人类活动对景观尺度农业下垫面的CO2收支有着不可忽视的影响,明确在人类活动影响下景观尺度农业区CO2通量的变化特征及影响因素对增汇减排策略的制定具有重要的意义.使用高塔涡度相关法对长三角地区一处农业区CO2通量开展连续观测以明确其源汇特征及影响因子.结果表明:该农业区CO2通量在春夏秋季表现为白天吸收CO2,夜间排放CO2的日变化动态,三个季节CO2通量的变化范围分别为-0.15-0.14、-0.60-0.28、-0.21-0.19 mg m-2 s-1,冬季则表现为全天排放CO2,日变化范围为0-0.14 mg m-2 s-1.每年的6-11月CO2吸收明显,其余时间段以排放为主,吸收峰值和排放峰值分别出现在每年的8月和11月,多年均值分别为-0.14、0.08mgm-2s-1.研究区2019-2021年表现为一个逐年上升的大气碳源,CO2通量年总量均值为(142.73±99.01)gC m-2 a-1.在半小时尺度上光量子通量密度(PPFD)、10 cm处土壤温度(Ts)以及饱和水汽压差是影响CO2收支的关键环境要素,日尺度上PPFD、Ts是主要控制因子,月尺度上,Ts是最为重要的影响因素,同时降雨量以及归一化植被指数也影响着CO2通量.经人为CO2开源数据清单得到的通量塔15 km范围内人为CO2排放量为(429.7±30.01)gC m-2 a-1,抵消了该农业区稻田、森林等自然生态系统的碳汇作用.

作为中国重要粮食生产基地的东北农田,由于不合理利用,土壤有机碳含量出现逐年下降的趋势.本研究以辽宁省典型作物玉米和水稻土壤为对象,共采集444份土壤样品,分析土壤有机碳及其组分(微生物生物量碳、死亡残体碳和可溶性有机碳)的含量,并解析影响有机碳的关键因素.结果表明:水稻田土壤有机碳(SOC)、微生物生物量碳(MBC)含量和MBC/SOC值均高于玉米田土壤,而水稻田土壤可溶性有机碳含量、细菌残体碳、真菌残体碳和土壤残体碳总量低于玉米田土壤;相关分析显示,玉米田和水稻田的SOC与MBC和微生物残体碳具有显著正相关性;回归分析显示,水稻田SOC与MBC和微生物残体碳的斜率较低;随机森林模型分析显示,土壤C/N和真菌残体碳是玉米田和水稻田土壤SOC的关键影响因素,但两者对玉米田土壤SOC的解释度更高;玉米田和水稻田SOC组分及关键影响因素存在显著差异,微生物周转过程对玉米田SOC影响更大,土壤性质对水稻田SOC含量起到主要影响.本研究为科学调控东北农田土壤有机碳提供基础数据和理论基础.

秸秆还田对稻田土壤NH3挥发可产生影响,但相关排放变化规律和调控机制有待系统研究.以南粳46水稻品种为材料,太湖地区典型单季稻田原状土为研究对象,利用连续气流封闭法监测三种秸秆(水稻秸秆:RS;小麦秸秆:WS;玉米秸秆:MS)两种添加量(W秸秆:W土=0.5％、0.8％)下水稻各生长期NH3挥发通量、土壤理化因子及水稻产量;进而结合分子生物学技术,将环境因子与氮循环相关的功能微生物丰度进行耦合,揭示NH3挥发对不同种类秸秆和不同添加量的响应机制并解析关键因子,从而筛选出稻田生态系统氨减排效果最佳的秸秆还田种类及施用量.试验结果表明,秸秆种类及秸秆种类与其施用量交互作用对稻田土壤NH3挥发均产生显著影响,总体来看,与CK相比,施加秸秆处理NH3挥发变化幅度为-33.2％-27.3％.不同秸秆种类对稻田土壤NH3挥发影响不同,低添加量下,与CK相比,RS与WS施用对NH3挥发量均无显著影响,而MS施用显著增加NH3挥发量21.1％;高添加量下,RS施用显著降低NH3挥发量33.2％.不同秸秆施加量对稻田土壤NH3挥发影响亦不同,RS和MS处理下稻田NH3挥发量随施用量的增加分别降低31.2％和32.8％,而WS处理则呈现相反规律;不同秸秆种类及不同施加量交互作用下RS-0.8处理显著降低稻田土壤NH3挥发33.2％.田面水pH、总氮(TN)浓度、土壤微生物量碳含量(MBC)、土壤氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)群落丰度是导致不同秸秆种类和用量下稻田土壤NH3挥发产生差异的主要影响因素;RS-0.8处理相较于其他处理显著增加土壤AOA、AOB群落丰度并显著降低田面水TN含量,综合效应下显著减少稻田NH3挥发量33.2％,并显著增加水稻产量22.9％.因此,综合稻田NH3挥发总量和水稻产量,秸秆施用水稻种植体系中水稻(RS)秸秆以0.8％施用量模式下减排增产效果最佳.

