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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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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

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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

叶面喷施无机和螯合钙、锌肥对花生的降镉效果

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农业环境科学学报 2024年

作者：李丽荣王玉荣周志高丁昌峰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) 中国科学院大学中国科学院红壤生态实验站

为研究叶面喷施中微肥对花生籽粒镉（Cd）含量的影响，通过盆栽和田间试验，分析叶面喷施无机钙肥（硝酸钙）、无机锌肥（硫酸锌）及不同螯合钙/锌肥（EDTA螯合钙/锌、糖醇螯合钙/锌）对4种花生品种（皖花4号、粤油43、花育22号和湘花2... 详细信息

为研究叶面喷施中微肥对花生籽粒镉（Cd）含量的影响，通过盆栽和田间试验，分析叶面喷施无机钙肥（硝酸钙）、无机锌肥（硫酸锌）及不同螯合钙/锌肥（EDTA螯合钙/锌、糖醇螯合钙/锌）对4种花生品种（皖花4号、粤油43、花育22号和湘花2008）籽粒的降Cd效果，并探究降Cd效果最优叶面肥种类及其降Cd机理。盆栽试验结果表明，叶面喷施EDTA螯合钙（EDTA-Ca）和EDTA螯合锌（EDTA-Zn）处理降Cd效果最优，4个花生品种降Cd率可达到19.4%～30.7%。田间试验进一步验证了EDTA-Ca和EDTA-Zn处理的降Cd效果，籽粒降Cd率可达23.1%～40.3%。选取品种粤油43的EDTA-Ca和EDTA-Zn两个处理进行降Cd机理探究，结果表明EDTA-Ca、EDTA-Zn处理显著增加了Cd在花生茎（6.4%、13.6%）和叶（37.6%、26.9%）中的积累，增加了Cd在茎叶中细胞器和可溶性组分中的占比，显著降低了Cd从茎叶向籽粒的转运。综上，EDTA螯合钙、锌肥可显著降低花生籽粒Cd含量。

关键词：花生镉螯合肥叶面喷施亚细胞分布

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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

长期秸秆掩埋配施氮肥对土壤细菌群落特征的影响

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土壤学报 2024年第5期61卷 1374-1385页

作者：刘明凤周桂香张佳宝张丛志薛载琦赵占辉中国科学院封丘农业生态实验站(中国科学院南京土壤研究所) 南京211135 中国科学院大学北京100049 河南城建学院测绘与城市空间信息学院河南平顶山467036

为揭示典型潮土微生物群落及其生态网络对秸秆还田的响应机制,选择长期小麦-玉米轮作下不同秸秆还田处理的试验地为对象,应用高通量测序和生态网络等方法,阐明秸秆掩埋配施不同氮肥后土壤细菌群落组成、细菌网络共存关系以及与土壤养分... 详细信息

为揭示典型潮土微生物群落及其生态网络对秸秆还田的响应机制,选择长期小麦-玉米轮作下不同秸秆还田处理的试验地为对象,应用高通量测序和生态网络等方法,阐明秸秆掩埋配施不同氮肥后土壤细菌群落组成、细菌网络共存关系以及与土壤养分的关联。结果表明:(1)与秸秆移除且不施氮肥处理相比,秸秆还田配合常规施肥处理显著降低土壤pH,提高了土壤TN、SOC、AP、AK和NO^(-)_(3)N-含量(P土壤养分含量。(2)不同秸秆还田方式和氮肥施用量处理的细菌Alpha多样性无显著差异,而细菌群落结构差异显著。pH、SOC和TN等因子驱动了细菌群落结构变异。酸杆菌门、变形菌门、拟杆菌门和绿弯菌门是潮土细菌群落的主要优势菌门。(3)共现网络分析得到4个主要的生态集群,均与土壤养分有显著相关性。模块1中物种丰度与SOC、TN、TP、NO^(-)_(3)N-、AP和AK呈极显著负相关(P所述,秸秆还田配施氮肥可以通过调节细菌生态关系,从而调控土壤肥力。研究结果可为秸秆的资源化利用和土壤施肥管理提供科学依据。

关键词：秸秆还田土壤有机碳细菌群落网络分析

我国东部典型内源和外源性静态水体N_(2)O排放与生态系统呼吸的关系初探

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农业资源与环境学报 2024年第2期41卷 401-409页

