为评价生物炭添加对土壤理化性质、腐殖质及其腐殖化程度的改良效果,以生物炭田间定位试验为基础,设置4个处理:空白对照(CK)、常规施肥(NPK)、单施生物炭(B1)和化肥配施生物炭(NPK+B1),通过连续2年的田间试验,研究了生物炭添加对土壤理化性质和土壤胡敏酸(HA)、富里酸(FA)和胡敏素(HM)以及大豆产量的影响.结果表明:施用生物炭可短期内有效提高土壤养分,增加土壤中腐殖物质含量,提高稳定性,并改善土壤质地,提高大豆产量.其中与CK相比,B1和NPK+B1处理的土壤理化性质提升效果较为明显,电导率(EC)提高3.50％-98.99％、有机碳(OC)含量提高18.01％-23.18％、碱解氮(AN)含量提高23.48％-37.15％、全氮(TN)含量提高14.93％-25.37％、有效磷(AP)含量提高8.33％-110.16％、全磷(TP)含量提高10.00％-45.00％、速效钾(AK)含量提高6.61％-20.76％、全钾(TK)含量提高13.24％-30.74％、大豆产量提高了54.34％-90.36％.与NPK处理相比,NPK+B1处理土壤HA、FA和HM含量分别提高了 38.62％、26.76％和16.45％.且通过相关性分析和主成分分析表明,土壤pH、EC、AK、TK、TP、AN、TN、OC和大豆产量与腐殖质存在显著的正相关关系.因此,化肥配施生物炭处理可有效改善土壤理化特性,提高土壤腐殖质组分含量,为克服大豆连作障碍,提高大豆生产能力提供理论和技术支撑.

土壤有机碳(SOC)与森林地力维持和碳汇功能密切相关,土壤SOC的微小波动就能引起大气二氧化碳浓度的显著变化.凋落物管理作为人工林主要经营措施,如何影响SOC化学结构和稳定性及其机制尚不清楚.本研究以杉木(Cunninghamia lanceolata)林为对象,采用完全随机区组设置凋落物添加、凋落物移除和对照3种处理的野外控制试验.处理6年后,0～10、10～20和20～40cm三层采集土壤样品,采用透射傅里叶红外光谱法(T-FTIR)测定SOC化学结构,热重法(TG)和差示扫描量热法(DSC)分析SOC热稳定性,并测定土壤其他理化性质.结果表明:(1)凋落物移除显著降低0～10、20～40 cm 土层铵态氮(NH4+-N)和10～20 cm 土层硝态氮(NO3--N)含量;(2)凋落物添加显著降低SOC的醇酚相对占比,提高芳香族的相对占比;(3)凋落物添加显著降低热稳定系数(H),凋落物移除处理下SOC燃烧过程中质量损失50％所对应的温度显著提高(Tg-T50);(4)NH4+-N、NO3--N与Tg-T50呈显著负相关;醇酚和芳香族分别与H呈显著正相关和负相关.综上所述,凋落物移除通过降低氮有效性提高SOC热稳定性;凋落物添加通过降低SOC化学分子结构中易分解碳,增加难分解碳的形成从而提高SOC热稳定性.研究结果可为亚热带人工林通过凋落物管理措施提升土壤碳汇功能来实现"碳中和"提供科学依据.

植物功能性状是植物为适应外界环境而表现出的个体特征和属性,影响植物的存活、生长与繁殖,并且对土壤功能也产生影响.本文通过汇总已有研究,进行了如下总结:1)分析了植物功能性状的分类及其与土壤肥力的关系;2)明确了植物功能性状对土壤有机质积累的影响,以及影响方向和强度受土壤氮磷循环与碳饱和状态的作用.此外,从植物功能性状与土壤有机质组分和稳定性的关系方面探讨了植物功能性状对土壤有机质长期积累存留的影响;3)探讨了森林生态系统植物功能性状影响土壤有机质的凋落物和微生物作用机制.在此基础上,提出未来植物功能性状与土壤有机质研究重点,包括:通过先进的技术和方法,明确植物功能性状与土壤有机质积累的植物-微生物互作过程和机理,阐明全球变化背景下植物功能性状对土壤有机质积累影响的生态过程和机理.

