农业环境科学学报杂志

农业环境科学学报杂志2023年第11期

• 防控玉米穗腐病日益紧迫

  姚彦坡,朱永官,褚海燕

  玉米穗腐病已在世界范围内造成了重大的产量损失。镰孢菌、曲霉菌等病原真菌导致粮食减产和大量真菌毒素污染,这对人类和动物的健康产生重要威胁,各国已制定了多项措施,以保护消费者免受这些真菌毒素的影响。镰孢菌等病原菌及其毒素的产生涉及多种因素,其中收获前的环境因素和农艺措施已被证明对田间病害感染和毒素污染有严重的影响。本文将重点讨论玉米生产中的环境条件和胁迫因素如何影响病原真菌感染和致病,采取何种措施才能从源头上有效防控玉米穗腐病的发生,目的是为制定预防玉米穗腐病及其真菌毒素污染的有效控制策略提供科学的指导。

• 农作物秸秆纤维提取技术研究进展

  杨艺,彭华,邓凯,纪雄辉,戴艳娇,宋敏

  农业废弃物的高值化利用有助于缓解资源约束、减少环境污染。秸秆纤维素是细胞壁中最主要的物质,与木质素和半纤维素稳定嵌套,难以分离。因此,秸秆有效组分分离提取是实现其高值化利用的基础和关键。本文对秸秆中纤维微观结构、形成机制及理化性质进行深入阐述,介绍了提取纤维素的多种技术,并对纤维素分离原理与优缺点进行了凝练。针对现有技术壁垒及局限性,展望秸秆纤维分离、提取及纯化等的研究领域和发展方向,以期为探索出高效绿色环保的工艺技术,实现秸秆纤维素的高值化利用奠定基础。

• 叶面喷施微生物合成纳米硒对水稻硒镉吸收的影响

  何建勇,覃惠松,蒋代华,黄雪娇,李春秀,王怡桢,黄智刚,朱正杰

  为探讨喷施微生物合成纳米Se(B)对水稻Se、Cd吸收的影响与籽粒富Se降Cd的效果,本研究通过盆栽试验,研究微生物合成SeNPs喷施5(B5)、10(B10)、20(B20) mg·L-1对水稻Se、Cd吸收、转运效应,以及与无机Se(S)、有机Se(M)喷施对比,比较水稻籽粒富Se降Cd效果。结果表明,与不喷Se(CK)、S、M处理相比,B5、B10、B20处理提高籽粒Se含量分别为227.52%~366.46%、3.38%~23.31%、30.54%~42.57%,降低籽粒Cd含量分别为10.14%~55.07%、4.08%~36.37%、9.03%~40.77%,籽粒富Se降Cd效果表现为B>S>M>CK,B处理中,籽粒富Se降Cd效果以喷施20 mg·L-1浓度最佳,高Se与低Se水稻品种间对Se、Cd吸收差异不显著。与CK处理相比,B处理促进了水稻叶片中Cd在细胞壁、液泡组分中的积累,减少了叶绿体、线粒体组分中的积累,促进了叶片中Se在细胞壁、叶绿体组分中的积累,减少了线粒体、液泡组分中的积累。主成分分析和Pearson相关矩阵表明,水稻各部位Se与Cd含量呈负相关关系(P ≤ 0.01)。与CK、M处理相比,B处理对水稻Se生物富集系数分别提高20.63%~264.70%、20.37%~32.86%,表现为S>B>M>CK,B5、B10、B20处理对水稻Cd富集系数分别降低9.10%~25.10%、5.70%~9.65%、10.64%~22.10%,表现为CK>M>S>B。供试水稻Se转移系数表现为根-茎<茎-籽粒<茎-叶,Cd转移系数表现为根-茎<茎-叶<茎-籽粒,与CK、S、M处理相比,B处理均促进了Se向籽粒的转移,减少了Cd向籽粒的富集。与CK、S、M处理相比,B处理均显著提高了水稻叶片SOD、CAT、POD、APX、PAL、Pro、GSH含量,降低了MDA、H2O2的含量,高Se水稻品种(泰丰优208)对提高水稻抗氧化酶活性与抗氧化性物质含量效果高于低Se水稻品种(桂野丰)。因此,叶面喷施微生物合成SeNPs在调控水稻Se、Cd吸收、转运与籽粒富Se降Cd方面有着更显著的优势。

