冀北承德地区土壤生源要素生态化学计量与空间分异特征

土壤生源要素生态化学计量和空间分异特征对指导土地利用优化具有重要意义。以京津冀生态屏障区组成部分的承德市为研究区,采集1597件土壤样品,运用地统计学、全局Moran′s I指数、克里金插值和冗余分析等方法对承德全域主要土壤生源要素的空间分异特征及其影响因素进行了系统分析。结果表明,承德市表层土壤生源要素全钾(STK)、有机碳(SOC)、全氮(STN)、全磷(STP)和全硫(STS)平均含量分别为21.962 g/kg、18.826 g/kg、1.168 g/kg、0.587 g/kg和0.193 g/kg。垂向分布上STN、SOC和STS含量总体随深度增加而降低,STK和STP垂向分异受成土母质控制,高地质背景区STK和STP含量随深度增加逐渐升高。SOC和STN含量显著相关,空间耦合程度高,C:S与SOC含量显著正相关,C:N和C:S空间分布稳定,土壤生源要素的化学计量比主要受SOC含量控制。SOC空间自相关极显著,空间分异受结构性因素控制;STK空间自相关程度较高,分布稳定;STP空间自相关较显著,分布异质性较大;STS空间自相关相对最弱,受人为活动影响较明显。SOC和STN空间...     

河北承德地区两个温泉中细菌的多样性分析

通过构建16S rDNA克隆文库,对承德地区两温泉中的细菌多样性水平及系统发育关系进行了初步研究。研究表明:68°C的A11文库中阳性克隆的16S rDNA序列分属5个细菌类群,分别为Firmicutes(6.25%)、Deinococcus-Thermus(25.0%)、Gammaproteobacteria(12.5%)、Betaproteobacteria(50.0%)、Alphaproteobacteria(6.25%);而74.5°C的A12文库仅属于一个细菌类群:厚壁菌门(Firmicutes)。两温泉中细菌多样性的差异表明,温度是影响温泉中细菌多样性水平的重要因素。此外,A11文库中克隆的16S rDNA序列与许多已知的可产色素的好氧菌相似性很高,而A12文库中的细菌多数为专性厌氧或兼性厌氧型,其中厌氧芽孢杆菌属(Anoxybacillus)中的Anoxybacillus flavithermus可以作为研究泉华形成的理想材料。     

生物淋洗修复钒污染土壤的性能与机理研究

【目的】土壤重金属污染问题日益受到关注,其中钒污染逐渐成为研究热点。淋洗是土壤修复的重要手段,但存在污染大、成本高的缺点。生物淋洗技术因其经济高效且环保的特点能够应用于土壤的修复,但其对钒污染土壤的修复,认识仍非常有限。【方法】本研究采用嗜酸性氧化亚铁硫杆菌对钒污染土壤进行了生物淋洗试验,通过影响因素试验探究了钒的最佳浸出条件,并应用扫描电子显微镜-能量色散X射线谱分析了钒在淋洗过程中的变化,最后对代谢产物进行了解析。【结果】微生物次生代谢产物能促进土壤中钒的溶出。氧化亚铁硫杆菌对土壤钒的浸出效率较高,生物淋洗20 d后土壤中钒的浸出率达到27.4%,进一步的影响因素试验表明,在固体浓度为3%、接种体积为10%、初始pH值为1.8、初始Fe²⁺的浓度为3.0 g/L的条件下,土壤中钒的浸出效果最佳。SEM-EDS分析证实生物淋洗后土壤中钒含量减少,其中以非残渣态形式存在的钒更容易被浸出。代谢组学分析显示氧化亚铁硫杆菌在浸出过程中产生了大量代谢产物来应对重金属胁迫。【结论】生物淋洗技术能够有效地实现土壤钒污染的修复,本研究为钒污染土壤提供了一种环境友好的修复方式。     

导电材料强化微生物直接种间电子传递产甲烷的研究进展

厌氧条件下,微生物可以通过厌氧代谢产生甲烷(CH_4),由此衍生的厌氧消化技术可实现能源的回收利用。产CH_4的关键步骤是刺激发酵细菌和产甲烷古菌之间的有效电子转移,电活性微生物可以取代传统的氢/甲酸盐实现直接种间电子传递,其电子传递效率更高。添加导电材料可以促进直接种间电子传递并提高CH_4产率,是一种更有效的强化电子传递方式。本文在梳理直接种间电子传递发展和机理的基础上,综述了常见的促进直接种间电子传递的碳基和铁基导电材料,对其结构特征、电子传递机理、强化产CH_4和中间产物消耗等方面进行了系统总结。旨在为导电材料促进直接种间电子传递的研究提供参考,并探讨了未来可能的研究方向。     

