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不同成土模式下黑土有机质热稳定性剖面分异特征

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土壤学报 2024年第3期61卷 662-673页

作者：龚可杨杨飞隆浩谷俊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 湖泊与环境国家重点实验室(中国科学院南京地理与湖泊研究所) 南京210008 中国科学院流域地理学重点实验室(中国科学院南京地理与湖泊研究所) 南京210008

土壤有机质(soil organic matter,SOM)含量及其稳定性是评价土壤质量的重要指标,热重分析法在反映SOM含量与热稳定性方面显示出了较好的潜力而受到重视。探究不同成土模式下黑土SOM热稳定性在剖面尺度的分异规律及影响因素,可以为黑土... 详细信息

土壤有机质(soil organic matter,SOM)含量及其稳定性是评价土壤质量的重要指标,热重分析法在反映SOM含量与热稳定性方面显示出了较好的潜力而受到重视。探究不同成土模式下黑土SOM热稳定性在剖面尺度的分异规律及影响因素,可以为黑土资源保护与碳固定提供理论参考。本研究在东北典型黑土区采集了相对稳定地形条件下(平坦)自然发育的3个典型黑土剖面和非稳定地形条件下(有地表侵蚀和沉积)受侵蚀堆积过程影响的2个黑土剖面,采用热重分析法,基于不同温度区间的质量损失,分别以Exo1(200~350℃区间的质量损失)和Exo2(350~550℃区间质量损失)代表热易分解SOM和热稳定SOM,以微分热重曲线及热重参数指标(Exo1/Exo2和TG-T50)表征不同土壤剖面的SOM热稳定性分异特征,并结合傅里叶红外光谱讨论了SOM化学稳定性剖面分异特征。结果表明:稳定地形下自然发育的黑土,热易分解SOM(Exo1)含量相较于热稳定SOM(Exo2)含量随深度下降更快,Exo1/Exo2随深度减小,TG-T50随深度增加,脂肪族碳/芳香族碳减少,SOM稳定性随深度增加。非稳定地形条件下,黑土SOM热稳定性并未随深度表现出规律性下降趋势,存在深层SOM含量和Exo1/Exo2高于表层的现象,这主要是由于复杂的地表历史过程导致母质和SOM来源不同。本研究证实了热重分析法在反映SOM稳定性方面的适用性。黑土中SOM稳定性的剖面变化在很大程度上受成土模式的制约,而成土模式与地貌稳定性密切相关。侵蚀过程携带的大量热易分解SOM在坡面下部及流域沉积地形部位堆积,由于埋藏作用,这些热易分解SOM可以长期存在于深层土壤中。然而,非稳定地形区域一旦再遭侵蚀,这些埋藏的不稳定SOM很可能再次启动分解过程,同样可以导致大量埋藏的“老碳”被释放,成为黑土区碳排放的“热点”。

关键词：黑土热重分析热易分解有机质热稳定有机质

秸秆与有机无机肥配施对不同质地潮土土壤质量和小麦产量的影响

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土壤学报 2024年

作者：郭伟李丹丹徐基胜周云鹏王青霞周谈坛赵炳梓中国科学院大学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) 中国科学院大学南京学院

秸秆与化肥和粪肥配施是改善土壤质量的有效措施，但其在不同质地潮土中对小麦产量的影响及影响机制尚不清楚。本研究基于中国科学院封丘农业生态实验站设置的7年长期定位试验，选取砂质、壤质和黏质3种质地潮土（下文分别简称砂土、壤... 详细信息

秸秆与化肥和粪肥配施是改善土壤质量的有效措施，但其在不同质地潮土中对小麦产量的影响及影响机制尚不清楚。本研究基于中国科学院封丘农业生态实验站设置的7年长期定位试验，选取砂质、壤质和黏质3种质地潮土（下文分别简称砂土、壤土和黏土），每种质地潮土均包含5个处理：不施化肥+秸秆离田（N0S0）、不施化肥+秸秆还田（N0S）、常规施化肥+秸秆离田（NS0）、常规施化肥+秸秆还田（NS）和施化肥+秸秆还田+鸡粪替代20%氮肥（NSM），研究了不同施肥模式在不同质地潮土中对土壤质量和小麦产量的影响。结果表明，在砂土、壤土和黏土中，与N0S0处理相比，NS处理的籽粒产量分别增加611.56%、440.00%和403.55%，NSM处理的籽粒产量分别增加676.56%、546.67%和492.86%。在砂土、壤土和黏土中，与N0S0处理相比，N0S和NS0处理的土壤质量指数（SQI）显著提升，NS处理则进一步提升。NSM处理在砂土中SQI优于NS处理，但在壤土和黏土中与NS处理无显著差异。随机森林分析表明，砂土中，pH、碱解氮（AHN）、可溶性有机氮（DON）、有效磷（AP）、有机碳（SOC）和速效钾（AK）是影响籽粒产量的关键土壤性质；壤土中，AP、pH、AK、AHN、微生物生物量碳（MBC）和SOC是影响籽粒产量的关键土壤性质；黏土中，AP、DON、AHN和pH是影响籽粒产量的关键土壤性质。偏最小二乘路径模型表明，在砂土、壤土和黏土中，影响小麦产量的关键土壤性质均受施肥模式显著调控，且均对SQI具有显著影响，而SQI均对小麦籽粒产量具有直接显著影响，影响小麦产量的关键土壤性质可以作为监测土壤质量和小麦产量变化的指标以指导优化施肥。此外，在壤土中，SQI还通过影响小麦产量构成因素而间接影响籽粒产量。因此，秸秆与化肥和鸡粪配施改善了土壤质量，并在不同质地潮土中通过不同作用方式直接或间接影响了小麦产量。