探究风蚀区草地、林地和农田土壤有机碳物理组分及其影响机制,可为风蚀区土地的碳固定与科学利用、防风措施制定以及坡耕地农田肥力修复提供科学依据.本研究在黑龙江省齐齐哈尔市梅里斯区风沙土风蚀区选取相邻近的草地、林地和坡长约350 m、坡度约5°的坡耕地农田(自下而上每100 m分别设为下坡段、中坡段和上坡段),研究0～15cm 土层团聚体有机碳和密度分组有机碳的分异.结果表明:风蚀区草地、林地和农田土壤＞2 mm团聚体均遭到破坏,＜0.053 mm团聚体显著高于其他粒级团聚体;与草地和林地土壤相比,农田各粒级土壤团聚体、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均显著减少.农田上坡段＞2 mm团聚体被完全破坏,各粒级团聚体及密度分组有机碳含量均随坡面的上升逐渐下降,重组有机碳占比逐渐减小,轻组有机碳占比逐渐增加.土壤有机碳和速效钾是影响团聚体稳定性、团聚体有机碳含量和密度分组有机碳含量的关键因子,且团聚体有机碳的流失使团聚体稳定性下降.综上,相比草地和林地,东北风蚀区农田土壤团聚体稳定性、团聚体有机碳含量、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均降低,坡耕地随坡段的上升,团聚体有机碳含量、密度分组有机碳含量以及重组有机碳占比均降低.在风蚀区植树、保护与扩大草原面积、增加坡耕地有机物料施用等是稳固和提高土壤碳储量、改善土壤结构、提升土壤质量的有效途径.

钝化剂可以使土壤重金属由活性态向稳定态转化,降低重金属的迁移和生物可利用性,实现重金属污染土壤的修复.有机碳是反映土壤质量和健康的重要指标,其转化过程对大气化学、全球碳循环起到决定性作用,受到利用方式、农艺措施和治理修复活动的影响.钝化剂的施用一方面会改变土壤结构、团聚体组成和pH、阳离子交换率(CEC)等理化性质,影响土壤有机碳的动态变化;另一方面可以调控土壤微生物群落结构、多样性,改变有机碳转化酶的活性,从而影响土壤有机碳的转化.上述影响受到钝化剂种类、施用量及施用时间等多方面因素的调控.本文论述了不同钝化剂施用条件下,土壤有机碳组分及其变化情况,并探讨了钝化剂对土壤有机碳转化影响的作用机制.未来应基于作用机制,开发兼具固碳增汇与重金属钝化功能的新型钝化剂,并揭示钝化剂施用后土壤有机碳周转及稳定性有机碳的时空分布规律.

河流湿地是非常重要的湿地类型,其中河流湿地土壤能够有效维持河流湿地生态系统的稳定性.土壤碳氮磷是支撑湿地土壤质量和植被生长的关键营养元素,利用高光谱遥感数据对其进行估算对实现湿地土壤养分信息的快速和准确检测具有重要意义.土壤粒径作为土壤最重要的属性之一,对土壤样本的光谱反射率有着重要影响,并且是影响土壤结构、阳离子交换能力、植物养分可用性等的重要因素.以陕西黄河湿地省级自然保护区为研究区,于2022年8-9月采集477份湿地表层土壤样本,经过室内过筛处理后得到1.0 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm四种不同粒径的土壤样本.基于原始光谱数据及一阶微分转换光谱数据对土壤碳、氮、磷含量建立不同粒径的偏最小二乘回归、随机森林、高斯过程回归3种预测模型,比较建模R2以及RMSR选择最优模型,并筛选敏感波段构建模型进行评价.研究结果显示:(1)光谱反射率数值随土壤粒径的减小而增大,0.1 mm粒径的预测模型相比于其他粒径始终有着更好的精度;(2)基于一阶微分光谱建立的土壤有机碳、全氮、全磷含量估算模型均具有更高的精度;(3)基于敏感波段建立的偏最小二乘回归模型,建模R2范围0.62-0.98,验证R2范围0.36-0.94,相比其他模型具有更优秀更稳定的反演效果.研究结果表明通过控制土壤粒径建立土壤碳、氮、磷含量的估算模型是可行的,选择合适的粒径大小能够提高反演模型估算精度.而偏最小二乘回归作为具有较高精度的反演模型可以帮助提高模型的稳定性和预测能力,从而更准确地估算土壤中的碳、氮、磷含量.研究结果为基于高光谱遥感的不同粒径处理的湿地表层土壤碳、氮、磷定量反演提供坚实的理论支撑与技术支持.

为探究灌丛引入对荒漠草原土壤有机碳稳定性的影响,选取近40年的典型草原-灌丛镶嵌体(荒漠草地,草地边缘,灌丛边缘、灌丛地)为研究对象,开展荒漠草原向灌丛人为转变过程野外原位观测结合室内培养的土壤有机碳矿化及其对降水变化(+40％、+20％、CK、-20％、-40％)的响应特征研究,主要结果如下:荒漠草原人为灌丛转变的过程中土壤有机碳、全氮和全磷含量显著降低;土壤有机碳累积矿化量、碳矿化速率、碳矿化及微生物代谢熵均随着转变过程呈上升趋势,且灌丛地较荒漠草地分别增加了 26.6％、27％、25.8％和26.8％;土壤潜在可矿化有机碳量随转变波动上升,灌丛地显著高出荒漠草地31.55％;转变样地在不同降水梯度下土壤有机碳矿化速率呈下降趋势,但灌丛地、灌丛边缘土壤有机碳矿化始终高于荒漠草地和草地边缘地,其中灌丛地与灌丛边缘有机碳矿化对降水降低响应更加敏感和积极,结果表明荒漠草原向灌丛转变过程增强了土壤有机碳微生物矿化的同时,还提高了其应对干旱的能力,这种能力或许是以更高的微生物代谢熵和二氧化碳通量为代价.