• 生姜品种对镉胁迫的生理响应及耐镉性评价

  王洁,朱学栋,孙冲,马佳伟,吴艳碧,刘奕清,朱永兴

  为筛选耐Cd种质资源并研究生姜耐Cd机理,以华东、华中和西南主产区的5个主栽品种凤头姜、贵州小黄姜、罗平小黄姜、竹根姜和山东大姜为试验材料,设置对照(CK)和镉(Cd)处理,两处理的水分处理一致,CK无外源添加Cd。测定生姜生长指标和生理指标,利用主成分分析和隶属函数法对5个品种苗期的耐Cd性进行综合评价。结果表明:Cd处理显著(P贵州小黄姜>罗平小黄姜>凤头姜>竹根姜。相关性分析结果表明茎粗、Car含量与综合评价值(D值)呈极显著(P<0.01)正相关,叶片TBARS含量、POD活性与D值呈显著负相关(P<0.01)。竹根姜Cd含量是山东大姜的3.57倍,Cd主要富集在根和叶中,山东大姜的Cd主要富集在根中。5个品种中山东大姜耐Cd性最强,竹根姜耐Cd性最差。茎粗、Car含量、叶片TBARS含量和POD活性可以作为生姜耐Cd品种筛选的主要参考指标。

• 重金属与四环素类抗生素对发光菌的毒性研究

  银淑铮,刘刚,方俊

  本研究以发光细菌Photobacterium kishitanii为模式生物,通过发光抑制试验研究了5种重金属与四环素类抗生素对发光细菌的急性单一毒性与联合毒性。利用毒性单位法(TU法)表征联合毒性,并采用浓度加和模型(Concentration addtion,CA模型)与独立作用模型(Independent action,IA模型)预测二元混合体系对发光细菌的联合急性毒性。研究表明:单一毒性大小排序为硝酸铅>七水硫酸锌>氯化镉>盐酸土霉素>盐酸金霉素>盐酸强力霉素>盐酸四环素>五水硫酸铜>重铬酸钾。重金属之间的联合毒性主要表现为协同作用,重金属与四环素类抗生素的联合毒性主要表现为相加作用和拮抗作用,四环素类抗生素之间的联合毒性主要表现为拮抗作用。研究表明,重金属与四环素类抗生素共存会对发光细菌产生不同的毒性效应,因此在评价环境复合污染时应考虑联合毒性效应。

• 基于特征代表性的土壤环境质量监测点布局优化方法

  初玉婷,李晓岚,廉海荣,潘瑜春

  为提升土壤监测点代表性以更准确获取土壤信息并实施有效管理措施,本文提出一种基于特征代表性的土壤环境质量监测点布局优化方法。该方法基于多个与监测目标变量相关性强的辅助变量的属性分布构建特征空间,采用条件拉丁超立方体方法将特征空间分层并进行编码,并通过计算特征空间分层影响度以确定抽样顺序,逐点抽样优化获得高代表性的布样方案。本研究以北京顺义区为例,以土壤类型、土壤质地、土地利用类型和坡度作为辅助变量进行监测点布局优化,并与简单随机采样方法、空间分层采样方法、条件拉丁超立方体采样方法(cLHS)进行比较。结果显示:相较于其他3种方法,本文提出的方法的特征空间覆盖率平均提高15%左右,耗时远小于cLHS,略高于简单随机采样和空间分层采样,所获取的监测点布设方案的不确定性明显低于其他3种方法,重金属含量分布特征与总体数据更为接近。综上,本研究提出的方法能够显著提升监测点在特征空间的代表性,可有效反映调查区域土壤属性总体分布特征,能为后续调查监测土壤信息提供参考手段。

• 寡氧单胞菌、水稻秸秆和蚯蚓协同修复Cr(Ⅵ)污染土壤

  沈松蓉,陈云,康茜琳,向媛羚,耿育红,张伟,韩颖

  为探究水稻秸秆和蚯蚓联合抗Cr细菌对Cr污染土壤的修复效果和机制,本研究通过室内模拟试验探讨细菌(寡氧单胞菌,Stenotrophomonas sp.,F)、水稻秸秆(S)、细菌+水稻秸秆(SF)、水稻秸秆+蚯蚓(赤子爱胜蚓,Eisenia foetida,SE)和细菌+水稻秸秆+蚯蚓(SFE)对50、300 mg·kg-1 Cr(Ⅵ)污染土壤的修复效果,生物有效态Cr的变化及总Cr和Cr(Ⅵ)在各粒径团聚体中的分布。结果表明:在试验早、中、后期各处理的总Cr和Cr(Ⅵ)去除率逐渐增加,在50、300 mg·kg-1 Cr(Ⅵ)暴露后期SFE处理的总Cr和Cr(Ⅵ)去除率最高,其总Cr去除率分别为35.68%、35.29%,Cr(Ⅵ)去除率分别为99.28%、75.33%。SFE处理显著降低了土壤氧化还原电位,增加了土壤pH和有机质含量,并促进了微团聚体凝聚胶结为大团聚体。在0、50、300 mg·kg-1 Cr(Ⅵ)暴露下SE处理大团聚体的占比最高,与CK相比分别增加了14.57、9.51、9.85个百分点,与SFE相比分别增加了3.73、4.09、3.28个百分点。各处理对Cr化学形态的影响为SFE>SF>SE>S>F,在整个试验过程中除F处理外,其余处理中各化学形态的占比都随试验时间的延长而稳定变化。与CK相比,在50、300 mg·kg-1 Cr(Ⅵ)暴露后期SFE处理中可交换态的占比分别降低了35.55、21.02个百分点,残渣态的占比分别增加了22.45、12.51个百分点。总Cr主要分布在大团聚体中,Cr(Ⅵ)主要分布在微团聚体中,所有处理各粒径团聚体中的总Cr和Cr(Ⅵ)含量都随试验时间的延长而降低,SFE处理显著降低了大团聚体中总Cr和微团聚体中Cr(Ⅵ)的含量。研究表明,在50、300 mg·kg-1 Cr(Ⅵ)暴露下水稻秸秆、蚯蚓和寡氧单胞菌协同处理显著增加了土壤总Cr和Cr(Ⅵ)的去除率,降低了生物有效态Cr的占比并改善了Cr在团聚体中的分布。