低甲烷排放转基因水稻是实现水稻低碳生产的理想材料.土壤微生物驱动了稻田甲烷的产生,低甲烷排放转基因水稻土壤微生物群落组成的变化不仅影响稻田甲烷排放,也关系到土壤微生态系统的稳定性.通过对细菌16S rRNA基因、真菌ITS基因的高通量测序及mcrA、nifH、amoA和nirS等功能基因的荧光定量PCR,分析了低甲烷排放转基因水稻(86R27-3)与野生型水稻(MH86)土壤微生物群落间的差异.结果显示:稻田土壤细菌群落的α-多样性指数在86R27-3与MH86间无明显差异,且仅在水稻分蘖期86R27-3的土壤真菌群落多样性指数Shannon、Simpson及均匀度指数Pielou_e显著高于MH86(P＜0.05);β-多样性分析表明土壤细菌或真菌群落组成在86R27-3与MH86间均没有显著差异;但在水稻齐穗期:86R27-3 土壤的放线菌门(Actinobacteria)、罗泽真菌门(Rozellomycota)的相对丰度显著高于MH86(P＜0.05),而酸杆菌门(Acidibacteria)、子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度显著低于MH86(P＜0.05);土壤微生物群落功能预测显示,86R27-3 土壤氮、硫和锰代谢细菌功能群丰度显著低于MH86(P＜0.05),如分蘖期的土壤硝酸盐还原、硝酸盐呼吸、硫代硫酸盐呼吸及硫呼吸,齐穗期和成熟期的好氧亚硝酸盐氧化及成熟期的锰氧化等;与MH86相比,86R27-3的土壤真菌功能群丰度有减有增,如在水稻不同生育期内的其未定义腐生物银耳目、嗜热囊菌科、镰刀菌属及韦斯特氏菌功能群丰度显著降低(P＜0.05),而其分蘖期的动物内共生体腐生生物毕赤酵母属和未定义腐生物马勃科功能群丰度显著提高(P＜0.05).定量PCR分析表明86R27-3 土壤中的产甲烷细菌mcrA基因丰度显著低于MH86(P＜0.05),同时,土壤固氮菌nifH基因、氨氧化细菌amoA基因及反硝化细菌nirS基因的丰度在86R27-3土壤中也显著降低(P＜0.05).综上所述,低甲烷排放转基因水稻(86R27-3)对土壤细菌或真菌的群落组成没有影响,但可引起主要细菌或真菌种类的相对丰度及某些细菌或真菌功能群丰度发生变化,并显著降低了稻田土壤微生物功能基因丰度.

[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.