关键词：秸秆还田有机肥化肥土壤质量养分含量小麦产量

水热条件变化对黑土细菌群落结构的影响及其演替特征

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微生物学报 2024年第6期64卷 1766-1778页

作者：吕雯肖娴倪浩为赵远梁玉婷常州大学环境科学与工程学院江苏常州213164 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江苏南京210008

全球气候变化导致的水热条件变化,对土壤微生物群落结构及功能产生重要影响。深入理解这些变化如何影响微生物群落的结构及其随时间的演替,对于有效预测和适应未来的气候变化至关重要。【目的】在气候变化背景下,本研究旨在探索黑土细... 详细信息

全球气候变化导致的水热条件变化,对土壤微生物群落结构及功能产生重要影响。深入理解这些变化如何影响微生物群落的结构及其随时间的演替,对于有效预测和适应未来的气候变化至关重要。【目的】在气候变化背景下,本研究旨在探索黑土细菌群落的多样性、组成和结构,以及群落演替特征的变化情况。【方法】利用中国科学院海伦、封丘、鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站长期土壤置换实验平台,选择寒温带地区(中国海伦)的黑土作为研究对象,并将其移置于暖温带地区(封丘)和中亚热带地区(鹰潭)以模拟水热条件增加。通过采集2005年至2011年的63个黑土样本(包括原位、移置封丘县和移置鹰潭市),利用16S rRNA基因高通量测序技术,研究了水热条件变化对黑土细菌群落多样性、组成和结构的影响;同时结合土壤理化性质,分析环境因素与微生物群落特征间的关系,并计算物种周转率(w)。【结果】经过6年的移置,将寒温带黑土移至暖温带和中亚热带后,土壤的理化性质发生了显著改变。土壤有机质和全氮含量显著降低,地上部生物量显著减少。土壤细菌群落的多样性下降,群落组成和结构发生了显著变化。主要细菌类群包括疣微菌门(Verrucomicrobia)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)等,其中疣微菌门在移置鹰潭地区后的相对丰度显著增加。此外,气候因子与微生物群落特征高度相关。非度量多维尺度分析显示,群落结构随水热条件和时间的变化而演替,这与微生物时间周转率的增加相关。在不同水热条件下,细菌群落的时间周转率差异显著,依次为0.030(海伦)<0.033(封丘)<0.045(鹰潭)。【结论】6年的水热条件增加显著降低了细菌群落的多样性,显著改变了其组成和结构,并加快了细菌群落时间周转率的响应。

关键词：水热增加土壤置换实验细菌群落群落演替黑土

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甲壳生物质去除酸性矿坑水中镉的性能与机制

环境工程学报 2024年第1期18卷 189-196页

作者：贾郁菲陈宏坪李婧张文影艾雨露韩璐陈梦舫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 南京景鸿泽环境科技有限公司南京210000

采用低成本、可持续修复材料处理酸性矿坑水(acid mine drainage,AMD)具有重要的科研价值和应用前景。选取基围虾、对虾、蛎虾和梭子蟹壳4种甲壳生物质,探究其对AMD模拟水样及恒定pH的AMD水样中镉的去除性能与机制。结果表明:甲壳生物... 详细信息