藻类结皮形成和发育,能够提高土壤稳定性并增加土壤有机质含量,为微生物生长、繁殖和草本植物拓殖创造条件.因此,藻类结皮潜在功能对后续生物结皮及生态系统演替具有重要意义.然而,古尔班通古特沙漠藻类结皮营养循环相关微生物及潜在功能机制尚不清楚.以古尔班通古特沙漠不同区域藻类结皮为研究对象,采用宏基因组测序技术,研究藻类结皮微生物群落及碳氮循环功能基因特征.研究结果表明蓝藻菌门、变形菌门、放线菌门是藻类结皮中主要微生物类群,在沙漠固碳和氮循环中起到重要作用.微生物α多样性结果显示仅物种丰富度指数在三个区域内存在显著差异.β多样性结果显示藻类结皮未因沙漠局部气候及理化因子差异产生微生物群落分化.而微生物群落功能基因对环境变化响应要比微生物群落更为敏感,沙漠东部和西部藻类结皮功能基因产生显著分化.三个区域微生物功能基因中还原型三羧酸循环是自养生物固碳主要途径,而卡尔文循环是光合生物固碳的主要途径,其中rpiA和rbcS基因更易受到降水影响.鞘脂单胞菌属、念珠藻属和伪枝藻属在参与固碳过程中表现出的差异,可能是导致固碳功能基因产生分化的原因之一.氮循环主要途径以硝酸盐还原为主,大部分氮素通过硝酸盐同化作用被土壤微生物转化为铵盐,少量氮素被反硝化为一氧化二氮和一氧化氮流失.沙漠藻类结皮固氮作用较弱,仅有念珠藻属和伪枝藻属参与,且存在nifH、nifD、nifK三个功能基因.这些固氮功能基因更易受到土壤中硝态氮含量的影响.硝化过程仅注释到氨单加氧酶或甲烷单加氧酶编码pmoABC-amoABC基因,而hao和nxrA、nxrB基因均未注释获得.

土壤团聚体稳定性是评价土壤结构和土壤肥力的重要指标.为探究固氮树种马占相思对巨尾桉人工林土壤团聚体粒径分布及稳定性的影响,该文以 17 年生的巨尾桉纯林(PP)与巨尾桉/马占相思(固氮树种)混交林(MP)为研究对象,采用干筛法和湿筛法分别测定 0～10 cm和 10～20 cm土层团聚体粒径分布及平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、分形维数(Dm)、水稳定性团聚体含量(WSA)、团聚体破坏率(PAD)和团聚体稳定性指数(ASI)等稳定性指标.结果表明:(1)与PP相比,MP的土壤理化性质有不同程度的提升,其中以土壤pH、有机碳(SOC)及全氮(TN)最为显著.(2)MP 的土壤团聚体粒径分布优于PP,差异主要体现在>2.00 mm和<0.25 mm粒径中,均以大团聚体(>0.25 mm)为主;相较于PP,MP的土壤团聚体机械稳定性仅在 0～10 cm土层显著提高,但其团聚体水稳定性在 0～10 cm和 10～20 cm土层均显著提高.(3)Mantel分析结果显示团聚体稳定性与TN相关性最强,通过RDA分析进一步说明TN是驱动其团聚体稳定性变异的最关键因子.综上认为,固氮树种马占相思对巨尾桉人工林土壤团聚体稳定性具有明显改善作用,该研究结果为南亚热带桉树人工林水土保持、养分管理及可持续经营等提供了科学的理论依据.

强还原土壤灭菌(RSD)方法是修复退化设施蔬菜地土壤的有效措施,但以绿肥为碳源的RSD方法田间应用是否有效还未明确.本研究以退化设施蔬菜地土壤为对象,设置6个处理:未施肥对照(CK)、未施肥+淹水覆膜(FF)、施用鸡粪有机肥(OM)、施用鸡粪有机肥+淹水覆膜(OMR)、田菁绿肥还田(TF)和田菁绿肥还田+淹水覆膜(TR),研究强还原处理和施用有机肥对土壤微生物群落组成、多样性和稳定性的影响.结果表明:与CK相比,OMR和TR处理显著降低了细菌Chaol指数,改变了细菌和真菌的群落结构,同时显著提高了芽孢杆菌、红球菌、梭状芽孢杆菌和青霉菌的相对丰度;TR处理显著降低了尖孢镰刀菌的相对丰度.冗余分析和曼特尔检验发现,土壤铵态氮和可溶性有机碳含量是影响细菌群落变化的关键因子,而土壤pH是影响真菌群落变化的关键因子.内聚力分析表明,OMR和TR处理显著提高了细菌群落稳定性,但2个处理之间的差异不显著;TR处理也显著提高了真菌群落稳定性,且显著高于OMR处理.可见,以绿肥为碳源的RSD是改善土壤健康的有效修复措施.