西藏高寒区不同土地利用方式下土壤持水能力差异及其影响因素

研究高寒地区不同土地利用方式下土壤持水能力变化特征及其影响因素可为评估高寒生态系统水源涵养能力分异特征及其调控机制提供依据。本研究选取西藏高寒区3种土地利用方式(农、林、草地)下不同深度(0～10、10～20、20～30 cm)土壤为对象,测定土壤最大持水量、毛管持水量、田间持水量及土壤基本理化性质,并提取环境因子(年均降雨量、植被归一化指数、海拔、坡度和地表粗糙度),分析不同土地利用方式下土壤持水能力的变化特征及其影响因素。结果表明: 农、林、草地土壤持水能力(最大持水量、毛管持水量、田间持水量)均随土层深度增加而逐渐降低。草地0～30 cm土壤最大持水量、毛管持水量和田间持水量均值分别为379.79、329.57和194.39 g·kg^-1,显著高于农地(301.15、259.67和154.91 g·kg^-1)和林地(293.09、251.49和117.01 g·kg^-1)。冗余分析结果表明,不同土壤理化性质对土壤持水能力变异的解释量由大到小依次为总孔隙度(44.6%)、土壤有机质(42.7%)、毛管孔隙度(37.6%)和土壤容重(35.8%)。主成分分析结果显示,年均降雨量、植被归一化指数和地形因子(海拔、坡度和地表粗糙度)是影响土壤持水能力空间变异的主要环境因子,累积贡献率高达72.4%。西藏高寒区草地土壤具有更强的持水能力,能够有效防止水土流失。因此,在高寒地区实施退耕还草措施、对退化草地进行封育管理,有助于改善高寒地区土壤水源涵养能力。     

陕北黄土高原柠条灌丛穿透雨特征与影响因素

穿透雨是降雨再分配的主要组分,对干旱半干旱区的土壤水分补给和植被生长具有关键作用。灌丛穿透雨的影响机制特别是植被特征对穿透雨的影响需要进一步的定量研究,且目前对穿透雨空间异质性与聚集效应的研究相对较少。以陕北黄土高原典型灌丛—柠条为研究对象,于2016年对六道沟小流域柠条冠层下8个方位的穿透雨以及降雨和植被因子进行系统观测,分析穿透雨量、穿透雨率、穿透雨空间变异和聚集效应的变化特征,辨识影响穿透雨的主要降雨和植被因子,并建立相应的定量关系。结果表明:次降雨下柠条的穿透雨量、穿透雨率和空间变异系数平均值分别为11.88 mm、75.71%和21.80%。穿透雨量主要由降雨量决定,随降雨量增加而线性增加(R~2=0.99)。穿透雨率和空间变异系数主要受降雨量和降雨强度影响,穿透雨率随降雨量和I_30增加而呈对数增加(R~2=0.71和0.54),渐进值约为95%,而穿透雨空间变异系数则随降雨量和I_30增加而呈幂函数递减(R~2=0.71和0.60),稳定值约为10%。冠层厚度和枝倾角是影响穿透雨的主要植被因子,并分别呈显著的线性负相关和正相关(P0.05)。柠条穿透雨具有一定的聚集效应,平均发生频率为8.53%,且聚集效应在大雨量、高雨强和长历时降雨事件中更加明显。     

天然Fe(Ⅱ)矿物-生物质强化微生物还原固定五价钒研究

【目的】重金属钒的环境危害日益受到关注,微生物可实现高毒性的五价钒[pentavalent vanadium, V(Ⅴ)]的还原固定,其中电子供体是微生物还原V(Ⅴ)的关键,尽管天然Fe(Ⅱ)矿物和天然生物质均被报道可单独支持微生物还原V(Ⅴ),而基于两者构建的混养体系中微生物还原V(Ⅴ)的特征尚未揭示。【方法】本研究对天然Fe(Ⅱ)矿物和生物质进行优选并复配组合,探究混养生物体系中五价钒[V(Ⅴ)]的还原机理。【结果】磁黄铁矿和木屑对V(Ⅴ)的去除效率最高,分别为54.2%±3.4%和67.1%±3.1%。当优选的磁黄铁矿与木屑组合复配比例为1:3时可达到最高的V(Ⅴ)去除效率82.7%±3.1%。V(Ⅴ)被还原为不溶性V(Ⅳ)沉淀,Fe(Ⅱ)和S(–Ⅱ)分别被氧化为Fe(Ⅲ)和SO₄^2-。在混养体系中,脱硫菌(Desulfurivibrio)和硫菌属(Thiobacillus)等自养菌属可能参与磁黄铁矿的氧化与V(Ⅴ)还原,并利用无机碳源合成有机中间代谢产物,与无胆甾原体属(Acholeplasma)等纤维素降解菌分解木屑的产物一起,被B...     