采用低成本、可持续修复材料处理酸性矿坑水(acid mine drainage,AMD)具有重要的科研价值和应用前景。选取基围虾、对虾、蛎虾和梭子蟹壳4种甲壳生物质,探究其对AMD模拟水样及恒定pH的AMD水样中镉的去除性能与机制。结果表明:甲壳生物质具有良好的镉去除能力(112.38~235.45 mg·g^(-1)),其含有丰富的碳酸钙对镉去除起了至关重要的作用,可通过中和作用调高AMD的pH值,降低镉的迁移能力;也可与镉离子形成碳酸镉沉淀,促进镉的固定。此外,甲壳生物质中大量的羟基、羧基等官能团可通过络合作用捕获镉离子。研究结果为甲壳生物质的资源化利用和废弃矿山AMD的低成本、可持续修复提供了理论依据。

关键词：酸性矿坑水甲壳生物质镉虾壳资源化利用

蛋白质组学分析揭示水稻地上部对缺铁和高铁胁迫的响应

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土壤学报 2024年第1期61卷 118-128页

作者：张欣王若男沈仁芳兰平土壤与农业可持续国家重点实验室(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

铁在矿质土壤中含量丰富,但在中性和碱性土壤中大多以不易被植物吸收利用的氧化物或氢氧化物形式存在;稻田土壤在淹水条件时氧化还原电位较低,大量铁以易被植物吸收利用的亚铁形式存在。土壤中铁的生物有效性过低或过高均会导致植物的... 详细信息

铁在矿质土壤中含量丰富,但在中性和碱性土壤中大多以不易被植物吸收利用的氧化物或氢氧化物形式存在;稻田土壤在淹水条件时氧化还原电位较低,大量铁以易被植物吸收利用的亚铁形式存在。土壤中铁的生物有效性过低或过高均会导致植物的生长发育受阻。本研究对缺铁(0μmol·L^(-1))、铁充足(40μmol·L^(-1))和高铁(350和500μmol·L^(-1))条件生长的水稻地上部进行了非标记蛋白质组学分析。结果显示,与铁充足条件相比,缺铁和两种浓度的高铁胁迫水稻中分别有130、157和118个蛋白质的丰度发生显著变化。基因本体富集分析显示,缺铁和高铁胁迫下的差异蛋白在初级代谢过程、有机氮化合物代谢过程、蛋白质代谢过程和细胞成分组织或生物发生等生物学过程均显著富集;差异蛋白还参与核糖体、光合作用和氧化磷酸化等代谢途径。缺铁胁迫显著影响参与苯丙烷类物质和辅助因子生物合成的蛋白质丰度,而高铁胁迫则引起氨基酸生物合成过程的蛋白质丰度发生显著变化。本研究发掘到一系列可用于水稻铁高效育种工作的候选蛋白,还发现了一些功能未知的差异蛋白可作为后续水稻铁胁迫响应的研究目标,同时为理解植物应对铁胁迫的完整响应网络提供了补充信息。

关键词：铁胁迫蛋白质组光合作用核糖体氧化胁迫氨基酸的生物合成

稻田水系统单元的功能及其协同作用促进农业面源污染减排

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水生态学杂志 2024年

作者：罗华溢金泽凡唐次来孙朋飞吴永红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三峡大学水利与环境学院

整合稻田、排水沟渠、沟塘湿地等水体单元，形成一体化的水生环境，对稻田水系统各单元的功能进行梳理。通过对稻田水系统各单元的全程调控，强化其协同作用，改变系统内部的污染状态，实现对农业面源污染的源头控制、过程削减和末端治... 详细信息

整合稻田、排水沟渠、沟塘湿地等水体单元，形成一体化的水生环境，对稻田水系统各单元的功能进行梳理。通过对稻田水系统各单元的全程调控，强化其协同作用，改变系统内部的污染状态，实现对农业面源污染的源头控制、过程削减和末端治理，以达到改善农业生态环境，提升稻田生态系统环境承载力的目的。综述了稻田、排水沟、渠、水塘的主要功能，及其协同作用对于提升稻田生态系统的自净能力和农业面源污染控制的重要作用。同时，建议进一步研究稻田水系统中各单元对氮磷的吸纳容量，因地制宜地选择和管理基质和水生植物，并建立野外检测系统，以便探索各因素对稻田水系统净化能力的影响。

关键词：稻田水系统沟塘湿地面源污染氮磷

酸性逆境土壤中根际微生物调控植物根系构型的作用机制

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环境科学 2024年

作者：沈心涛涂保华刘朝阳赵远丁骥贤梁玉婷常州大学环境科学与工程学院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

红壤在我国农业耕地资源中占据重要地位，但其低pH值、高铝浓度和磷素利用效率低等特性限制了酸性红壤的农田生产力.植物根系具有显著的可塑性，不仅能够吸收水分和养分，还能通过自身或根际微生物诱导调控根系构型，以应对生物和非生... 详细信息

