生物质炭对土壤氮素循环的影响及其机理研究进展

生物质炭因其特殊的理化性质,具有改良土壤、持留养分、提高肥力及增加土壤碳库贮量的作用,成为土壤生态系统生物地球化学循环和农业固碳减排领域的研究热点.作为一种人为输入的新材料,生物质炭将直接或间接地参与土壤氮素物质的周转,进而对土壤生态系统功能产生深远的影响.本文综述了生物质炭输入对土壤生态系统氮素循环的影响研究,重点概述了生物质炭对土壤氮素物质吸附作用以及硝化作用、反硝化作用和固氮作用等生物化学过程的影响,并对其潜在的机理进行了分析.在此基础上,对今后生物质炭与土壤氮素循环的相互作用进行了展望.     

生物质炭生物与非生物氧化特性研究进展

生物质炭是由植物生物质热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。生物质热解炭化还田能否成为人类应对全球气候变化的重要途径直接取决于其在土壤生态系统中的稳定性。生物质炭稳定性的研究对科学计算和评估土壤生态系统生物质炭输入的碳固持与减排作用具有重要现实意义。重点概述了土壤生态系统生物质炭生物与非生物氧化特性、影响因素及其机理研究进展,并对生物质炭在土壤环境中的稳定性预测模型研究进行了分析。在此基础上,今后需针对不同类型旱地土壤生态系统和不同类型稻田土壤生态系统生物质炭稳定性及其机理开展研究,并进一步开展土壤生态系统生物质炭稳定性预测模型研究。     

土壤生物质炭环境行为与环境效应

生物质炭具有高度稳定性和较强的吸附性能,可从气候、地质等多方面对环境产生影响,在全球气候变化、碳生物地球化学循环以及环境系统中发挥着非常重要的作用,长期以来成为国内外大气科学、地质学和环境科学领域研究的热点.作为土壤腐殖质中高度芳香化结构组分的可能来源,生物质炭对增加土壤碳库贮量、提高土壤肥力以及维持土壤生态系统平衡意义重大.本文重点概述了生物质炭特性、生物质炭生物与非生物氧化机理、生物质炭对全球气候变化的影响以及土壤生物质炭环境效应等方面的国内外研究进展,并对今后生物质炭在土壤生态系统中的环境行为和环境效应研究进行了简要的展望.     

生物炭对农田土壤氨挥发的影响机制研究进展

降低土壤氨挥发量是农田生态系统中减少土壤氮素损失、提高氮肥利用率的关键途径之一。生物炭具有独特的理化性质,施入土壤后可改变土壤理化性状,影响土壤氮素循环,并对农田土壤中氨挥发产生重要的影响。本文首先介绍了稻田和旱田两种土地利用方式下农田氨挥发过程及其影响因素(气候条件、土壤环境、施肥管理等);其次,重点综述了生物炭对农田生态系统氨挥发影响的研究进展,并从物理吸附机制、气液平衡机制、生物化学过程调节机制等方面探讨了生物炭介入下农田土壤氨挥发的响应机制,认为土壤氨挥发减排的响应主要是基于生物炭表面含氧官能团对土壤NH₄⁺和NH₃的吸附作用及促进土壤硝化作用;而生物炭增加土壤氨挥发排放主要与生物炭提高土壤pH值和透气性、增强土壤有机氮矿化微生物活性有关。最后,对生物炭减少土壤氨挥发、提高氮肥利用率的研究方向进行了展望。     

植物化感物质及化感潜力与土壤养分的相互影响

植物化感作用与许多生态因子有关.土壤养分缺乏,影响着许多植物化感物质的产生,从而影响植物的化感潜力;反过来,植物化感物质也通过络合、吸附、酸溶解、竞争、抑制等方式影响土壤的养分形态和水平.本文总结了植物化感物质及化感潜力与土壤养分的相互影响,并提出了今后该领域值得进一步研究的问题.包括以下几方面：加强植物化感研究与土壤 植物营养学研究的结合,以更深入地阐明植物化感物质、化感作用与土壤养分变化的关系;加强植物化感研究与生态系统养分循环研究的结合,以类似自然（nature-like）的方式模拟自然界植物所受的养分干,使养分干扰的化感研究结果更加逼真、可靠;加强对养分过量及受污染时植物化感作用的研究,为揭示农业和林业生产中植物的相互作用机制和生物量变化机制提供新的思路,为生态保护提供科学依据.     