• 污泥堆肥部分替代化肥对铬污染耕地玉米生长的影响

  曹迟,周晓天,高羽欣,马中文,王垚,应纯洋,谢君豪,周福红,蒋浩永,马友华

  为探索污泥堆肥在铬污染耕地上的资源化合理利用,本研究通过田间试验,设置了空白对照、常规施肥、单施污泥堆肥以及不同比例污泥堆肥替代化肥配施处理,并将其与有机肥替代化肥进行效果对比,从玉米生物量、铬吸收、土壤铬含量及其有效性等方面探讨污泥堆肥施用对作物生长和土壤铬累积的影响。结果表明:相比于对照,不同用量污泥堆肥均能促进玉米生长,显著提高玉米产量,增产范围为15.24%~36.65%,其中污泥堆肥替代20%化肥配施对玉米的增产效果最好,相较于常规施肥增产了7.16%。各替代化肥处理下玉米籽粒中重金属铬含量均低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2022)中的限值,其中污泥堆肥30%替代化肥处理玉米籽粒降铬效果最好。污泥堆肥施用量在750~1 500 kg·hm-2时玉米地上部分对铬的携出量大于污泥铬的携入量。当季施用污泥堆肥对土壤总铬含量无显著影响,且各替代化肥处理下土壤有效态铬含量相较对照降幅为5.59%~12.68%。施用污泥堆肥不会对作物产生盐害并且能够缓解土壤酸化、提高土壤有机质、全氮以及速效氮磷钾含量。综合来看,在铬污染耕地,污泥堆肥替代化肥施用不仅有利于提高玉米产量,还能显著降低籽粒铬含量,并且施用量为1 500 kg·hm-2时即能保障玉米安全、高产,且不会对土壤造成富集铬的风险,并能有效提高土壤各养分指标。

• 东北某污染场地土壤砷稳定化效果研究

  欧成浩,苏燕,田楚琪,管秀静,姜绍元,王坚,党秀丽

  为评估不同环境条件对场地土壤砷(As)稳定化效果的影响,采用不同添加量的FeCl (3 Fe/As物质的量比分别为2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1)对辽宁省某冶炼厂As污染场地土壤进行修复,通过测定As的浸出浓度和赋存形态筛选稳定化效果最佳的FeCl3添加量;采用不同pH和不同液固比浸提稳定化后的土壤,通过测定As的浸出浓度研究不同环境条件下FeCl3对As稳定化效果的影响。结果表明:与未加FeCl3相比,各添加处理As浸出浓度降低了84.9%~92.8%(P<0.05),Fe/As物质的量比为6:1时As的浸出浓度最小,稳定效果最好。FeCl3添加促进了As由活性较高的非专性吸附态和专性吸附态向活性较低的残渣态转化,有效态As含量降低了6.9%~8.4%。与酸性浸提相比,中性及碱性浸提条件下As的浸出浓度明显升高;浸提溶液pH为4时As的浸出浓度最低,pH为13时As的浸出浓度最高,二者相比As的浸出浓度增加了584.4%。与较高液固比浸提相比,较低的液固比浸提增加了As的浸出浓度(P<0.05);液固比为20:1时As的浸出浓度最低,浸出率最大,液固比为1:1时As的浸出浓度最高,浸出率最低。研究表明,FeCl3可通过改变场地土壤中As的赋存形态有效降低As的浸出浓度,碱性和低液固比浸提增大了稳定化后土壤中As的环境风险。建议根据修复后场地土壤面临的实际环境选择相应的pH和液固比进行浸提,以安全评价As污染场地的稳定化效果及环境风险。

