控剂,对不同用量(分别为0、1.5、3.0、4.5、6.0 g·kg^(-1),分别记作CK、T1、T2、T3、T4)营养型阻控剂的水稻盆栽试验开展研究。结果表明:营养型阻控剂对菜园土中水稻生长没有较好的促进作用,没有提高稻谷产量。供试水稻品种黄超占各部位Cd质量分数大小顺序为根>茎叶>稻米>稻壳,且各部位间达到显著差异水平;所有处理稻米Cd质量分数均低于现行的食品安全国家标准中Cd限量指标;与CK相比,营养型阻控剂显著降低糙米、水稻茎叶、水稻根的Cd质量分数,且呈现随营养型阻控剂用量增加而降低效应更佳的剂量效应;与CK相比,处理T4对稻米、水稻茎叶、水稻根三者Cd质量分数的降低效应最佳,降幅分别为32.8%、39.7%、24.4%;营养型阻控剂显著降低水稻根、茎叶和稻谷中Cd的累积量。施用营养型阻控剂显著提高了土壤pH值,提高的最大值为0.3个单位,但对土壤DTPA-Cd质量分数有提高作用(处理T1的DTPA-Cd质量分数显著大于CK、T3)、对土壤有效态硅质量分数有降低效应(处理T2、T3的有效态硅质量分数显著小于CK)。营养型阻控剂可适用于Cd超标菜园土,通过降低根Cd生物富集系数来显著降低水稻根、茎叶和稻米Cd质量分数,本盆栽试验中营养型阻控剂降低稻米Cd质量分数的最佳用量为6.0 g·kg^(-1)。

关键词：调理剂 Cd 水稻土壤重金属钝化

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珠三角赤红壤常年菜地土壤肥力质量评价

草业学报 2024年第5期33卷 25-40页

作者：宁建凤李彤曾瑞锟姚建武陈勇梁紫薇广东省农业科学院农业资源与环境研究所农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室广东省农业面源污染监测评估与防控工程技术研究中心广东广州510640

赤红壤是广东省地带性土壤,研究位于该地带性土壤的菜地肥力变化特征,以客观评价耕作施肥管理的科学性,助力耕地质量保护与提升。在广东省珠三角地区广州市、江门市、肇庆市、惠州市惠阳区选取了89个蔬菜常年种植菜地,测定了耕层(0~20 ... 详细信息

赤红壤是广东省地带性土壤,研究位于该地带性土壤的菜地肥力变化特征,以客观评价耕作施肥管理的科学性,助力耕地质量保护与提升。在广东省珠三角地区广州市、江门市、肇庆市、惠州市惠阳区选取了89个蔬菜常年种植菜地,测定了耕层(0~20 cm)土壤理化指标,利用第二次全国土壤普查养分分级标准和内梅罗综合指数法分析评价土壤肥力状况。珠三角赤红壤常年菜地土壤质地以壤土、砂质壤土、粉壤土为主,分别占比46.1%、23.6%和19.1%;pH 5.83,呈微酸性;有机质含量23.83 g·kg-1,为中等水平;阳离子交换量8.67 cmol(+)·kg-1,为中等偏下水平;全氮(N)、全磷(P)、全钾(K)含量分别为1.19、1.47、12.53 g·kg-1,其中全氮和全磷含量均属中等水平,全钾含量为中等偏下水平;有效态养分中碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为135.24、120.24、222.48 mg·kg-1,属于丰富(碱解氮和速效钾)和极丰富水平(有效磷)。内梅罗综合指数法评价结果显示,珠三角赤红壤常年菜地土壤综合肥力指数为1.69,属良好等级。相比第二次全国土壤普查广东省赤红壤普查结果,土壤全钾含量不同程度降低,pH值、有机质、全氮、碱解氮含量均不同程度提高,增幅分别为16.6%、23.5%、38.4%和62.5%;阳离子交换量、全磷、有效磷和速效钾含量大幅增加,增幅分别达1.29、6.00、65.80和3.07倍,其中土壤有效磷累积较为普遍。全氮和全磷的年均累积量分别为8.46、32.31 mg·kg-1,碱解氮、有效磷和速效钾年均累积量分别为1.20、3.04、4.30 mg·kg-1。总体上,经过近40年耕种,珠三角赤红壤常年菜地肥力水平不同程度改善,土壤pH由酸性改善为微酸性,阳离子交换性能、有机质、全氮含量提升1个等级,碱解氮和有效钾含量提升2个等级,全磷和有效磷含量分别提升3和5个等级。各肥力指标总体上由原来的极度缺乏至中等偏下状态改善为目前的中等偏下至极丰富水平,总体肥力状况良好。在实施蔬菜有机无机肥配施技术基础上,合理施用氮、钾肥,降低磷肥投入量,可以进一步提升珠三角赤红壤区菜地地力水平,维持土壤资源的可持续利用。