养分输入方式对森林生态系统土壤养分循环的影响研究进展

土壤养分循环对森林生态系统稳定性维持、树种选择及更新、可持续经营具有重要意义,掌握养分输入来源及过程可指导森林生态系统物质循环与能量流动分析及生态功能评估。凋落物、根系周转、根系分泌物是森林土壤养分的主要来源,是土壤养分循环的重要组成部分。本文分析了3种主要养分输入方式及其影响因素,总结了凋落物组成及理化性质、生物因子、环境因子等对凋落物分解及土壤养分循环的影响;综述了细根底物性质、树种组成、土壤生物、环境因子变化对细根周转及土壤养分循环的影响;探讨了根系分泌物对土壤养分循环过程的作用,基于此,提出了该领域亟需深入研究的重要方向,以期为相关研究及森林生态系统养分管理提供参考。     

生物炭对农田土壤微生物生态的影响研究进展

生物炭作为新型土壤改良剂在国内外环境科学等领域受到广泛的关注.关于生物炭对土壤理化性质的改良研究较早,目前虽然已深入到土壤微生物生态的领域,但是大多数将土壤理化性质与土壤微生物生态分开考虑,缺乏对二者相互作用的系统评述.本文总结了施用生物炭后土壤理化性质的改变与土壤微生物群落变化之间的相互关系:生物炭不仅能够提高土壤pH值、增强土壤的持水能力、增加土壤有机质等,而且会影响土壤微生物的群落结构、改变细菌和真菌的丰度;施用生物炭后,土壤环境和土壤微生物之间互相影响互相制约,共同促进了土壤微生物生态系统的改良.本文旨在为生物炭改良农田土壤微生态的深入研究提供新的思路,从生态系统的角度促进生物炭环境效应影响的研究,使生物炭的应用更具有科学性和有效性,并对生物炭在相关领域的应用进行了展望.     

生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征

生态系统元素平衡是当前全球变化生态学和生物地球化学循环的研究热点和焦点.在系统介绍生态化学计量学与碳氮磷元素循环研究进展的基础上,重点从土壤C:N:P化学计量比的分布特征、指示作用、对碳固定的影响,以及人类活动对C:N:P比的影响等方面探讨了C:N:P比在养分限制、生物地球化学循环、森林演替与退化等领域中的应用等问题,并展望了生态系统碳氮磷平衡的元素化学计量学未来研究的发展方向.通过对生态化学计量学理论和方法的研究,可以深入认识植物-凋落物-土壤相互作用的养分调控因素,对于揭示碳氮磷元素之间的相互作用及平衡制约关系,为减缓温室效应提供新思路和理论依据,具有重要的现实意义.     

生物质炭对土壤性质及温室气体排放的影响

生物质炭是指生物质如作物残体、畜禽粪便以及其他任何形式的有机物质,在高温缺氧下裂解形成的物质。生物质炭有很多环境效应,最主要的是将碳长期固存在土壤中,缓温室效应,遏制全球气候变暖。生物质炭施入土壤后,能有效改善土壤结构,促进植物对土壤养分的吸收,提高作物产量,可以有效降低温室气体的排放。但大规模的生物质炭施用还存在很多的不确定性,包括工业生产的成本核算、原料的有效性以及生物质炭施用的长期效应的不确定等。本文综述了不同条件下制得的生物质炭的性质差异,生物质炭施入后对土壤物理、化学、微生物性质以及对地-气主要温室气体通量的影响,对水稻产量及稻田温室气体排放的影响,森林火灾发生后产生木炭的一些环境效应。     

土壤养分循环实地采样调查方法

讨论了一种在区域尺度上研究生态系统中土壤养分循环的样区采样及调查方法.即在满足土壤养分循环研究所要求的代表性、重现性、随机性及时间性等原则的基础上,利用地形图及航空照片等资料,在区域中选定合适面积和数量的样区后,在各样区内按统一标准采集土壤和植物样品.考虑区域土壤养分循环受自然环境条件和社会经济条件等因素的制约,野外采样过程中有必要对采样单元的实地情况进行调查记载,并就样区内所有农户的基本状况、种植业结构及肥料投入等有关土壤养分循环的影响因子进行农户调查.对我国亚热带农业生态系统中土壤养分循环进行了案例研究,探讨了该采样调查方法在土壤养分循环研究中的应用.     