• 江苏典型富硒区表层土壤硒空间分布及影响因素分析

  崔晓丹,华明,黄顺生,廖启林,许伟伟,任静华,黄标

  为探究江苏省宜兴市这一典型天然富硒区土壤硒的空间分布及影响因素,采集表层土壤(0~20 cm)4 461件,利用统计学和相关分析方法研究土壤硒的空间分布特征和影响因素。结果表明:研究区表层土壤硒含量范围为0.06~1.74 mg·kg-1,均值为0.42 mg·kg-1,是全国土壤硒元素背景值(0.29 mg·kg-1)的1.45倍,是江苏表层土壤硒含量均值(0.20 mg·kg-1)的2.1倍。土壤硒含量的变异系数为43.47%,表明土壤硒元素呈中等程度变异。半方差函数分析显示,土壤硒空间分布的最优模型为球状模型,块金效应值为0.568,具有较强空间相关性,变程为30 250 m,空间自相关范围较大。研究区土壤硒总体空间分布特征为南部低山丘陵显著高于北部太湖堆积平原,碎屑岩类成土母质风化形成的土壤硒含量高,同时土地利用方式为园林地、海拔较高、地形起伏大的丘陵山区的土壤硒含量也相对较高。土壤理化性质、人类活动对土壤硒的分布也有影响,pH低、有机质含量高的土壤硒含量高,距离金属矿点近、距离湖泊河流越远的土壤硒含量高。通过分析土壤硒含量的影响因素可知,在选取地区开发利用富硒土地资源、发展富硒特色产业时优先考虑的因素是成土母质,其次为土壤理化性质和地形地貌。

• 化学农药对三沙湾滩涂土壤细菌多样性及其功能的影响

  汤鸣强,吴承燕,何爱明,朱菡馨,林增艳,杨嘉宜

  为探究除草剂草甘膦和杀虫剂毒死蜱对三沙湾滩涂土壤细菌群落结构及多样性的影响,利用五点采样法于2021年3月采集福建省霞浦县东吾洋沿岸滩涂土壤,通过模拟自然环境在室内进行农药添加试验,两种农药分别设置3个浓度,即草甘膦5、25、125 mg·kg-1,毒死蜱6、30、150 mg·kg-1,染毒时间分别取3 d和10 d,以未添加农药的滩涂土壤为对照。使用Illumina MiSeqPE300二代高通量测序平台对各处理及对照滩涂土壤细菌16S rRNA基因的V3~V4区进行测序,分析不同处理土壤细菌群落组成结构和功能差异及其影响因素。结果表明:草甘膦和毒死蜱显著降低了三沙湾滩涂土壤细菌α多样性(P<0.05)。门水平上,滩涂土壤中优势菌群包括变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和ε-变形菌门(Epsilonbacteraeota),其丰度占比分别为32.69%、20.38%、12.46%和9.14%,农药处理后其优势菌群主要由变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门(Bacteroidetes)组成。属水平上,对照土壤以深海芽孢杆菌属(Thalassobacillus)、海杆菌属(Marinobacter)、硫卵菌属(Sulfurovum)和芽孢杆菌属(Bacillus)为主,农药处理后其优势菌群海杆菌属和芽孢杆菌属得到大量扩增,其他菌属呈现不同程度的衰退。Tax4Fun功能分析结果显示,各处理滩涂土壤的功能类群主要集中在新陈代谢方面,不同阶段细菌功能主要分布于38类代谢通路。经农药处理,滩涂土壤中氨基酸代谢、异生素降解和代谢、脂类代谢、萜类化合物和聚酮的代谢以及环境信息处理中膜运输、细胞运动和细胞运输同化作用等功能得到明显增强,而能量代谢、聚糖生物合成和代谢、遗传信息处理等功能有不同程度的削弱。由此可见,化学农药的加入降低了三沙湾滩涂土壤细菌群落多样性,微生物多样性的损失将改变生态系统的功能,降低生态系统的稳定性。

• 泗顶矿区植物根际和非根际土壤反硝化细菌群落特征

  于方明,林秋娟,韦嘉裕,李宋颖,唐炽健,唐舒婷,李艺

  为了探讨植物种类和土壤性质如何影响重金属污染严重矿区的土壤反硝化过程,本研究以广西柳州泗顶铅锌矿区上游、尾矿和下游3个区域优势植物——蜈蚣草、芦苇和五节芒的根际和非根际土壤为研究对象,采用高通量测序技术和荧光定量PCR技术,分析了3种优势植物根际和非根际土壤中nirK型和nirS型反硝化细菌的群落结构、丰度和多样性特征。结果表明:罗河杆菌属(nirS型)和慢生根瘤菌属(nirK型)为根际和非根际土壤中的优势菌属,所占比例分别为2.6%~67.8%和4.1%~38.1%。尾矿区根际及非根际土壤中nirS和nirK基因的丰度范围分别为1.45×106~7.78×106基因拷贝数·g-1(以干土计)和1.10×106~5.70×106基因拷贝数·g-1,显著低于上游区和下游区(P<0.05)。3种优势植物根际土壤的Shannon指数和ACE指数均大于非根际土壤。多元线性回归分析和Mantel检验表明,土壤含水率、总碳、总氮和总磷含量是影响泗顶矿区3种优势植物根际和非根际反硝化细菌群落组成的主要因素。研究表明,植物种类和土壤性质共同影响了矿区土壤的反硝化过程,并对反硝化微生物的丰度、群落结构和多样性产生了影响。