关键词：赤红壤土壤肥力常年菜地阳离子交换量耕地质量

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有机肥与石灰配施对华南酸性土壤的改良效果

农业资源与环境学报 2024年第3期41卷 606-613页

作者：黄建凤吴腾飞叶芳张木逄玉万吴昭云肖勇吴永沛付弘婷李苹广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室广州510640 广东省农业环境与耕地质量保护中心广州510500 广东省农业科学院植物保护研究所广州510640

为明确有机肥与石灰对华南酸性土壤的改良效果,采用田间小区试验,研究了有机肥、石灰分别单施与配施对双季稻区酸性土壤的酸化性质、水稻生长及产量的影响。试验包括5个处理:不施肥(CK)、单施控释肥(CF)、控释肥+石灰(LM)、控释肥+有机... 详细信息

为明确有机肥与石灰对华南酸性土壤的改良效果,采用田间小区试验,研究了有机肥、石灰分别单施与配施对双季稻区酸性土壤的酸化性质、水稻生长及产量的影响。试验包括5个处理:不施肥(CK)、单施控释肥(CF)、控释肥+石灰(LM)、控释肥+有机肥(OF)、控释肥+石灰与有机肥配施(CLO),除CK外,各处理养分保持一致,物料均在水稻移栽前一次性施入土壤。结果表明,CLO处理对土壤pH的改良效果最优,其pH提高了0.42个单位,而OF和LM处理的pH分别提升0.27、0.37个单位;OF处理土壤有机质含量最高,达44.46 g·kg^(-1),其次为CLO处理,达37.76 g·kg^(-1);LM、OF及CLO处理均显著降低了土壤交换性酸含量,降幅最高的处理为CLO,达71.4%。相关性分析表明,土壤交换性氢和交换性铝与pH的回归方程斜率绝对值分别为1.3568和0.1560,均呈显著负相关;LM处理的土壤交换性盐基离子总量达7.52 cmol·kg^(-1),显著高于其他处理,其次为CLO处理,达6.92 cmol·kg^(-1)。配施处理能增加灌浆期水稻叶片叶绿素含量,显著高于CK,增产效果最优。研究表明,有机肥与石灰配施较单独施用对华南酸化土壤的改良效果更好。

关键词：华南酸性土壤有机肥石灰双季稻酸化改良

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化肥减量配施生物炭和秸秆对砂姜黑土区水稻产量、养分吸收和土壤碳的影响

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华中农业大学学报 2024年第5期43卷 116-125页

作者：王静丁树文程益涵万水霞吴萍萍廖斌安徽省农业科学院土壤肥料研究所/国家土壤质量太和观测实验站/养分循环与耕地保育安徽省重点实验室合肥230031 华中农业大学资源与环境学院武汉430070 武汉大学水利水电学院武汉430079

为探讨砂姜黑土区养分资源高效管理和秸秆资源化利用方式,采用田间定位试验,连续2 a研究化肥减量配施生物炭和秸秆对该区域水稻产量、养分吸收和土壤碳的影响。试验设5个处理:①不施肥(CK);②常规施肥(100%NPK);③化肥减量20%(80%NPK);... 详细信息

