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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39卷 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) 南京211135 中国科学院常熟农业生态实验站苏州215555 中国科学院大学南京学院南京211135

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... 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

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施肥和收获期对拉萨河谷地区白草产量和饲用品质的影响

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草业科学 2024年第6期41卷 1347-1358页

作者：肖健宇张光雨王江伟黄绍琳王志述付刚沈振西余成群中国科学院地理科学与资源研究所/生态系统网络观测与模拟重点实验室/拉萨农业生态试验站北京100101 中国科学院大学北京100049

为探究西藏地区白草(Pennisetum flaccidum)优质、高产的种植方式,本研究在拉萨河谷区设置N_(0)(0 kg·hm^(-2))、N_(300)(300 kg·hm^(-2))、N_(600)(600 kg·hm^(-2))和N_(900)(900 kg·hm^(-2))施肥处理,分别于抽穗期、乳熟期和成熟期采集试验样品,分析不同施肥梯度和收获期对白草产量、饲用品质和土壤养分的影响。结果表明:白草干草产量随施肥量增加呈上升趋势,在抽穗期和成熟期显著高于乳熟期(P0.05)。白草土壤全氮含量在抽穗期随施肥量增加呈现先增后减趋势,全磷含量随施肥量增加以及收获期的推迟而趋于下降。在抽穗期收割N_(900)处理的白草生产性能最佳,其次是同期收割N_(600)处理的白草,但后者较前者拥有更优的经济和生态效益。

关键词：白草施肥梯度收获时期干草产量营养品质土壤养分生产性能

黑土区保护性耕作土壤有机碳动态的模型模拟研究

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中国农业科学 2024年第10期57卷 1943-1960页

作者：王文俊梁爱珍张延陈学文黄丹丹中国科学院东北地理与农业生态研究所/黑土区农业生态重点实验室中国科学院大学

【目的】保护性耕作是恢复和提高土壤肥力的重要措施，土壤有机碳在保持土壤肥力、维持作物生长与保护土壤环境方面具有非常重要的作用。然而，目前国内仍然缺少研究长期耕作的监测平台，因此采用模型的方法有助于研究长期保护性耕作下... 详细信息

【目的】保护性耕作是恢复和提高土壤肥力的重要措施，土壤有机碳在保持土壤肥力、维持作物生长与保护土壤环境方面具有非常重要的作用。然而，目前国内仍然缺少研究长期耕作的监测平台，因此采用模型的方法有助于研究长期保护性耕作下土壤有机碳的动态。【方法】依托东北黑土地保护性耕作长期定位试验地，选取免耕（NT）、秋翻（MP）、垄作（RT）3种处理下的土壤为研究对象，优化过程模型（RothC、AMG模型）与统计模型（MLPNN模型）的结构与参数，对比模拟长期保护性耕作下土壤有机碳储量的动态变化，评估不同模型对保护性耕作土壤有机碳动态模拟与预测的效果，并揭示东北黑土有机碳对保护性耕作的长期响应及其影响因素。【结果】优化有机碳在模型中各碳库的分配系数后，RothC与AMG模型模拟误差显著降低。保护性耕作实施的前11年（2001—2012）,RothC与AMG过程模型对土壤有机碳的动态变化模拟效果没有显著差异，说明过程模型复杂的结构对持续时间相对较短的试验模拟效果没有显著影响，统计模型MLPNN的模拟结果与过程模型相似，验证了统计模型在田块与样地等小空间尺度内的应用效果。未来100年RothC与AMG模型预测的MP处理土壤有机碳变化趋势相同，但RothC模型预测结果得出，NT与RT处理土壤有机碳表现出先增长后达到平衡的趋势，但AMG模型模拟的结果却是有机碳一直处于增长趋势，这可能与土壤碳饱和效应与耕作处理的影响有关。RothC与AMG模型对碳投入都具有很高的灵敏度，但对气候因素与土壤因素变化的响应却存在差异。【结论】模型模拟长期保护性耕作土壤有机碳动态时需要因地制宜选择合适的预测模型。在预测保护性耕作土壤有机碳的短期变化时可以采用结构较为简单的AMG过程模型；在进行长期预测时，可以采用结构较为复杂的RothC模型。在特定条件下，统计模型MLPNN在田块与样地等小空间尺度上对土壤有机碳的模拟与过程模型具有相近的效果。

关键词：土壤有机碳保护性耕作模型模拟黑土过程模型统计模型东北

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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

长期不同氮肥施用量对潮土团聚体分布和真菌群落组成的影响

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土壤学报 2024年第3期61卷 824-835页

作者：郭伟周云鹏陈美淇李丹丹王青霞马东豪赵炳梓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 中国科学院大学南京学院南京211135