• 玉米秸秆还田对盐碱地土壤碳平衡和真菌群落多样性的影响

  李磊,李晓慧,剡龙强,朱志明,樊丽琴,纪立东

  为探明粉碎秸秆还田量对宁夏银川北部地区土壤碳平衡及真菌群落多样性的影响,实现农业废弃物资源化利用、固碳减排、盐碱地改良的目标。研究建立2020-2022年短期粉碎秸秆还田试验,依据秸秆原位消纳原则,设置全量还田(CS9000)、2/3全量还田(CS6000)、1/3全量还田(CS3000)、未还田(CS0)4个处理,分析还田2年后不同还田量对土壤碳排放、水热盐碱因子变化及真菌微生物群落多样性影响。结果表明:相比CS0处理,粉碎秸秆还田后土壤全盐降低7.94%~19.57%,地温提高0.11~0.58℃,其中,CS9000处理抑盐增温效果明显,同时,该处理显著增加碳排放量与微生物异养呼吸碳,而CS6000处理相比其他处理显著增加净初级生产力固碳量,净生态系统生产力固碳量也分别比CS9000、CS3000、CS0处理显著增加27.11%、29.41%、35.22%。通过计算碳收支平衡得出CS6000、CS3000处理下农田生态系统是大气CO2的"汇",其中,CS6000处理对碳平衡提升效果最好,有助于增加土壤碳汇。另外,粉碎秸秆还田后土壤真菌多样性变化较大,CS6000处理相比CS0处理显著提高Schao1、Hshannon指数,且该处理可明显增加子囊菌门(Ascomycota)、粪壳菌纲(Sordariomycetes)、被孢霉属(Mortierella)、镰刀菌属(Fusarium)优势群落相对丰度。从固碳减排、微生物多样性的角度考虑,粉碎秸秆还田量为6 000 kg·hm-2为该地区最佳还田量。

• 覆膜处理对藠头根际土壤细菌群落的影响

  杨艺帅,李清昊,张政兵,陈越华,杨平,杨学宇,谭琳

  为探究覆膜措施对津市藠头产量及根际土壤细菌群落多样性、结构、生态功能、物种之间网络互作的影响,本研究采集了未覆膜、覆普通地膜、覆蓝色地膜3个处理下的藠头根际土壤,利用高通量测序技术和生物信息学的相关方法进行研究。结果表明:覆膜措施提高了藠头产量,其中未覆膜处理产量为29 766.7 kg·hm-2,普通地膜处理产量为31 466.7 kg·hm-2,增产5.7%,蓝色地膜处理产量为39 966.7 kg·hm-2,增产34.3%。覆膜处理显著改变了细菌群落结构,并显著降低了细菌群落多样性。此外,藠头根际土壤细菌群落对不同地膜处理的响应不同,在门和属水平上均存在一定差异。网络分析结果表明,未覆膜处理具有124个模块,普通地膜和蓝色地膜处理的根际细菌分子生态网络分别具有77个和80个模块。覆膜措施使藠头根际细菌分子生态网络的模块数降低,这可能会导致细菌群落生态功能多样性降低。覆膜措施还导致根际细菌关键物种改变。基于功能预测,相较于未覆膜处理,覆盖蓝色地膜显著提高了尿素分解功能(P<0.05),而普通地膜处理相对于蓝色地膜处理能显著提升好氧氨氧化与硝化作用(P<0.05)。研究表明,蓝色地膜处理更有利于藠头的增产,覆膜措施改变了藠头根际细菌群落结构、关键物种及物种互作关系。此外,尚不能忽视覆膜措施对农田土壤细菌生态环境的潜在风险。

• 珠江口优势种鱼类肠道与水体中的微生物组成关系

  郑秋实,刘永,吴鹏,李纯厚,肖雅元,唐广隆,郭智成,吴佳鹏,洪义国

  为探讨河口鱼类肠道微生物与水环境中微生物的相互影响关系,选取了2019年冬季珠江口4种鱼类优势种凤鲚(Coilia mystus)、棘头梅童鱼(Collichthys lucidus)、鳓(Ilisha elongata)和短吻鲾(Leiognathus brevirostris)为研究对象,利用16S rRNA基因的高通量测序技术分析了鱼类肠道和水环境中的微生物群落。结果表明:鱼类肠道和水环境之间微生物组成差异明显,而4种鱼类肠道微生物组成无显著差异。鱼类肠道微生物均以变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)为优势类群,而水体微生物以变形菌门和放线菌门(Actinobacteria)为主;鱼类肠道中优势微生物属为Bacteroides、Romboutsia和Faecalibacterium等(相对丰度 ≥ 2%),而水环境中的微生物优势属为Candidatus_Actinomarina (相对丰度21.2%)。四种鱼类物种的肠道微生物分别与水环境微生物之间的共有OTUs组成存在差异,共有的OTUs数量占棘头梅童鱼肠道总OTUs数量的比例最高(18.8%),而共有OTUs数量在凤鲚中占比最低(9.7%);水体中高丰度的微生物Candidatus_Actinomarina很少在鱼类肠道中发现,而水环境中部分相对丰度较低的微生物在鱼类肠道中丰度较高。弧菌(Vibrio)、大肠埃希菌-志贺菌(Escherichia-Shigella)和寡养单胞菌(Stenotrophomonas)等致病菌是鱼类肠道微生物和水环境微生物中共有的主要类群之一。共现网络分析发现棘头梅童鱼肠道微生物与水环境微生物的网络关系最为简单,而鳓肠道微生物与水环境微生物的网络关系较为复杂。总体而言,河口鱼类宿主物种的差别能影响鱼类肠道和水体间的微生物互作关系,研究结果从微生物互作角度有助于提升我们对河口鱼类对水环境适应性的认识。

