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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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气体扩散系数法估算水体反硝化速率

农业环境科学学报 2023年第5期42卷 1109-1115页

作者：李晓寒严星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国家重点实验室南京210008 中国科学院大学北京100049

近年来基于经验系数或者机理过程的气体扩散系数法逐渐被应用于水体反硝化速率的估算,为了探究该方法的可靠性、适用性和不确定性,本研究在不同硝态氮浓度(0、1、2、4、6 mg·L^(-1),以N计)静态水体条件下比较了密闭培养法和气体扩散系... 详细信息

近年来基于经验系数或者机理过程的气体扩散系数法逐渐被应用于水体反硝化速率的估算,为了探究该方法的可靠性、适用性和不确定性,本研究在不同硝态氮浓度(0、1、2、4、6 mg·L^(-1),以N计)静态水体条件下比较了密闭培养法和气体扩散系数法。结果表明:BO04、CL07和Xia213种气体扩散系数模型估算的反硝化速率与水体硝态氮浓度的关系均符合米氏方程(R2=0.9946,P<0.01)。3种扩散系数法与密闭培养法测定的水体反硝化速率之间均有显著的线性关系(R2=0.7767,P<0.05),但斜率各不相同,其中CL07和Xia21模型的估算结果均与密闭培养法的测定结果较为接近,斜率分别为1.22和0.59。进一步应用蒙特卡洛分析法对CL07模型进行参数敏感性分析发现,风速、流速和水温是模型最为敏感的3个因子,其无偏百分比差异分别为12.13%、9.49%和9.42%。研究表明,气体扩散系数法可以较准确地估算水体反硝化速率,为大尺度原位开展水体反硝化估算和氮素循环提供方法基础,但是需要根据实地环境条件选择和标定模型。

关键词：反硝化速率气体扩散系数法密闭培养法米氏方程敏感性分析

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长江流域径流模拟及其对极端降雨的响应

环境科学 2023年第9期44卷 4853-4862页

作者：高爽遆超普汤水荣王心亮王慧勇孟磊颜晓元海南大学热带作物学院海口570228 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

研究流域径流量变化可为水资源科学调配、利用开发、水旱灾害防治、水环境污染整治和国民经济可持续发展等提供重要依据.但近年来受全球变暖影响,极端气候事件,尤其是极端降雨的发生频率和强度出现了变化,直接或间接影响径流量变化.运用... 详细信息

研究流域径流量变化可为水资源科学调配、利用开发、水旱灾害防治、水环境污染整治和国民经济可持续发展等提供重要依据.但近年来受全球变暖影响,极端气候事件,尤其是极端降雨的发生频率和强度出现了变化,直接或间接影响径流量变化.运用SWAT模型模拟1965~2019年间长江流域径流时空变化规律,分析了不同极端降雨条件下径流对降雨的响应.结果表明,1965~2019年间长江流域径流变化并不显著,流域总径流和中下游径流均经历了“枯-丰-枯-丰” 4个阶段.极端降雨情景模拟发现,50 a一遇极端降雨下,长江上、中和下游代表性子流域日均径流变化率分别为6 200%、 21%和15%,月均径流变化率为355%、 5%和1.3%,年均变化率为78%、 1%和0.24%.而100 a一遇极端降雨下,3个子流域日均径流变化率分别为8 000%、 25%和17%,月均径流变化率为437%、 7%和1.5%,年均变化率为96%、 1.2%和0.28%.研究结果可为流域水资源管理和利用及洪涝灾害预测与防控等提供理论依据.

关键词：长江流域径流极端降雨时空变化水资源管理

崇明东滩湿地CH_(4)与N_(2)O双消减的耦合过程研究

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农业环境科学学报 2023年第11期42卷 2604-2613页

作者：陈汉饶旭东滕钊军张耀鸿贾仲君南京信息工程大学应用气象学院/江苏省农业气象重点实验室南京210044 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

N_(2)O还原驱动的CH_(4)厌氧氧化作用(AOM)是湿地系统温室气体双减排的一种新途径,而基于滨海围垦开发的稻田利用方式对该途径的影响效应尚不清楚。本研究选取长江入海口崇明东滩湿地的自然滩涂(光滩湿地和芦苇湿地)和围垦稻田(围垦种稻... 详细信息