生物炭对黄壤中氮淋溶影响:室内土柱模拟

土壤氮素的淋失作用不仅造成土壤营养元素的损失,而且对河流和湖泊等环境水体的富营养化具有重要贡献.采用土柱室内模拟方法,通过模拟降雨淋滤,研究了生物炭对土壤淋溶液体积、pH和电导率以及NH4+-N和NO3--N淋溶的影响.试验中所用的生物炭是以桉树木屑为原料制成,分别按照炭土质量比1％、2％、4％、10％施用于土壤中.结果显示,与对照相比,向土壤添加10％、4％、2％、1％生物炭分别减少土壤水分损失14％、0.03％、0.02％和0.01％;随生物炭添加量增加,淋溶液的pH和电导率也逐渐增加;土壤生物炭添加量为10％、4％、2％时,NH4+-N淋溶量分别增加235％、28.1％、31.6％,NO3--N淋溶量分别增加4.2％、14.5％、25.6％;但生物炭添加量为1％的土柱NH4+-N淋溶量减少15.8％,NO3--N淋溶量减少19.2％.本研究表明,桉树生物炭对土壤氮淋溶与其施用量有关,1％施用量能减少氮淋溶,过量施用将增加氮淋溶,这种作用是否与生物炭种类有关有待进一步研究.     

全球气候变暖对凋落物分解的影响

凋落物分解作为生态系统核心过程,参与生态系统碳的周转与循环,影响生态系统碳的收支平衡,调控生态系统对全球气候变暖的反馈结果。全球气候变暖通过环境因素、凋落物数量和质量以及分解者3个方面,直接或间接地作用于凋落物分解过程,并进一步影响土壤养分周转和碳库动态。气候变暖可通过升高温度和改变实际蒸散量等环境因素直接作用于凋落物分解。气候变暖可引起植物物种短期内碳、氮和木质素等化学性质的改变以及群落中物种组成的长期变化从而改变凋落物质量。在凋落物分解过程中,土壤分解者亚系统作为主要生命组分(土壤动物和微生物)彼此相互作用、相互协调共同参与调节凋落物的分解过程。凋落物分解可以通过改变土壤微生物量、微生物活动和群落结构来加快微生物养分的固定或矿化,以形成新的养分利用模式来改变土壤有机质从而对气候变化做出响应。未来凋落物分解的研究方向应基于大尺度跨区域分解实验和长期实验,关注多个因子交互影响下,分解过程中碳、氮养分释放、地上/地下凋落物分解生物学过程与联系、分解者亚系统营养级联效应等方面。     

土壤可溶性有机氮研究进展

可溶性有机氮(SON)和无机氮是陆地生态系统氮循环过程中重要的氮素形态,互为“源”和“汇”。陆地生态系统中氮素和其他营养元素的矿化、固持、淋溶和植物吸收均与SON有密切的联系。SON在土壤物质循环和养分流动等动态过程中的作用越来越受到关注,已成为生态学、环境学、土壤学、水文学等研究领域的热点之一。本文综述了国内外对土壤SON的研究进展,包括SON的定义和测定、SON库容大小和组成、植物和微生物对SON的吸收利用、SON来源及其影响因素、SON在土壤中的转化运移和淋失等。综合国内外研究结果发现,土壤SON是一个复杂的多组分可溶性有机物的混合物,主要为难降解的物质(惰性成分),能快速矿化分解的物质(活性成分)占比较低。由于惰性成分和活性成分在周转速率上的差异,SON在生态系统氮循环中的地位不能完全通过SON的容量特征来反映。因此,为了更准确地反映SON在氮周转、氮吸收和氮流失中的作用,未来需要创新研究方法并对SON组分加以区分:研究SON在氮转化和氮吸收中的作用时,重点关注SON中的活性成分;研究SON在氮淋溶径流损失中的贡献时,则重点关注SON中的惰性成分。     