为探讨砂姜黑土区养分资源高效管理和秸秆资源化利用方式,采用田间定位试验,连续2 a研究化肥减量配施生物炭和秸秆对该区域水稻产量、养分吸收和土壤碳的影响。试验设5个处理:①不施肥(CK);②常规施肥(100%NPK);③化肥减量20%(80%NPK);④化肥减量20%+秸秆(80%NPK+S);⑤化肥减量20%+生物炭(80%NPK+B),测定并分析水稻籽粒产量、地上部生物量、植株氮、磷、钾养分含量、土壤总有机碳(TOC)和微生物量碳(MBC)。结果显示,化肥减量20%配施生物炭或秸秆均有利于提高水稻产量和地上部生物量,且生物炭较秸秆的效果更为显著。化肥减量20%配施生物炭(80%NPK+B)处理的水稻产量和地上部生物量较100%NPK处理分别增加5.2%和4.7%,较80%NPK处理分别增加7.9%和7.2%;化肥减量20%配施秸秆(80%NPK+S)较100%NPK处理的水稻产量和地上部生物量分别增加3.4%和3.0%;80%NPK与100%NPK处理的籽粒和地上部生物量无显著差异;化肥减量20%配施生物炭显著提高了水稻地上部N、P_(2)O_(5)和K_(2)O养分累积量,较100%NPK处理分别提高了10.4%、7.2%和20.0%;化肥减量20%配施秸秆可显著提高氮、钾养分累积量,但却同时显著降低了磷素累积量;化肥减量20%配施生物炭或者秸秆,均有利于改善土壤总有机碳的累积,并且显著提高了土壤微生物量碳的含量,其中生物炭提高土壤总有机碳含量效果优于秸秆,而秸秆提高土壤微生物量碳含量效果优于生物炭。综合来看,在沿淮砂姜黑土区,化肥减量20%配施生物炭或者氮钾减量20%配施秸秆可增加或维持水稻产量,提高水稻对养分的吸收能力,利于固碳培肥。

关键词：化肥减量生物炭秸秆还田养分吸收土壤碳水稻

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珠三角赤红壤常年连作菜地土壤磷库特征

草业学报 2024年

作者：宁建凤陈勇姚建武梁紫薇曾瑞锟王荣辉李彤广东省农业科学院农业资源与环境研究所农业部南方植物营养与肥料重点实验室广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室广东省农业面源污染监测评估与防控工程技术研究中心

磷既是作物营养必需元素也是重要面源污染因子，研究集约化菜地土壤磷库特征，为有针对性地制定菜地磷养分管理措施，降低菜地磷素面源污染风险提供依据。以珠三角地区（广州、江门、肇庆、惠州等地）赤红壤常年菜地系统为研究对象，共... 详细信息

磷既是作物营养必需元素也是重要面源污染因子，研究集约化菜地土壤磷库特征，为有针对性地制定菜地磷养分管理措施，降低菜地磷素面源污染风险提供依据。以珠三角地区（广州、江门、肇庆、惠州等地）赤红壤常年菜地系统为研究对象，共采集89份城郊菜地土壤样品，采用修正的Hedley磷库分级法分析土壤磷组分，探明土壤性质与磷库相关性。赤红壤菜地土壤磷库以无机磷（Pi）为主要赋存形态，无机磷在磷库占比达88%，有机磷（Po）、残余磷在磷库占比均较低，分别为8.1%、3.9%。菜地土壤无机磷含量为1176.78 mg·kg-1，远高于有机磷(109.03 mg·kg-1)和残余磷含量(52.19 mg·kg-1)。无机磷库中，H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、稀HCl-Pi、浓HCl-Pi含量分别为46.35 mg·kg-1、264.64 mg·kg-1、427.45 mg·kg-1、274.82 mg·kg-1、163.52 mg·kg-1，在总磷中相应占比分别为3.32%、20.74%、31.29%、16.32%、14.13%。有机磷库中，NaHCO3-Po、NaOH-Po、浓HCl-Po含量分别为27.24mg·kg-1、62.35 mg·kg-1、19.44 mg·kg-1，占总磷比例依次为2.33%、5.70%、1.56%。NaOH提取磷（NaOH-P）在菜地无机磷库、有机磷库中均占主导地位。从土壤磷活性角度分析，活性磷、中等活性磷、稳定性磷含量分别为338.23 mg·kg-1、764.62 mg·kg-1、235.15 mg·kg-1，在总磷中相应占比分别为25.3%、57.1%、17.6%。几乎全部89个样点土壤活性磷与中等活性磷之和在总磷库占比均超过50%。土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾、阳离子交换量（CEC）均与活性磷、中等活性磷含量呈显著正相关性，且存在浓度效应。赤红壤菜地土壤总体上磷含量丰富、有效性高。施肥、耕作管理等人为活动及赤红壤特性共同影响土壤磷库形成。考虑到赤红壤区的强降水气候特征，常年菜地磷素面源污染风险大，应注意通过合理施肥降低磷的污染风险。