N_(2)O还原驱动的CH_(4)厌氧氧化作用(AOM)是湿地系统温室气体双减排的一种新途径,而基于滨海围垦开发的稻田利用方式对该途径的影响效应尚不清楚。本研究选取长江入海口崇明东滩湿地的自然滩涂(光滩湿地和芦苇湿地)和围垦稻田(围垦种稻19 a和86 a)为研究对象,设置3个试验处理(^(13)CH_(4),^(13)CH_(4)+N_(2)O,N_(2)O)进行室内厌氧培养。采用稳定性同位素标记结合定量PCR等手段,分析不同湿地土壤的N_(2)O型CH_(4)厌氧氧化速率及其固碳潜力,研究其相关功能基因的数量特征。结果发现,围垦稻田土壤中N_(2)O驱动的AOM速率为6.10^(7).51 ng·g^(-1)·d^(-1),显著高于自然滩涂湿地。供试土壤N_(2)O驱动CH_(4)厌氧氧化的^(13)C-SOC固碳量为18.1~49.4 nmol·g^(-1),表明该过程具有较强的固碳潜力。^(13)CH_(4)+N_(2)O添加条件下,供试土壤中硝酸盐型和硫酸盐型CH_(4)厌氧氧化古菌的mcr A功能基因丰度分别为(1.08~2.29)×10^(7) copies·g^(-1)和(2.55~14.30)×10^(7)copies·g^(-1),比只添加^(13)CH_(4)处理分别高出25.8%~64.1%和41.0%~50.1%;相反,亚硝酸盐型CH_(4)厌氧氧化细菌的pmo A功能基因丰度则无明显变化。相关性分析发现N_(2)O驱动的AOM速率与nos ZⅡ基因和硝酸盐型mcr A基因均呈显著正相关,表明nos ZⅡ型N_(2)O还原微生物和硝酸盐型CH_(4)厌氧氧化古菌可能共同参与了N_(2)O驱动的CH_(4)厌氧氧化过程,而硫酸盐型CH_(4)厌氧氧化古菌则在自然滩涂湿地中发挥着重要作用。研究表明,围垦植稻在一定程度上促进了N_(2)O驱动的CH_(4)厌氧氧化作用。

关键词：滨海湿地 CH_(4)厌氧氧化 N_(2)O还原耦合反应 mcrA基因 nosZⅡ基因

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秸秆炭化物长期还田下农田镉风险研究

农业环境科学学报 2019年第1期38卷 117-123页

作者：朱文彬王慎强赵旭汪玉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

以中国科学院常熟农业生态试验站宜兴基地秸秆及生物质炭连续还田试验作为研究对象,研究该农艺措施进行7年后对麦季土壤及小麦不同器官中镉(Cd)含量的影响。结果表明,与不添加秸秆源的BC0处理相比,秸秆和生物质炭还田增加了土壤中总Cd浓... 详细信息

以中国科学院常熟农业生态试验站宜兴基地秸秆及生物质炭连续还田试验作为研究对象,研究该农艺措施进行7年后对麦季土壤及小麦不同器官中镉(Cd)含量的影响。结果表明,与不添加秸秆源的BC0处理相比,秸秆和生物质炭还田增加了土壤中总Cd浓度(均低于国家土壤环境质量二级标准),但与7年前相比无显著性差异。相较于对照处理(BC0处理),添加2.25 t·hm-2的秸秆(Straw2.25处理,1/3秸秆全量还田量)与11.25 t·hm-2的生物质炭(BC11.25处理,5倍秸秆全量还田量制备生物质炭)对小麦中Cd吸收量无显著影响;但添加22.5 t·hm-2的生物质炭(BC22.5处理,10倍秸秆全量还田量制备生物质炭)的小麦籽粒、秸秆和根部中Cd含量比BC0处理分别显著降低了88.7%、75.3%和52.8%(P土壤DGT-Cd含量与不添加秸秆源的BC0处理相比分别降低了71.2%、74.6%和83.4%(P土壤总Cd短期内环境风险较小,土壤Cd的生物有效性显著降低。

关键词：镉秸秆生物质炭土壤小麦薄膜梯度扩散技术(DGT)

长江三角洲农田地下水反硝化对硝酸盐的去除作用

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土壤学报 2019年第2期56卷 350-362页

作者：颜晓元周伟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

长江三角洲(简称"长三角")农田氮素投入量高,但是否像其他高氮投入农田一样在土壤剖面累积了大量硝酸盐尚不清楚。通过连续两年的野外观测结合室内培养实验,发现长三角地区3种不同类型的高氮投入农田1～4 m地下水硝态氮(NO_3^--N)剖面... 详细信息

长江三角洲(简称"长三角")农田氮素投入量高,但是否像其他高氮投入农田一样在土壤剖面累积了大量硝酸盐尚不清楚。通过连续两年的野外观测结合室内培养实验,发现长三角地区3种不同类型的高氮投入农田1～4 m地下水硝态氮(NO_3^--N)剖面分布特征存在明显差异,水稻田地下水NO_3^--N浓度始终很低(实验结果表明,0～4 m土壤均存在较强的反硝化活性。通过对地下水中反硝化产物N2及N2O的直接定量测定,发现反硝化对地下水NO_3^--N的去除效率随着深度而增加,至4m处,反硝化对地下水NO_3^--N的去除效率分别为86%(水稻田)、93%(蔬菜地)和89%(葡萄园)。这表明反硝化能有效去除地下水NO_3^--N,是长三角地区农田土壤剖面未产生NO_3^--N累积的重要原因。反硝化产生的溶解性气态氮主要通过地下水流入临近水域,对于蔬菜地和葡萄园而言,溶解性气态氮流失量与NO_3^--N淋溶损失量相当,是一个重要的氮素去向,值得关注。