施用生物质炭对红壤中硝态氮垂直运移的影响及其模拟

为研究在红壤中施用生物质炭后硝态氮的垂直运移规律,采用室内土柱模拟的方法,分别按照炭土比为0、2.22%(5 t·hm^-2)、4.45%(10 t·hm^-2)、8.95%(20 t·hm^-2)、13.37%(30 t·hm^-2)和17.80%(40 t·hm^-2)设置混合土壤,并采用CXTFIT 2.0模型对试验结果进行拟合.结果表明： 在饱和条件下,不同生物质炭添加比例下,硝态氮运移的穿透曲线发生明显变化.不同处理的硝态氮相对浓度(C/C_o)峰值、淋溶速率和累积淋失量随生物质炭添加量的增加而显著降低.各穿透曲线尾部均存在一定的拖尾现象,且随生物质炭添加量的增加拖尾现象越显著.对硝态氮穿透曲线的影响因素分析可知,生物质炭影响了土壤的容重、有机碳、孔隙度、阳离子交换量(CEC)等物理性质,进而导致各处理硝态氮穿透曲线发生了变化.采用CXTFIT 2.0数学模型模拟硝态氮在土壤中的运移,硝态氮的穿透曲线拟合值与实测值呈显著正相关,相关系数均>0.850,能够很好地对土壤硝态氮运移和运移参数进行预测,试验结果可为预测生物质炭施用对地下水体环境硝态氮的影响提供科学依据.     

生物炭对杉木人工林土壤养分、酶活性及细菌性质的影响

为了探究添加生物炭对南方红壤杉木人工林土壤养分含量、酶活性及细菌丰度和群落结构及多样性的影响,分析三者之间的作用机制,基于高通量测序技术,通过添加不同生物炭对人工杉木林土壤环境中细菌群落进行培养和测定,同时挑选与土壤C、N循环相关的4种酶,分析4种酶与土壤养分含量及土壤细菌相对丰度的关系。结果表明:添加生物炭总体使得土壤pH值,全磷、有效磷、速效钾等含量有所提高,同时促进土壤-α-葡萄糖苷酶、土壤-β-葡萄糖苷酶及脲酶的活性,对过氧化氢酶的影响不显著;由于生物炭制备原料不同,其自身性质和物质含量也存在差异,因此杉叶炭对土壤养分的提高量大于木屑炭,而木屑炭处理的土壤全碳含量高于杉叶炭;低添加量生物炭对参与碳循环的土壤葡萄糖苷酶活性提高程度大于高添加量生物炭,而与氮循环有关的土壤脲酶活性随着生物炭添加量的增加而提高,尤其3%BL600处理对土壤脲酶影响十分显著;向土壤添加杉叶炭能够提高土壤细菌丰度,而木屑炭降低了土壤细菌丰度,低温炭大于高温炭;添加生物炭对土壤pH值,全碳、全磷、有效磷、速效钾含量等具有直接影响,土壤组分和性质对不同细菌种群生活习性与功能产生不同的影响,土壤酶活性与土壤细菌存在密切的联系,细菌丰度的变化又会引起土壤酶活性的改变,因此土壤酶活性和细菌群落相对丰度对添加生物炭的响应存在一定的相关关系。     

覆盖作物的生态效应

评述了农田生态系统中主要覆盖作物在减少土壤损失、降低表土迳流、增加土壤养分、减少NO3^-I淋溶、减轻水质污染及病虫草防除中的作用与效应,讨论了覆盖作物管理对农业持续发展的影响。     