关键词：赤红壤菜地 Hedley磷库分级法无机磷组分有机磷组分磷有效性

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山东省小麦玉米秸秆资源分布与还田减肥潜力

中国农业科学 2024年第11期57卷 2202-2214页

作者：柴如山朱丽青刘梦阳罗来超张亮亮程启鹏张朝春安徽农业大学资源与环境学院/农田生态保育与养分资源高效利用安徽省重点实验室/自然资源部江淮耕地资源保护与生态修复重点实验室安徽农业大学生物技术中心中国农业大学资源与环境学院

【目的】山东地处华北地区，是我国小麦玉米主产省份。明晰其秸秆资源的空间分布特征及秸秆还田的养分替代潜力，可为推进全省秸秆综合高效利用和农田化肥合理减量增效提供决策依据。【方法】基于统计年鉴资料和文献调研数据，利用草谷... 详细信息

【目的】山东地处华北地区，是我国小麦玉米主产省份。明晰其秸秆资源的空间分布特征及秸秆还田的养分替代潜力，可为推进全省秸秆综合高效利用和农田化肥合理减量增效提供决策依据。【方法】基于统计年鉴资料和文献调研数据，利用草谷比法对2019—2021年山东省不同地区小麦玉米秸秆年均产量及还田情景下的化肥可替代量进行测算。【结果】2019—2021年山东省小麦和玉米秸秆年均产量分别为2 928万t和2 252万t，两种秸秆资源的区域占比表现为鲁北（34.9%、34.7%）>鲁西南（27.6%、24.9%）>鲁中（20.2%、21.4%）>鲁东（9.1%、11.3%）>鲁东南（8.2%、7.8%）。单位面积小麦秸秆可收集量排序为鲁北(5 573 kg·hm-2)>鲁西南(5 380 kg·hm-2)>鲁中(5 361 kg·hm-2)>鲁东南(5 088 kg·hm-2)>鲁东(4 968 kg·hm-2)，玉米秸秆可收集量排序为鲁西南(5 121 kg·hm-2)>鲁北(5 034 kg·hm-2)>鲁东南(4 807 kg·hm-2)>鲁中(4 790 kg·hm-2)>鲁东(4 709 kg·hm-2)。秸秆产量较高的菏泽、德州、聊城、济宁和潍坊五市的小麦和玉米秸秆总占比分别为57.5%和55.5%，而秸秆产出较少的东营、淄博、日照和威海四市的两种秸秆总占比分别仅为7.2%和8.0%。全省小麦秸秆N、P2O5、K2O养分年均资源量分别为13.94万t、5.13万t和50.90万t，玉米秸秆N、P2O5、K2O养分资源量分别为16.65万t、6.58万t和36.60万t。区域尺度上单位面积小麦秸秆还田当季的N、P2O5、K2O养分理论可替代化肥的量分别为16.7—18.7、7.8—8.7和110.4—123.8 kg·hm-2，玉米秸秆还田的N、P2O5、K2O养分可替代化肥的量分别为25.4—27.6、11.8—12.8和83.2—90.5 kg·hm-2。【结论】山东省不同地区的小麦玉米秸秆资源总量及单位面积可收集量存在一定差异，应因地制宜加强秸秆高效利用；秸秆还田利用情景下需考虑还田秸秆的替代化肥潜力，以促进化肥减量增效和农业绿色发展。

关键词：小麦玉米秸秆资源秸秆还田化肥替代山东省