作者：李春旺王华淦冲赵学梅张声权颜晓元夏永秋湖南农业大学环境与生态学院长沙410128 中国科学院南京土壤研究所江苏常熟农田生态系统国家野外观测研究站南京210018

内陆水体是大气中N_(2)O的重要排放源,受到国内外广泛关注,为了探讨水生生态系统中水体N_(2)O排放通量与生态系统呼吸的响应关系,本研究以我国东部典型外源性和内源性静态水体为研究对象,在2022年4月29日-5月4日对10个表层水体N_(2)O排... 详细信息

内陆水体是大气中N_(2)O的重要排放源,受到国内外广泛关注,为了探讨水生生态系统中水体N_(2)O排放通量与生态系统呼吸的响应关系,本研究以我国东部典型外源性和内源性静态水体为研究对象,在2022年4月29日-5月4日对10个表层水体N_(2)O排放通量和生态系统呼吸指标进行测定,结合贝叶斯方法初步探讨了水体N_(2)O排放通量和生态系统呼吸之间的关系。结果表明:外源性水体N_(2)O排放通量和生态系统呼吸均显著高于内源性水体(P生态系统呼吸(CO_(2)和BOD_(5))之间的数学模型,可解释水体N_(2)O排放通量变异性的61%~71%,并且明确了模拟结果的不确定性。此外,本研究进一步区分了内源性水体与外源性水体N_(2)O排放通量和生态系统呼吸的关系,在内源性水体中,N_(2)O的产生受碳源限制的影响大于氮源限制,而在外源性水体中N_(2)O排放通量与CO_(2)排放通量的耦合关系大于内源性水体。研究表明,生态系统呼吸与水体N_(2)O排放通量间有很强的响应关系,本研究为区域水体N_(2)O排放通量估算方法和生态系统呼吸耦合机制研究提供了基础。

关键词：贝叶斯方法 N_(2)O排放通量生态系统呼吸内源性水体外源性水体

基于细胞水平高通量测序的土壤水分对活性微生物的影响研究

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生态学报 2024年第16期44卷 7160-7171页

作者：马馨怡高威李颜郭晓彬贾仲君吴金水王连峰大连交通大学环境与化学工程学院大连116028 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410125 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

细胞水平高通量测序技术是从复杂土壤微生物群落中鉴定活性微生物的有力工具。针对我国东北典型水稻土,采用微宇宙控制试验,设置空白对照、湿润(60%田间持水量)和淹水(100%田间持水量)三种处理,通过土壤微生物细胞提取和高通量测序等技... 详细信息

细胞水平高通量测序技术是从复杂土壤微生物群落中鉴定活性微生物的有力工具。针对我国东北典型水稻土,采用微宇宙控制试验,设置空白对照、湿润(60%田间持水量)和淹水(100%田间持水量)三种处理,通过土壤微生物细胞提取和高通量测序等技术研究了土壤水分对土壤活性微生物的影响规律。结果表明:土壤水分含量增加显著降低了土壤微生物呼吸活性,淹水土壤CO_(2)累积排放量是湿润土壤的87.1%。高通量测序分析表明,土壤DNA和细胞DNA两种水平均能较好地表征土壤优势的活性微生物类群,湿润和淹水土壤优势的门均为变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes),而优势的属主要为假单胞菌属(Pseudomonas)。然而,不同水分状况下土壤活性微生物数量、多样性和群落结构发生明显分异。土壤水分增加显著增加了微生物数量,但降低了活性微生物多样性,优势的活性Pseudomonas在湿润状况下微生物丰度(6.7%)显著低于淹水土壤(11.6%)。微生物共存网络分析表明,高水分状况增加了土壤活性微生物间的负相关关系,进而强化了微生物间的竞争关系。湿润土壤正向网络关联度占比高达86.2%,显著高于淹水土壤(61.4%)。功能预测结果表明,土壤水分对生物固氮和硫相关的微生物代谢过程影响显著,且土壤总微生物水平和活性微生物水平上变化趋势一致。上述结果表明,土壤水分增加通过强化微生物群落间的竞争关系进而影响微生物区系及其功能。因此,适当的减少稻田土壤水分的管理方式对东北水稻土微生物功能稳定性具有重要意义。

关键词：水稻土土壤水分活性微生物高通量测序细胞水平