• 基于区块链的农业面源污染治理信息管理及监管机制创新

  梁晓贺,周爱莲,远铜,张毅

  针对当前我国农业面源污染治理存在因机制不完备导致的治理信息安全隐患大、问题企业追责难、监管效率低下等问题,提出了基于区块链的农业面源污染治理信息管理及监管机制。在探讨区块链与农业面源污染治理的系统结构协同和机制功能协同的基础上,搭建了农业面源污染治理Fabric联盟链框架体系,并从农业面源污染治理信息管理和监管两个方面进行了机制创新。研究表明,区块链技术的创新应用将在农业面源污染治理制度和模式上进行突破,保障农业面源污染治理信息的安全性,促进相关利益主体行为得到有效监管,降低治理成本和复杂度,形成政府和农业生产经营主体间信息自由传递、流动的立体网络和治理逻辑。

• 基于SWAT的河套灌区氮磷面源污染时空变化研究

  易绍荣,冯雪娇,王宗伟,熊俊峰,林晨,夏雨,吴瀚逸

  以河套灌区为研究区,采用SWAT模型估算该灌区流域面源污染负荷,分析面源污染的空间分布特征和年际变化趋势,识别灌区面源污染关键区域和关键污染源。结果表明:2001-2020年灌区内总氮、总磷负荷年平均值分别为565.23 kg·a-1和108.93kg·a-1;面源氮磷负荷高值区主要分布于灌区中部,低值区主要分布于灌区北部;面源氮磷负荷在中部地区表现为先上升再下降趋势,西部地区表现为先下降再上升趋势,而在东部及北部地区表现为下降趋势;灌区内在产生生活污水过程中产生的氮类和磷类污染物贡献率最大,达到44.51%,其次就是种植业源和养殖业源,贡献率分别为28.76%和26.73%,其中种植业源贡献率会受降雨量变化影响,从东部的乌拉特前旗站向西至杭锦后旗站水量逐渐减少,种植业源贡献率也表现出东部高于西部。生活污水作为第一污染来源,需要严格控制其排放,应着重对厕所粪尿通过排入化粪池等处理方法将其中有害物质转化为沼液等对农作物有用的物质。

• 添加麦秸对鸡粪堆肥过程中氮素减排及细菌群落的影响

  曹丽娜,王岩,王跃,李沛,郑珂,刘佳琪,李红丽

  好氧堆肥是实现鸡粪资源化利用最主要的技术手段,然而在堆肥过程中氮素损失较为严重,既降低肥效又引起严重的污染。本文以纯鸡粪堆肥为对照,利用麦秸将鸡粪堆肥的C/N调节至15,分析了堆肥过程材料中理化性质、氮素转化和微生物群落变化,探讨了减少堆肥氮素损失的技术与机理。结果显示,加入麦秸后堆肥高温持续时间达到23 d,比对照延长了9 d,pH较对照组明显降低,氮素损失降低了39.67%。硝态氮含量达到281.99 mg·kg-1,比对照增加了68.75%。微生物群落趋于稳定,具有硝化功能的细菌o__Staphylococcales、o__Brachybacterium、f__Staphylococcaceae、g__Staphylococcus、g__Salinicoccus相对丰度比对照分别增加了88.45%、96.39%、88.45%、96.08%、79.20%,有利于堆体氮素保留和转化。试验结果表明,加入麦秸秆之后影响了鸡粪堆肥的细菌群落结构,增加了具有硝化功能的细菌丰度,从而减少了堆体氮素的损失。