红壤在我国农业耕地资源中占据重要地位，但其低pH值、高铝浓度和磷素利用效率低等特性限制了酸性红壤的农田生产力.植物根系具有显著的可塑性，不仅能够吸收水分和养分，还能通过自身或根际微生物诱导调控根系构型，以应对生物和非生物胁迫.根际益生微生物（包括丛枝菌根真菌、根瘤菌等植物根际促生菌和合成微生物群落）通过调控植物根系构型来促进植物耐逆性.其主要调控作用包括：产生激素、释放挥发性有机物、固氮、溶磷和改善根际土壤结构等机制.以上机制可以影响根系生物量、根系分支、侧根和根毛的生长.进一步探讨了植物根系构型及根际微生物的可视化新方法，为研究根际微生物调控根系构型提供了技术支持.在酸性土壤条件下，根际微生物作为重要的调控策略，可以通过调整植物根系构型提高酸性土壤生产力，是改善酸性土壤障碍因子的潜在解决途径.

关键词：酸性土壤铝毒根系构型根际微生物 X射线CT

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土壤碳氮循环综合研究支撑农业可持续发展

中国科学院院刊 2024年第7期 1276-1287页

作者：赵旭夏龙龙夏永秋颜晓元中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展重点实验室(中国科学院) 中国科学院常熟农业生态实验站中国科学院大学南京学院

常熟农业生态实验站（以下简称“常熟站”）成立于1987年，是中国科学院设在长江三角洲地区的唯一从事农业、资源与生态环境多学科综合观测、研究与示范基地。建站以来，常熟站在全国率先开展土壤氮素循环、农田固碳减排、农业面源污染... 详细信息

常熟农业生态实验站（以下简称“常熟站”）成立于1987年，是中国科学院设在长江三角洲地区的唯一从事农业、资源与生态环境多学科综合观测、研究与示范基地。建站以来，常熟站在全国率先开展土壤氮素循环、农田固碳减排、农业面源污染等颇具特色的系统研究工作。近5年来，围绕我国农业可持续发展的优化施氮、碳减排与面源污染治理三大科技问题，创建了以经济和环境经济指标为依据的全国水稻适宜施氮量分区确定方法，提出了生物炭施用结合氮肥优化管理与生物炭生产过程生物油/气资源化利用实现我国粮食生产碳中和的技术路径，构建了耦合景观格局和生态过程的南方稻作区面源污染本土化模型，为我国持续推动农业减污降碳增效协同提供了重要科技支撑。

关键词：肥料氮去向适宜施氮量温室气体排放固碳减排成污机制面源污染模型

铁碳纤维纳米二氧化铈复合材料吸附 As 的性能与机理

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中国环境科学 2024年

作者：庄严黄赳朱晓芳李鹏中国矿业大学环境与测绘学院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

采用铁掺杂微纳米纤维为基底，复合纳米二氧化铈制备了铁碳微纳米纤维@CeO2材料复合材料，使用扫描电子显微镜（SEM），X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征其微观形貌、物相组成，并对其废水中As的吸附性能与机理进行了系统... 详细信息

采用铁掺杂微纳米纤维为基底，复合纳米二氧化铈制备了铁碳微纳米纤维@CeO2材料复合材料，使用扫描电子显微镜（SEM），X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征其微观形貌、物相组成，并对其废水中As的吸附性能与机理进行了系统研究.铁的掺杂提高微纳米纤维的机械强度，并促进二氧化铈的分散负载.纳米CeO2可均匀负载于微米铁碳纤维表面，形成二氧化铈高效裸露的连续界面，二氧化铈颗粒尺寸在6-9nm之间.废水中As吸附处理实验结果表明，在pH为3-10的条件下，经过2h的吸附反应，初始浓度2mg/L的As，处理后浓度均在50μg/L以下，去除效率达98%以上.多金属共存时，铁碳微纳米纤维@CeO2材料对As表现出显著的吸附选择性.材料对As的吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型，表明以单分子层的化学吸附为主，饱和吸附容量49.02mg/g.以0.1mol/L的NaOH作为解吸液，经5次吸附-解吸循环后，废水中As的吸附效率仍在95%以上，表明该复合材料具有显著的循环稳定性.吸附机理研究表明，吸附主要通过材料表面形成的羟基基团与砷酸盐之间的配体交换.本研究制备的铁碳微纳米纤维@CeO2吸附剂，具有结构稳定、吸附速率快、循环稳定性强的优势，研究结果可为环境介质As污染规模化治理提供理论依据和技术支撑.

关键词：静电纺丝微纳米纤维二氧化铈废水As吸附吸附机理