稻田甲烷排放是农业源甲烷排放的主要来源.东北黑土地区是我国最大的粮食生产基地,农业温室气体减排是实现黑土地永续利用的关键议题之一.运用稻田甲烷排放模型(CH4MOD)核算并分析了 2009-2018年东北黑土地区稻田甲烷排放的时空演变特征,结合GOSAT卫星遥感数据探究了水稻生产与区域甲烷排放的时空动态联系,进一步量化了稻田甲烷对区域甲烷排放的贡献程度及不同情景下的排放潜力.结果表明,受水稻生产面积扩张和排放强度提高的影响,东北黑土地区稻田甲烷排放总量从2009年的39.05万t增加到2018年的79.53万t.东北黑土地区区域甲烷排放在季节变化和栅格单元上表现出与稻田甲烷排放较为一致的时空动态,大规模的稻田耕作可能会增加水稻生产与区域甲烷排放直接相关的可能性.随着水稻持续扩种稳产,2018年东北黑土地区水稻生产贡献了区域甲烷排放总量的15.04％,其中黑龙江省的贡献率高达31.06％.在基准发展情景下,预计2035年东北黑土地区稻田CH4排放量较2018年增加19.5％;在粮食供给保障情景下,维持当前稻田耕作面积,水稻生产集约化程度提高,预计其稻田CH4排放量较2018年减少0.88％;在此基础上,采取促进秸秆还田、增施有机肥、实施节水间歇灌溉等稻田管理措施将使稻田CH4排放量增加17.8％-63.6％.以满足膳食需求和供给保障为导向,优化水稻种植结构、控制稻田耕作面积,推动技术进步、品种改良以提升单产水平,采取化肥和有机肥搭配施用、节水间歇灌溉等途径能够缓解稻田甲烷排放.研究综合运用自上而下的遥感数据和自下而上的模型运算,刻画了水稻生产与区域甲烷排放的时空联系,进一步评估了稻田甲烷的排放潜力及减排措施的减排效果,为促进东北黑土地区农业甲烷减排和生产布局优化提供了理论依据和决策参考.

微塑料因在土壤环境中广泛存在及其潜在的生态风险而受到越来越多的关注.微塑料的赋存会改变土壤理化性质,并对土壤微生物群落及其驱动的生物地球化学过程产生影响,而相关研究尚处于起步阶段.可生物降解塑料作为传统塑料的替代品,越来越多地应用于农业活动,并释放到土壤中.然而,可生物降解微塑料对土壤微生物特性产生影响的研究鲜有报道.基于此,本试验以我国三江平原水稻田土壤为研究对象,选取了 2种常见的微塑料为试验材料,分别为传统型微塑料聚丙烯(Polypropylene,PP)和可降解微塑料聚乳酸(Polylactic acid,PLA),进行了为期41d的微宇宙培养实验,旨在分析不同浓度与类型的微塑料对土壤可溶性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)含量及官能团特征、温室气体排放以及微生物群落结构的差异性影响.结果表明,传统型微塑料PP与可降解微塑料PLA添加均对土壤理化性质与微生物群落产生显著影响.其中,微塑料添加大体上增加了土壤DOC含量,PLA的促进作用较为明显,且增加含量与微塑料添加量呈正相关;PP和PLA均影响土壤DOC分子结构,削弱了土壤团聚化程度并促进了大分子量DOC化合物的生成;微塑料的添加促进土壤CH4排放,而有效抑制了土壤CO2排放;微塑料显著改变了土壤细菌和真菌群落的丰富度与多样性.相关分析结果表明,土壤CO2累计排放量与芳香族化合物结构及疏水性等官能团特征、变形菌门(Proteobacteria)与放线菌门(Actinobacteria)均呈显著正相关关系.以上结果表明,微塑料添加改变了土壤DOC含量及官能团特征与微生物环境,进而影响土壤温室气体排放.本研究为今后微塑料对土壤地球化学和微生物特性的影响研究提供了科学的思路,同时也有助于评估微塑料对土壤生态系统的生态风险.

