[目的]酸性矿山废水(acid mine drainage,AMD)是一类低pH、高硫酸盐浓度和重金属富集的废水.探究成熟期水稻根区土壤固氮菌群落的丰度和组成及其对AMD的响应,并阐明土壤固氮菌群落结构变化的主要驱动因素.[方法]对取自安徽省铜陵市矿区受AMD污染和未受污染的稻田土壤进行水稻盆栽试验,设置 3 组不同处理(A:AMD浇溉污染土、B:清洁水浇灌污染土、CK:清洁水浇灌未污染土),采用nifH基因高通量测序技术分析不同处理下的成熟期水稻根区土壤固氮菌群落特征.[结果]AMD污灌使得水稻根区土壤中SO42-、NO3-、重金属的含量显著上升,土壤酸化且固氮菌群落的多样性下降.水稻根区土壤的优势固氮菌包括Anaeromyxobacter、Geobacter等,CK处理中富集的固氮菌群数量显著高于A、B处理,且B处理中主要富集疣微菌门,CK处理中主要富集变形菌门.pH和重金属Cu、Pb、Zn是驱动水稻根区土壤固氮菌群落结构的主要因素.具有硫还原功能的Desulfovibrio和Desulfurivibrio对氮的变化贡献明显.[结论]AMD对水稻根区土壤化学性质和固氮菌产生显著影响,恢复清洁水灌溉可促进固氮菌的恢复.

为探究钙添加对林地土壤的改良效应,在杉木新造林地中分别按两种氮、磷肥量(N1:50 kg/hm2,N2:100 kg/hm2;P1:50 kg/hm2,P2:100 kg/hm2)与3 种钙肥添加量(Ca0:0 kg/hm2,Ca1:100 kg/hm2,Ca2:200 kg/hm2)开展组合施肥试验,测定土壤理化性质与有效养分元素含量,分析钙添加对林地土壤环境的影响.结果表明:钙添加可以显著降低土壤容重,提高土壤pH、含水率,以及有机质、碱解氮、速效钾、交换性钙和交换性镁含量,对土壤有效磷含量的影响因氮、磷施肥处理不同而异;方差分析表明,土壤容重、pH,以及有机质、碱解氮、有效磷、交换性钙和交换性镁含量等7 个指标受到不同施肥因子的影响极显著并存在极显著交互作用,土壤含水率则受不同钙添加量的极显著影响.土壤理化性质与有效养分元素含量之间具有较强的正相关性.在传统氮、磷肥施肥基础上添加钙肥有利于改善杉木人工新造林地土壤环境,缓解土壤酸化及提高土壤有效养分供给,提高杉木人工林质量.

以湖南省祁阳县的国家红壤肥力与肥料效益长期试验地为平台,采用单施氮肥(N)、氮钾配施(NK)、氮磷配施(NP)和氮磷钾配施(NPK)4种不同组合的无机肥料添加方式,结合实时定量PCR和高通量测序技术,探究长期施用化肥对土壤磷形态、磷酸酶活性及phoD基因丰度和多样性的影响.结果表明:与单施氮肥处理相比,氮与磷、钾配施可以缓解土壤酸化趋势,氮磷配施能够显著增加土壤中各形态磷含量.与单施氮肥处理相比,氮磷、氮钾处理显著提高了土壤碱性磷酸酶活性、土壤总细菌丰度及phoD基因丰度;氮磷钾配施显著提高了土壤碱性磷酸酶活性和土壤总细菌丰度,但显著降低土壤phoD基因丰度.磷酸酶编码基因phoD基因群落的α-与β-多样性在处理间不存在显著差异,且所有处理中来源于假单胞菌属与紫色杆菌属的phoD基因分别超过总序列的45％.此外,链霉菌属、马赛菌属以及短波单胞菌属与土壤磷素存在显著的正相关关系.以上结果表明:在不同养分输入条件下,调节功能菌群丰度及磷酸酶活性的关键因素不同.氮磷钾的合理配施能够增加土壤磷含量和磷酸酶活性,改变phoD基因丰度和群落结构,提高土壤的供磷能力,但长期施用化肥会使土壤微生物物种趋于单一化.

马尾松是西南地区的主要造林树种之一,对酸沉降比较敏感,在生产实践中常常在受酸沉降影响严重的针叶林地进行林分改造来应对酸沉降.为了解酸雨区马尾松纯林改造对土壤性质的影响及科学指导经营管理,本研究以重庆铁山坪马尾松纯林及改造后的马尾松-香樟混交林以及香樟纯林为对象,分不同季节采集腐殖质层(Ah层)和淋溶层(E层)的样品进行分析,探讨林分改造对土壤酸化及养分的影响.结果表明:(1)林型对Ah层土壤性质影响显著(P＜0.05),且Ah层土壤养分显著高于E层,季节对两个土层的土壤性质影响均显著(P＜0.05).(2)当马尾松纯林改造后,Ah层土壤各季节平均pH表现为马尾松纯林＜马尾松-香樟混交林＜香樟纯林;马尾松纯林改造后显著降低了土壤NH4+∶N(3-,可缓解土壤酸化.(3)虽然马尾松林改造后显著降低了土壤有机碳和全氮含量,但明显增加了土壤全磷和全钾含量(P＜0.05),可以为缺磷缺钾的铁山坪酸性土壤提供更多的磷和钾,从而缓解磷、钾限制对植物生长的抑制作用.(4)通过模糊综合法评价3种林型的土壤综合肥力指数,在0.585～0.664,马尾松纯林改造成马尾松-香樟混交林、香樟纯林,可以提高土壤肥力水平.