• 膜孔径对沼液超滤浓缩过程养分和污染物富集的调控作用

  王永芳,崔文静,刘婉岑,夏若涵,曹丁戈,丁相瑞,李国学,罗文海

  为确定适用于沼液浓缩的低污染高截留超滤(UF)膜孔径,选取鸡粪沼液为浓缩对象,采用膜孔径为500、100、50、30 KD的UF膜(平均膜孔径分别为20、6、4 nm和3 nm)进行浓缩处理,考察不同孔径UF膜对沼液浓缩过程中养分和风险污染物迁移的调控作用。结果表明:不同孔径UF膜的水通量均呈现快速降低-平稳-再降低的三段式现象,整体降低38%~49%,且低孔径膜下降更为明显。不同孔径UF膜对沼液中有机质的截留效果整体差异不显著,对TP、TN、TK等养分的截留率随孔径缩小而逐渐提高。同时,不同孔径UF膜对Ca、Mg、Fe和Zn 4种中微量元素的截留性能相似,对重金属和抗生素的截留性能也随孔径的缩小而逐步提升,对Cu和Pb的截留率均可达到100%。综合稳定水通量、养分截留和风险污染物富集,确定适用于沼液浓缩的UF膜孔径为100 KD。

• 鸡粪好氧堆肥过程氨气与温室气体排放特征及协同减排机制

  湛卓越,贺德春,姜珊,李想,胡嘉梧,毛小云,柳王荣,吴根义

  为研究畜禽粪便好氧堆肥过程氨气(NH3)与温室气体的排放特征及协同减排机制,以鸡粪与蘑菇渣为原料,设置9组不同条件的好氧堆肥正交实验,并进行为期45 d的跟踪监测,了解好氧堆肥过程基本理化参数变化,分析NH3和温室气体的排放规律及最佳减排条件,探究微生物群落与环境因子、气体排放通量之间的相关性。结果表明:含水率与碳氮比(C/N)变化影响整个堆肥进程,经45 d堆肥后,大多数处理组的堆肥均已经完全腐熟,且添加一定比例的椰壳生物炭与钙镁磷肥可以提高堆肥腐熟度。NH3和4种温室气体(CH4、N2O、CO、CO2)在堆肥前期(1~22 d)排放通量较高,人工翻堆会增加气体排放通量。NH3和温室气体排放的影响因子和最佳减排条件各不相同,存在"此消彼长"的关系。对NH3、CH4、N2O排放影响较大的因子是椰壳生物炭占比、钙镁磷肥占比和通风速率,有利于这3种气体协同减排的条件为含水率60%、椰壳生物炭0或5%、钙镁磷肥0或5%或10%、通风速率0.12 L·min-1·kg-1,其中含水率60%、椰壳生物炭占比5%、通风速率0.12 L·min-1·kg-1是NH3和CH4协同减排的最佳条件。整个堆肥过程中,门水平与属水平的微生物群落相对丰度均发生明显变化,C/N和温度是微生物群落变化的主要驱动因素;堆肥前期(22 d前),门水平的优势菌为Firmicutes、Actinobacteria、Bacteroidetes和Proteobacteria,其中Firmicutes对NH3与温室气体的排放具有显著影响。研究表明,鸡粪好氧堆肥过程中影响NH3和温室气体排放的因子很多,通风条件下进行调理剂种类及配比优选有望实现NH3、CH4和N2O的协同排放。

• 基于样品复配的奶牛场粪水近红外光谱氮磷速测模型构建

  刘生博,孙迪,李梦婷,赵润,张克强

  为提高样品代表性,构建近红外光谱的理想校正模型,实现对奶牛场粪水氮磷含量的速测,本研究基于粪水运移过程代表性暴露位点的原始样品,按照不同比例进行样品复配,填补现场不易采集到的"黑箱"位点样品,运用偏最小二乘法构建了基于最优光谱预处理方法的原样模型、复配模型和融合模型。结果表明:相比原始样品,原样+复配样品总氮、总磷的变异系数分别降低了0.103、0.107,提升了浓度分布均匀性,丰富了粪水光谱信息。相比原样模型,融合模型总氮和总磷的决定系数(R2pred)分别提升了0.049和0.061,相对分析误差(RPD)分别提升了1.547和0.176。相比复配模型,融合模型总氮和总磷的R2pred分别提升了0.026和0.022,RPD分别提升了0.470和0.052。验证结果表明,总氮和总磷模型的R2pred分别为0.903和0.878、RPD分别为2.916和2.508。研究表明,样品复配的方法可有效提高校正集样品的代表性,提升模型预测性能,为还田前粪水养分的快速定量提供技术支撑。