西藏达则错盐湖沉积背景与有机沉积结构

以西藏拟溞(Daphniopsis tibetana Sars)为优势浮游动物物种的低盐度盐湖是西藏湖泊的一个重要类型,以达则错为代表,分析了其沉积背景及沉积物组成。结果如下:(1)湖泊敞水区无机沉积以内生化学沉积为主,可代表深水盐湖无机沉积物的自然沉积过程。(2)达则错盐湖浮游植物以蓝藻、硅藻、裸藻、绿藻为主,总生物量11.35 mg/L;浮游动物生物量为4.92 mg/L,其中西藏拟溞占 82.30%;浮游植物残体受盐梯度影响在盐梯度层之上聚集,而浮游动物残体及粪粒(Fecal pellets)因外表有碳酸盐附着可穿过盐梯度层沉积湖底,生物残体与浮游动物代谢产物构成了沉积有机物的物质基础。(3)表层沉积物平均含水量为66.70%,粒径0.004-0.02 mm范围内的颗粒物含量最大,占20.42%,其次为<0.004 mm的粘土,占4.53%。(4)表层沉积物总有机碳(TOC)平均含量为27.99 mg/g(干重),其中颗粒有机碳(POC)约为18.11 mg/g,占TOC的64.70%;在POC中,西藏拟溞粪粒贡献最大,约占POC的60.48%,占TOC的39.06%,占沉积物总量的1.12%,其次为西藏拟溞残体,占POC的38.85%。分析结果表明盐湖因其独特的水化学和生物学特征具有较强的沉积能力,以化学沉积为主的无机沉积及以西藏拟溞粪粒和残肢碎屑为主的有机沉积构成了该类型盐湖颗粒物沉降及沉积的主要过程。     

基于双稳定同位素和MixSIAR模型的冬小麦根系吸水来源研究

灌溉和施肥措施对农田水文循环具有重要影响,根系吸水是联系植物蒸腾和土壤水分运动的关键水文过程,定量识别灌溉施肥影响下作物根系吸水来源对农业用水优化管理具有重要意义。氘氧稳定同位素(D和18O)是追溯农田水分运移过程的理想天然示踪剂。基于2013—2015年北京市典型农田不同灌溉施肥处理冬小麦水分运移试验,利用D和18O双稳定同位素和MixSIAR贝叶斯混合模型,量化冬小麦主要根系吸水深度及其贡献比例,阐明作物水分来源的季节变化及不同处理间的差异,分析根系吸水与土壤水分分布变化的相互关系。研究结果表明:两季冬小麦返青-拔节、拔节-抽穗、抽穗-灌浆和灌浆-收获期主要根系吸水深度均值分别为0—20 cm(67.0%)、20—70 cm(42.0%)、0—20 cm(38.7%)和20—70 cm(34.9%),但季节变化差异显著,2014季主要吸水深度随作物的生长发育而逐渐增加,2015季则主要集中于浅层土壤(0—70 cm)。返青-抽穗期仅灌水20 mm或施肥105 kg/hm2N促使拔节-抽穗期深层(70—200 cm)土壤水分利用率平均增加29%,而前期充分灌水且大量施肥(≥当地施肥量210 kg hm-2N)时拔节-抽穗期根系吸水深度为土壤表层0—20 cm。在干旱少雨的冬小麦生长季内作物吸水来源与土壤水分消耗变化基本一致。     

毛乌素沙地海流兔河流域植被净初级生产力估算

采用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型,结合TERRA MODIS卫星数据和气象数据,对毛乌素沙地海流兔河流域2015年各月的植被净初级生产力(NPP)进行估算,并对植被NPP月平均值的时空分布规律及其与气象因子和地下水位埋深的关系进行了分析.结果表明:毛乌素沙地海流兔河流域2015年植被NPP总量为2.88×1011 g,生长季(4月份至10月份)的植被NPP总量达2.81×1011 g,占全年植被NPP总量的97.57%.随着时间推移,植被NPP月平均值和归一化差分植被指数(NDVI)月平均值呈"缓慢增加—急剧增加—急剧下降"的变化趋势.植被NPP月平均值季节变化明显,春季、夏季、秋季和冬季植被NPP月平均值之和分别为20.55、69.39、20.46和0.48 g·m-2.从空间分布上看,中部河谷和滩地的植被NPP月平均值总体上高于东南部、西部和西北部等沙丘荒漠区.月平均气温对植被NPP月平均值变化的影响最大,其次为平均实际日蒸散发量和地表月太阳辐射.植被NPP月平均值随着地下水位埋深的增加而减小,最大值出现在地下水位埋深1~2 m之间.上述研究结果显示:采用CASA模型可以较好地估算毛乌素沙地海流兔河流域植被NPP值,月平均气温和地下水位埋深对该流域植被NPP值的影响较大.