研究花生种植区土壤酸化特征及其驱动因素,为花生种植土壤酸化改良提供理论依据.采用数据收集和田间取样分析方法,获取豫南典型花生种植区正阳县土壤pH及其驱动因子数据,利用GIS技术分析土壤pH时空变化特征,并基于增强回归树(BRT)模型识别影响土壤酸化的关键驱动因素.结果表明:正阳县花生种植土壤pH普遍呈下降趋势;土壤pH平均值由1980年的7.06降至2020年的5.15;弱碱性与中性土壤面积大幅度下降,酸性土壤面积增加;1980-2020年土壤pH面积变化最大的区间为-2.0～-1.5,占全县面积的51.9％;砂姜黑土区土壤酸化最严重,而水稻土和潮土区土壤pH下降幅度较小;BRT模型分析表明,阳离子交换量是造成2020年土壤pH空间变异的最主要因素,其贡献率达到26.2％;其次是速效钾含量、年均降雨量、有机质含量和全氮含量,贡献率分别为11.0％、7.7％、7.2％和6.9％;土壤pH随土壤阳离子交换量、年均降雨量、速效钾含量、有机质含量的增加而增加,但随土壤全氮含量的增加而降低.综上,正阳县夏花生种植土壤酸化形势严峻,尤其是砂姜黑土区,具有普遍性和局部严重性的特征;所研究因素中,阳离子交换量是花生种植土壤pH空间变异的最主要驱动因素,今后应优化水肥管理,通过维持土壤中盐基离子库的平衡,提升土壤有机质和氮利用率,进而有效抑制土壤酸化.

在微生物的代谢活动下,土壤中有机态碳氮化合物矿化分解释放矿质养分和二氧化碳,深刻影响着自然生态系统土壤碳、氮等元素的循环转化、土壤的养分供应和有机质的更新,并对地上植被的演替和分布有极为重要的意义.青藏高原灌丛面积分布广泛,地形和气候条件复杂,但目前对灌丛分布地区土壤碳氮含量、矿化作用强度及其影响因素等的认识较少.研究结合土壤理化分析和高通量定量PCR(quantitative microbial element cycling,QMEC)技术研究了青藏高原喜马拉雅山-冈底斯山地区不同类型灌丛土壤碳氮含量、碳氮矿化速率和相关功能基因的分布特征及其与植被、气候和土壤因子间的耦联关系.结果表明,不同类型灌丛土壤的有机碳、全氮含量、CO2释放速率、净氮矿化速率、碳氮矿化基因的丰度有显著差异.其中,位于青藏高原东南部的雪层杜鹃和香柏灌丛分布区土壤有机碳和全氮含量、CO2释放速率、净氮矿化速率显著高于位于中西部的变色锦鸡儿、金露梅和砂生槐灌丛地区,并与年平均降雨量显著正相关.然而,碳、氮矿化基因丰度分布趋势与之相反,在雪层杜鹃和香柏灌丛分布区丰度显著低于中西部的三类灌丛,且与年平均降雨量呈显著负相关,但与土壤pH呈显著正相关.同时pH与年平均降水量、湿润指数和土壤含水率均为显著负相关.这些结果表明降水可通过增加盐基离子淋溶,使土壤盐基饱和度下降、氢饱和度增加,引起土壤酸化,进而影响碳氮循环过程,导致不同类型灌丛土壤碳氮元素的赋存及其周转速率差异.同时,碳、氮矿化相关功能基因丰度各类群间呈现显著的正相关关系,表明土壤碳氮循环过程间紧密的耦联关系.这些结果为准确评估青藏高原土壤碳、氮库及其动态平衡提供了重要信息和参考依据.

为探究不同施肥处理对柑橘根围土壤质量和丛枝菌根的影响,设置单施无机肥(IF)、单施有机肥(OF)和有机肥与无机肥混施(CF)处理,以不施肥为对照(CK),分析土壤理化性状、丛枝菌根真菌(AMF)侵染与繁殖体数量的变化及其相互关系.结果表明:与CK相比,施肥均能显著提高土壤有机碳、养分含量和电导率;OF和CF处理显著提高了土壤pH值、团聚体稳定性、脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性及柑橘根围AMF侵染率和繁殖体数量;而IF处理显著降低了土壤pH值、柑橘根围AMF侵染率和繁殖体数量.柑橘AMF侵染率和繁殖体数量与土壤团聚体平均重量直径、有机碳、总氮、总磷含量和脲酶活性均呈显著正相关,与pH值呈极显著正相关.结合主成分分析,本研究认为无机肥易造成柑橘园土壤酸化,不利于柑橘菌根的定殖;而有机肥与无机肥混施则可以改善土壤质量,促进柑橘菌根的定殖.