不同氮肥施用量显著改变团聚体分布、真菌群落组成及生物胶结物质的产生,但它们之间是否存在相关性尚不清楚。以中国科学院封丘农业生态实验站长期定位试验(2005—2020年)为研究平台,其包含5个施氮水平:0(F0)、150 kg·hm^(–2)(F1)、19... 详细信息

不同氮肥施用量显著改变团聚体分布、真菌群落组成及生物胶结物质的产生,但它们之间是否存在相关性尚不清楚。以中国科学院封丘农业生态实验站长期定位试验(2005—2020年)为研究平台,其包含5个施氮水平:0(F0)、150 kg·hm^(–2)(F1)、190 kg·hm^(–2)(F2)、230 kg·hm^(–2)(F3)和270 kg·hm^(–2)(F4),研究了不同施氮量对土壤团聚体组成(>2000μm、2000~250μm、250~53μm和土壤蛋白(GRSP)及微生物生物量碳(MBC))和土壤真菌之间的相关关系。结果表明,土壤团聚体分布和真菌群落组成分为显著不同的3组,分别为F0、F1和F2以及F3和F4,其中,(1)F1和F2处理团聚体平均重量直径(MWD)最高,同时大于2000μm团聚体的质量比例显著增加,并与拟棘壳孢属(Pyrenochaetopsis)富集有关;(2)F1和F2、F3和F4处理均表现为2000~250μm团聚体的质量比例增加,而小于53μm粉黏粒质量比例显著降低,2000~250μm团聚体的质量比例增加主要与易提取球囊霉素和总球囊霉素相关土壤蛋白比值(EE-GRSP/T-GRSP)以及易提取球囊霉素相关土壤蛋白(EE-GRSP)显著正相关,而与亚隔孢壳属(Didymella)和被孢霉属(Mortierella)相对丰度显著负相关;小于53μm粉黏粒质量比例显著降低主要与被孢霉属(Mortierella)、白腐菌属(Phlebia)、黑孢壳属(Melanospora)、Fusicolla、柄孢壳属(Podospora)和亚隔孢壳属(Didymella)相对丰度显著正相关,而与EE-GRSP和/或支顶孢属(Acremonium)、柱霉属(Scytalidium)、外瓶霉属(Exophiala)、EE-GRSP/T-GRSP、MBC显著负相关。因此,土壤团聚体稳定性的变异程度受氮肥施用水平影响。本研究条件下,150 kg·hm^(–2)和190 kg·hm^(–2)施氮水平下的团聚体稳定性超过230 kg·hm^(–2)和270 kg·hm^(–2)施氮水平,与不同施氮量下真菌群落组成及其胶结物质变化显著相关。

关键词：长期试验施氮水平团聚体稳定性生物胶结物质真菌群落

基于模糊c-均值聚类的亚热带丘陵区土壤肥力空间分异与管理分区

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植物营养与肥料学报 2024年第4期30卷 702-716页

作者：赖佳鑫李康祺周萍戴玉婷郭晓彬吴金水中国科学院亚热带农业生态研究所/亚热带农业生态过程重点实验室/长沙农业环境观测研究站湖南长沙410125 中国科学院大学北京100049

[目的]亚热带丘陵区地形复杂,土壤肥力空间变异大,科学地将土壤按照相似地力进行分区,是实现丘陵区土壤精确管理,优化土壤培肥技术的理论基础。[方法]研究对象位于亚热带丘陵区的典型小流域-湖南省长沙县金井镇,2009年在全镇范围内(112 ... 详细信息

[目的]亚热带丘陵区地形复杂,土壤肥力空间变异大,科学地将土壤按照相似地力进行分区,是实现丘陵区土壤精确管理,优化土壤培肥技术的理论基础。[方法]研究对象位于亚热带丘陵区的典型小流域-湖南省长沙县金井镇,2009年在全镇范围内(112 km~2)密集布置946个样点采集土壤样品,以测定的土壤肥力指标为数据源,包括土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、速效氮(AN)、有效磷(AP)和pH,采用地统计学和模糊c-均值聚类算法,分析流域土壤肥力的空间异质性;采用主成分分析法进行土壤肥力分区,并根据数据的差异显著性和变异系数对分区结果进行验证。[结果]除pH外,流域内土壤有机碳、全氮、全磷、速效氮和有效磷均存在中等至强的空间变异,变异系数(CV)介于36%~125%。基于主成分分析和模糊c-均值聚类可将研究区划分为3个肥力管理分区:MZ1、MZ2和MZ3,分区后各土壤肥力指标的变异系数(CV)不同程度地降低,以pH变异系数降幅最小(6%),AP变异系数降幅最大(96%)。同一分区内主要土壤肥力指标趋于同质化,分区间则异质化显著(P土壤pH值分别为4.12、4.04和4.00,均属于极酸水平;SOC分别为15.15、14.38和12.24 g/kg,均处于高水平;TN也为高水平(1.56、1.48和1.34 g/kg);TP为高至很高水平(0.86、0.69和0.60 g/kg);AN则处于很低至低水平(41.08、35.33和26.16 mg/kg);AP为中低水平(8.63、4.46和3.39 mg/kg)。[结论]亚热带丘陵区地形地貌复杂,是土壤肥力空间变异较大的主要影响因素。通过土壤肥力管理分区,可有效降低区域内肥力指标的变异程度,优化复杂丘陵区耕地管理措施。本研究区域中MZ1、MZ2和MZ3区均应着重改良土壤酸化现象,提高肥料氮素利用率,避免过量施用化学氮肥;MZ1区可适当减施磷肥,避免关键生育期过量施用磷肥;MZ2和MZ3区可以考虑适量施用生物酶活化磷肥或增施有机肥,以提高作物对磷素的利用效率。