为了探讨稻-鳅-蛙共作农田优势真菌对土壤碱解氮、有效磷、土壤酶活性及镉污染土壤镉生物有效性的影响,本研究分离、纯化及初步鉴定稻-鳅-蛙农田土壤中的优势真菌LW-1,并将其扩繁后制成1 ×103、1×105、1×107个/mL孢子3种浓度的菌液,最后将3种浓度的菌液和空白菌液分别添加至0、5、10、20 mg/kg镉污染的土壤中,每10天取土壤样本检测土壤有效磷、碱解氮、转化酶、过氧化氢酶、脲酶有效态镉含量.结果表明,随着菌液浓度的增加,土壤中碱解氮和有效磷的含量显著增加(P＜0.05),土壤转化酶和脲酶活性均显著性提高(P＜0.05),而有效态镉的含量显著降低(P＜0.05).这说明稻-鳅-蛙共作农田中的优势真菌可提高土壤肥力并降低镉污染土壤的生物有效性,研究结果为该模式在土壤改良和修复中的应用提供理论依据,也为理解稻-鳅-蛙共作农田土壤肥力高于常规稻田的机制提供了新的视角.

建立健全国家公园体制对于保护自然生态系统的完整性与生物多样性具有重要意义.作为首批试点单位之一,钱江源国家公园体制试点区(以下简称"钱江源")率先开展了集体林地地役权改革,并取得了良好效果.然而地役权改革是否以及如何影响钱江源土壤及其微生物,目前还缺乏系统评估.本研究对钱江源4个片区中不同改革模式下的水稻田表层土壤进行取样,每个片区内均采集4种模式的水稻田:公园内改革、公园内弃耕地、公园内未改革以及公园外未改革.利用高通量测序研究土壤微生物群落的组成与结构,并利用多元统计分析等剖析塑造微生物群落空间格局的驱动因素.结果发现,与其他3类土壤相比,弃耕地具有更低的氮磷等营养元素含量和重金属元素含量;其他3类土壤的理化性质则较为相似.在微生物方面,细菌群落以变形菌门(48.57％)和酸杆菌门(31.62％)为主;真菌群落以子囊菌门(78.31％)和担子菌门(16.38％)为主.不同模式下的细菌群落差异较大,尤其是弃耕地与其他3类均具有显著性差异,其他3类则较为相似.真菌群落的变异相对较小,仅公园外未改革和弃耕地间具有显著差异.细菌群落组成的空间变异与土壤环境因子显著相关,其中具有主要影响的前5个环境因子分别是pH、铬、全氮、有效磷和有机质.真菌群落组成的空间变异与土壤环境因子间未发现显著相关性.中性群落模型分析发现,中性过程对细菌和真菌群落组成差异的形成均有重要影响.综上,初步认为,存在水稻种植的情况下,地役权改革尚未对水稻田土壤及其微生物起到显著影响;放弃种植的弃耕地则可能已经处在再野化的初期阶段.因此,地役权改革是否以及如何影响长期耕作土壤的恢复,还需要结合长期的综合监测,才能作出更为科学合理的判断.

为研究新余地区镉污染稻田治理方法,筛选稻田替代种植经济作物,以赣葛 1 号为试验材料,设置 2 种栽培方式(平作、垄作),分析起垄栽培对土壤理化性质、镉含量、粉葛葛根产量、生物量及其对重金属镉富集的影响.结果表明,与平作栽培相比,垄作栽培增加了粉葛块根产量(13.96%)和地上部生物量(7.02%).垄作栽培增加了土壤pH、有机质、阳离子交换量、全镉和有效态镉含量,增幅分别为 7.34%、11.48%、0.97%、16.67%和 8.00%.垄作栽培还提高了粉葛块根、葛渣、葛头和叶片中镉含量,分别增加了 67.74%、52.24%、20.51%和 5.43%,但减轻了葛粉、主藤和侧枝中镉含量,分别降低了 20.00%、10.13%和 3.54%.粉葛不同部位中镉含量表现为:侧枝>主藤>葛头>叶片>块根.综上,起垄栽培可改善土壤环境,提高粉葛产量和生物量,但有增加土壤和粉葛中镉含量的风险.