施用生物质炭和羊粪对宿根连作茶园根际土壤微生物的影响

茶树长期宿根连作会导致土壤酸化严重、土壤营养不平衡、根际土壤微生态结构恶化.研究生物质炭、羊粪对宿根连作茶树生长以及土壤微生物群落结构和功能的影响,探讨其对宿根连作茶树土壤环境的调节效果,可为宿根连作茶园土壤微生态的改善提供理论依据.本研究以宿根连作20年的茶园土壤为对象,利用Biolog技术和磷脂脂肪酸(PLFA)方法,研究施用生物质炭(40 t·hm^-2)和羊粪替代部分化肥对连作茶树产量和品质、土壤化学性质、根际土壤微生物群落功能和结构的影响.结果表明:施用生物质炭、羊粪1年后酸化茶园土壤的p H和土壤养分显著提高,并提高了茶叶产量.与常规施肥相比,施用生物质炭、羊粪替代部分化肥处理显著提高了茶树根际土壤微生物的碳源代谢活性和微生物多样性,对胺类、碳水化合物和聚合物的相对利用有所增加.生物质炭和羊粪处理的根际土壤总PLFA含量分别比常规施肥处理提高了20.9%和47.5%,羊粪处理还显著降低了总饱和/总单一不饱和脂肪酸比例.生物质炭和羊粪可改善茶园土壤酸化状况和土壤肥力,对宿根连作茶树的生长具有促进作用,两种措施均不同程度地增加了土壤微生物的代谢活性和微生物量、提高了多样性指数、改善了微生物群落结构.施用生物质炭和羊粪可作为调节宿根连作茶园根际土壤微生态的有效措施.     

红壤旱坡地农田生态系统养分循环和平衡

通过田间定位试验从生态系统的角度比较研究了中亚热带红壤低丘岗地几种主要旱坡地农田生态系统的水土流失、养分循环和平衡特征、土壤养分消长动态及空间分异,结果表明：水土流失是红壤旱坡地生态系统养分损失的重要途径之一,固体径流具有养分富集现象,速效养分损失以地表径流为主,水土流失养分损失量大小顺序为：有机碳＞全钾＞速效钾＞全氮＞全磷＞水解氮＞速效磷;免耕覆盖和垄作能显著减少水土流失及养分损失量;红壤旱地淋溶也是养分,尤其是氮素损失的重要途径;在养分平衡有盈余状况下,土壤养分水平是可以逐步提高的,其中,土壤速效磷、速效钾提高的速度较快,土壤全氮、有机质和全磷也有所提高,但仍处于较低水平;复合农林系统中,土壤养分存在明显的空间分异,农作物区域由于养分投入较高,土壤养分水平明显高于林木区域。     

季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响

全球气候变化引发的雪被格局变化将深刻影响植被的凋落物分解、陆地生态系统的土壤养分循环等过程.森林是陆地生态系统的主体,在全球生物地球化学循环中起着不可替代的作用.本研究综述了季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响.全球气候变化情景下季节性雪被表现出因地域而异的增加或减少的变化格局,一方面通过改变环境温湿度、凋落物质量、分解者动态等直接影响分解过程,另一方面通过改变森林群落结构、植被物候、土壤养分等间接地作用于凋落物分解.同时,季节性雪被通过影响氮富集作用、雪被下土壤温湿度、冻融循环、森林群落、雪下动物和微生物等相关因子而改变森林土壤氮循环.本领域未来应开展的研究是: 1) 全面考虑全球气候变化情景下季节性雪被格局的变异性,开展不同季节性雪被格局变化的模拟研究;2) 开展季节性雪被融雪水淋溶作用对森林凋落物分解和土壤氮动态的影响研究;3) 阐明不同生态系统和气候带中季节性雪被格局变化对森林凋落物分解过程和土壤氮动态的驱动机制研究;4) 量化季节性雪被变化对森林凋落物分解和土壤氮动态在雪被覆盖期的瞬时影响和无雪期的延续影响,为阐明和模型预测陆地生态系统生物地球化学循环对全球气候变化的响应提供理论基础和数据支持.     

施用生物质炭对采煤塌陷区土壤氨氧化微生物丰度和群落结构的影响

生物质炭作为一种新型土壤改良剂,施入土壤不仅能提高肥力,改善土壤结构,还能够影响土壤氮素的转化.本文利用培养试验研究施用生物质炭对采煤塌陷区土壤性质及氨氧化菌丰度和群落结构的影响.结果表明: 生物质炭显著提高土壤铵氮(NH4⁺-N)、全氮、有效磷和速效钾含量.生物质炭施用量对氨氧化古菌(AOA)丰度没有显著影响,但是增加施用量显著提高了氨氧化细菌(AOB)丰度.对T-RFLP数据进行分析发现,生物质炭提高了AOA和AOB多样性,并在一定程度上改变了AOA和AOB群落结构.施用生物质炭提高了采煤塌陷区土壤养分含量,并在一定程度上提高了氨氧化菌的丰度和多样性,表明生物质炭对塌陷区复垦土壤具有培肥改良的潜能.