关键词：土壤肥力分区空间分异模糊聚类主成分分析养分管理措施

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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

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基于机器学习方法的花生镉富集系数预测

农业环境科学学报 2024年第6期43卷 1230-1238页

作者：毕卫冬丁昌峰周志高王兴祥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 中国科学院红壤生态实验站江西鹰潭335211

通过采集我国14个省份花生主产区的100组土壤-花生样品,分析土壤-花生系统镉(Cd)污染特征及土壤理化性质,基于机器学习方法建立花生Cd富集系数预测模型并识别花生富集Cd的重要影响因素。结果表明,采集的全国范围土壤样品总体以酸性为主,... 详细信息

通过采集我国14个省份花生主产区的100组土壤-花生样品,分析土壤-花生系统镉(Cd)污染特征及土壤理化性质,基于机器学习方法建立花生Cd富集系数预测模型并识别花生富集Cd的重要影响因素。结果表明,采集的全国范围土壤样品总体以酸性为主,有60%的土壤pH所差异,影响北方产区花生Cd富集系数预测最重要的特征变量为土壤游离锰氧化物、游离铁氧化物含量和pH,而影响南方产区花生Cd富集系数预测最重要的特征变量为土壤游离锰氧化物、黏粒、游离铁氧化物和有机质含量。研究表明,相较于传统多元线性回归模型,随机森林模型对花生Cd富集系数的预测性能更为优越,为田间大尺度下土壤-花生系统中Cd的迁移预测提供了新的视角和解决方案。

关键词：土壤花生镉随机森林预测模型

南方农田土壤剖面硝态氮消纳的热时和热区效应及其影响因素

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土壤学报 2024年

作者：周晗王晓敏魏志军马小芳张雨蒙单军颜晓元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) 中国科学院大学中国科学院常熟农业生态实验站南京大学环境学院

为评估中国南方典型农田剖面土壤的硝态氮消纳能力，探究反硝化的“热时”和“热区”效应，选取太湖地区的水稻-麦轮作农田（稻田）、设施蔬菜地（菜地）和葡萄园（果园）作为研究对象，利用膜进样质谱法（Membrane Inlet Mass Spectrom... 详细信息

为评估中国南方典型农田剖面土壤的硝态氮消纳能力，探究反硝化的“热时”和“热区”效应，选取太湖地区的水稻-麦轮作农田（稻田）、设施蔬菜地（菜地）和葡萄园（果园）作为研究对象，利用膜进样质谱法（Membrane Inlet Mass Spectrometer，MIMS）和RoFlow系统（Robotized continuous flow incubation system）分别对土壤剖面（0 ～ 300 cm）的淹水层和非淹水层进行近似原位培养，监测一周年反硝化速率。结果表明：三种种植模式下剖面土壤反硝化速率均存在“热时”和“热区”，稻田的反硝化“热时”主要发生在10月（稻季），速率为17.6 nmol·g-1·h-1；菜地和果园的反硝化“热时”则主要发生在3月，速率分别为44.2 nmol·g-1·h-1和45.3 nmol·g-1·h-1；稻田土壤反硝化“热区”发生在表层土（0 ～ 20 cm），平均速率为3.4 nmol·g-1·h-1；菜地和果园的反硝化“热区”主要发生在20 ～ 100 cm处，平均速率分别为11.7 nmol·g-1·h-1和9.4 nmol·g-1·h-1；这些反硝化“热区”中的硝态氮去除率均达到了90%以上，三种种植模式下土壤剖面300 cm处几乎没有NO3--N残留。相关性分析结果表明土壤NO3--N含量是反硝化过程的主要限制因子。研究表明，太湖地区三种种植模式下农田土壤剖面具有较高的反硝化速率，且存在明显的反硝化发生的“热区”和“热时”，能够有效消纳土壤剖面中的NO3--N。

关键词：硝态氮反硝化种植模式土壤剖面 N ∶Ar