• 崇明东滩湿地CH4与N2O双消减的耦合过程研究

  陈汉,饶旭东,滕钊军,张耀鸿,贾仲君

  N2O还原驱动的CH4厌氧氧化作用(AOM)是湿地系统温室气体双减排的一种新途径,而基于滨海围垦开发的稻田利用方式对该途径的影响效应尚不清楚。本研究选取长江入海口崇明东滩湿地的自然滩涂(光滩湿地和芦苇湿地)和围垦稻田(围垦种稻19 a和86 a)为研究对象,设置3个试验处理(13CH4,13CH4+N2O,N2O)进行室内厌氧培养。采用稳定性同位素标记结合定量PCR等手段,分析不同湿地土壤的N2O型CH4厌氧氧化速率及其固碳潜力,研究其相关功能基因的数量特征。结果发现,围垦稻田土壤中N2O驱动的AOM速率为6.10~7.51 ng·g-1·d-1,显著高于自然滩涂湿地。供试土壤N2O驱动CH4厌氧氧化的13C-SOC固碳量为18.1~49.4 nmol·g-1,表明该过程具有较强的固碳潜力。13CH4+N2O添加条件下,供试土壤中硝酸盐型和硫酸盐型CH4厌氧氧化古菌的mcrA功能基因丰度分别为(1.08~2.29)×107copies·g-1和(2.55~14.30)×107copies·g-1,比只添加13CH4处理分别高出25.8%~64.1%和41.0%~50.1%;相反,亚硝酸盐型CH4厌氧氧化细菌的pmoA功能基因丰度则无明显变化。相关性分析发现N2O驱动的AOM速率与nosZ Ⅱ基因和硝酸盐型mcrA基因均呈显著正相关,表明nosZ Ⅱ型N2O还原微生物和硝酸盐型CH4厌氧氧化古菌可能共同参与了N2O驱动的CH4厌氧氧化过程,而硫酸盐型CH4厌氧氧化古菌则在自然滩涂湿地中发挥着重要作用。研究表明,围垦植稻在一定程度上促进了N2O驱动的CH4厌氧氧化作用。

• 生物炭和脱硫石膏混施对稻田碳排放的影响

  徐莹,罗曼琳,木志坚,雷勇,单庆绕,刘帅鹏,赵秀兰

  为探究脱硫石膏和生物炭混施对稻田CO2、CH4减排和碳收支的影响,在黄壤性稻田中设置了生物炭与脱硫石膏施用剂量比不同的6个处理,并利用静态箱-气相色谱法对土壤CO2、CH4排放通量进行了为期一年的监测。试验的6个处理分别为裸地(B)、种植水稻(R)、种植水稻+4 t·hm-2生物炭(RC4)、RC4+4 t·hm-2脱硫石膏(RC4G4)、RC4+8 t·hm-2脱硫石膏(RC4G8)和RC4+16 t·hm-2脱硫石膏(RC4G16)。结果表明,处理R在稻季的CH4排放量为86 kg·hm-2;单施生物炭使CH4排放量增加了52%,进一步混施脱硫石膏则使CH4排放量下降了69%~91%。各处理在休闲期的CH4排放量都比较低(6.24~13.4 kg·hm-2)。施用生物炭和脱硫石膏对稻季土壤CO2排放无显著影响;与其他处理相比,RC4G4处理在休闲期的CO2排放量有所增加。不同处理的土壤CO2年排放量为4 525~6 634 kg·hm-2,其中休闲期的贡献率为68%~76%。就全年而言,仅RC4G16处理的碳输入略大于碳输出,表现为碳中和效应;其他处理则皆表现为大气碳源,净排放量为573~4 065 kg·hm-2。综上所述,本试验中单施生物炭促进了温室气体排放,而脱硫石膏的施用抵消了生物炭对温室气体减排的负面效应,且施用效果随剂量的增加而增强。

• 优化减氮与施用生物炭对双季稻土壤温室气体排放及产量的影响

  李丹丹,何昊,潘非凡,杨书运

  为探究在不同优化减氮条件下施用生物炭对双季稻土壤温室气体排放和水稻产量的影响,采用静态箱-气相色谱法监测水稻生长期间土壤CH4和N2O排放通量,测定土壤理化指标及水稻产量。试验设置5个处理:常规施氮(CF)、优化减氮15%(OF15%)、优化减氮15%+生物炭(OF15%+B)、优化减氮30%(OF30%)、优化减氮30%+生物炭(OF30%+B)。结果表明:与CF相比,各处理均降低了双季稻土壤CH4和N2O的累积排放量,降幅分别为9.59%~39.60%和20.12%~41.61%;其中OF30%+B与OF15%+B处理CH4的减排效果最佳,分别达39.60%与31.53%;OF30%+B处理N2O的减排效果最佳,达到41.61%,其次为OF30%和OF15%+B处理,分别达34.56%与28.14%。各处理均降低双季稻系统土壤温室气体产生的全球增温潜势,降幅为9.54%~39.27%;OF15%+B产量最高,与CF相比增加了2.83%,而OF30%与OF30%+B存在一定的减产风险,分别减产了5.85%与4.20%;相对于CF,各处理的温室气体排放强度(GHGI)均有所降低,其中OF30%+B降低了整个双季稻系统GHGI的36.74%,效果最佳,其次为OF15%+B处理,降幅为33.09%,两者具有降低GHGI的巨大潜力;施用生物炭可增加土壤pH、有机质以及NO-3-N和NH+4-N含量,改善土壤肥力,这可能是生物炭调节温室气体排放的重要原因。研究表明,在各处理中OF15%+B处理水稻产量最高,温室气体减排潜力较大,有利于农业可持续发展。