关键词：地下水反硝化硝酸盐去除气态氮流失种植模式 N2直接定量法

基于双线圈EM38的长江口土壤盐分特征研究

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水利水电技术（中英文） 2022年第S01期53卷 85-89页

作者：谢文萍杨劲松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江苏南京210008

运用双线圈电磁感应仪EM38进行河口区土壤盐渍化采样,并结合回归模型与地统计方法对长江河口北支入海口区域进行土壤电导率的空间变异研究。研究表明:双线圈EM38大地电导率仪增添了两个深度土壤表观电导率的测量,对不同深度土壤盐分含... 详细信息

运用双线圈电磁感应仪EM38进行河口区土壤盐渍化采样,并结合回归模型与地统计方法对长江河口北支入海口区域进行土壤电导率的空间变异研究。研究表明:双线圈EM38大地电导率仪增添了两个深度土壤表观电导率的测量,对不同深度土壤盐分含量的表征效果较好,相关系数均达到显著水平。土壤盐分的垂直分布规律显示,东部距江海较近区域土壤盐分呈现表聚型,北部西部地区土壤盐分多呈底聚型,与研究区域地下水条件有一定关联。统计分析表明,土壤电导率表层变异性高于其他层次,表层土壤电导率的平均测值也较高。土壤电导率空间分布显示,以距入海口和江堤越近土壤盐分含量越高,且随着距入海口和江堤距离增加,盐分含量增加。沿江沿海地区土壤盐分含量较高,且由于地下水位较高土壤盐分有表聚风险。

关键词：双线圈电磁感应仪土壤电导率表观电导率空间变异半方差函数

废旧电器拆解场地周边污染区土壤-植物系统重金属积累特征和生态风险

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生态学杂志 2022年第12期41卷 2432-2439页

作者：李姣姣赵学强王嘉林李小莉沈仁芳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

废旧电器拆解活动对场地周边土壤质量和作物安全生产具有潜在威胁。本文采用生物富集系数、生物转运系数、相关分析、单因子污染指数、内梅罗综合污染指数、生态危害指数等指标和方法,研究了废旧电器拆解场地周边污染区10种优势植物根... 详细信息

废旧电器拆解活动对场地周边土壤质量和作物安全生产具有潜在威胁。本文采用生物富集系数、生物转运系数、相关分析、单因子污染指数、内梅罗综合污染指数、生态危害指数等指标和方法,研究了废旧电器拆解场地周边污染区10种优势植物根区土壤和根茎叶中Cr、Ni、Zn、Mn、Pb的吸收转运特征和污染程度,以明确土壤-植物系统中重金属积累特征和生态风险。结果表明,调研区域土壤5种重金属的污染程度依次为Zn>Cr>Ni>Pb>Mn,但生态危害都较轻;10种植物对5种重金属的富集能力都不高,其中Zn易被大多数植物转移到地上部;植物根重金属积累对土壤重金属含量最敏感,其次是叶,茎最不敏感,不同重金属(如Ni、Zn、Pb)在吸收和转运过程中存在协同作用。上述结果为土壤重金属吸收转运机制、生态风险评价以及污染修复提供了理论依据。

关键词：植物协同作用吸收转运相关分析污染程度

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腐殖酸配施壳聚糖调控设施番茄土壤细菌群落

农业环境科学学报 2022年第12期41卷 2772-2778页

作者：鲍莹严梦圆吴萌李桂龙刘凯李忠佩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

为探索针对设施番茄青枯病的高效绿色防治方法,从设施番茄菜地采集发病土壤,并添加生物改良剂腐殖酸和(或)壳聚糖,在26℃的恒温培养箱内进行为期10周的土壤培育试验。结果表明:腐殖酸与壳聚糖配施处理(HC)下,土壤细菌群落结构显著区别... 详细信息

为探索针对设施番茄青枯病的高效绿色防治方法,从设施番茄菜地采集发病土壤,并添加生物改良剂腐殖酸和(或)壳聚糖,在26℃的恒温培养箱内进行为期10周的土壤培育试验。结果表明:腐殖酸与壳聚糖配施处理(HC)下,土壤细菌群落结构显著区别于空白对照和单施处理(P土壤细菌群落之间的相互作用,并且能通过富集有益微生物类群来抑制劳尔氏菌生长,在合理管理设施番茄菜地、防控土传病害中具有实际应用潜力。

关键词：腐殖酸壳聚糖设施番茄青枯病高通量测序