植物可以通过凋落物和根系分泌物改变土壤微生物生物量及碳氮磷转化胞外酶活性,进而影响土壤碳氮磷循环过程.然而,针对土壤磷有效性如何影响植物与土壤微生物之间的关系依然不清楚.本研究在不同磷添加水平下(0、1.95、3.9、7.8、15.6 g P·m-2·a-1),分析杉木种植对土壤微生物生物量和碳氮磷转化胞外酶活性的影响.结果表明:杉木种植显著改变了土壤微生物生物量与碳氮磷转化胞外酶活性,而且影响程度受磷添加水平的调控.在不添加磷处理下,种植杉木显著降低了土壤养分有效性,并引起土壤酸化,导致磷限制加剧,抑制土壤微生物生物量.磷添加逐渐减缓磷限制,随着磷添加水平的升高(1.95、3.9、7.8、15.6 g P·m-2·a-1)土壤酸性磷酸酶活性比对照分别降低30.0％、30.5％、35.3％和47.1％.在3个磷添加水平处理下(1.95、3.9、7.8gP·m-2·a-1),杉木对土壤微生物生长的抑制作用得到缓解.在高水平磷添加处理下(15.6gP·m-2·a-1),由于磷添加引起的氮养分限制,杉木种植对土壤微生物再次呈抑制作用.杉木种植和土壤磷有效性共同调控土壤微生物生物量与胞外酶活性,改变磷限制.

在地质系统或生物系统中发生的二氧化碳(CO2)转化为碳酸钙的过程可以达到封存CO2的目的.与地质封存相比,生物封存速度较快且价格低廉.目前,已有研究利用微生物,如藻类等,将大气中的CO2 生物封存到土壤中,但藻类是光能自养型微生物,无法在生物混凝土中生存.相比之下,细菌是生物混凝土技术中更好的选择,在生物加气混凝土砖(B-ACB)中,应用细菌封存CO2 的潜力巨大.细菌可以通过加速碳酸化过程来捕获CO2,这是由于碳酸化过程通过碳酸酐酶(CA酶)和脲酶可以将CO2 转化为碳酸钙(CaCO3).从文献中可以看出,采用生物混凝土可通过加速碳化过程吸收CO2 的同时加固自身.细菌加固混凝土的原理是微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP),其机制有多种,其中一些已被认可,并运用于混凝土裂缝愈合中.但迄今为止其应用仍具有局限性,尤其是对处于不同环境条件混凝土结构的细菌种类选择.文章根据不同菌种的生存特性总结成表以供相关研究选择参考.

不同林型土壤的酸化缓冲能力不同,真菌在土壤系统中扮演着重要的角色,而对土壤真菌群落结构和组成与土壤酸化的关系缺乏深入研究.以重庆铁山坪林场的马尾松纯林(Pi)和经马尾松纯林改造后的香樟纯林(Ci)、木荷纯林(Sc)、马尾松-香樟混交林(Pi_Ci)以及马尾松-木荷混交林(Pi_Sc)为研究对象,每个林型分别设置4个20 mx20 m的样地,分别采集腐殖质层(O层)和淋溶层(A层)土壤进行土壤性质及真菌群落分析,以探讨酸雨区森林土壤真菌群落与缓解土壤酸化的关系.研究表明:(1)与Pi相比,Ci 土壤酸化明显缓解(高pH低NH4:NO3),且能有效提高土壤全磷(TP)含量;而Sc虽然土壤pH值与Pi没有显著差异,但显著(P＜0.05)提高了 NH4:NO3,且显著降低土壤TP和全钾(TK)含量(P＜0.05);(2)不同林型土壤真菌群落多样性以Ci最为丰富,且表征土壤酸化的指标pH值、阳离子交换量(CEC)与真菌多样性显著正相关(P＜0.05),NH4:NO3与多样性显著负相关(P＜0.05);(3)林型和土层都对真菌群落结构有显著影响(P＜0.001),且林型的影响大于土层的影响;而土壤酸化程度将五个林型的土壤真菌群落区分成两个大类:Ci和Pi_Ci;Pi,Se以及Pi_Sc.(4)Ci中有益菌(如Mortierella)更多,Pi以外生菌根真菌占优势(Russulaceae、Russula、Tomentella 以及 Sebacina);Sc 以及 Pi_Sc 则含有更多的植物病原菌(Cladophialophora,Paecilomyces,Venturiales)、嗜酸菌及产酸菌(Paecilomyces,Penicillium).在酸雨区受损马尾松林地种植香樟促进土壤真菌多样性提高,且产酸真菌、嗜酸菌丰度降低,而有益真菌丰度增加,可有效缓解土壤酸化;而种植木荷后土壤中的病原菌、嗜酸菌和产酸菌相对丰度增加,导致土壤进一步酸化.因此,通过将受酸雨损害严重的马尾松纯林改造成香樟纯林或马尾松-香樟混交林,有助于缓解土壤的酸化,实现酸雨区森林生态系统的可持续发展.