生物炭是以动植物残体等有机物料为原料,在缺氧的条件下经过高温热解得到的高度碳化的物质;因其具有优良的过滤和吸附特性而被应用于水体净化和重金属污染土壤修复。论文对不同原料加工而成的生物炭的物理化学性质差异、生物炭吸附重金属的机理及其在净化污水和修复重金属污染土壤上应用的研究进展进行综述,并对未来这一领域研究的发展方向进行了展望;指出生物炭具有巨大的利用价值和广阔的应用前景,但生物炭本身特别是改性后在吸附性能改变的同时是否会造成二次污染问题值得关注。

综述了生物炭原料来源、改性方法、Cd(Ⅱ)吸附机理以及施加生物炭对土壤pH值、C/N和镉形态的影响,提出今后应加强(改性)生物炭修复Cd(Ⅱ)污染土壤的田间实验研究,长期跟踪施加(改性)生物炭后土壤Cd(Ⅱ)形态、土壤养分、微生物群落组成和结构等的变化。

研究在概要地分析土壤重金属迁移转化的研究现状和热点问题的基础上,对过去十年在该领域发表的文章进行了定量和定性评估。对用Web of Science检索2009～2018年重金属迁移转化领域中的文献,经Citespace软件可视化处理,对不同国家、期刊、机构、高被引论文和研究热点进行了对比分析。截止2018年12月5号,共检索出19778篇论文。结果表明,中国在该领域的发文量最高,中国科学院是领先的研究机构,发表文章影响因子较高的期刊是Environmental Science&Technology和Journal of Hazardous Materials。科研人员对重金属Cu、Zn、Cd、Pb以及As的污染关注较多,研究内容包括重金属在土壤中的迁移、生物有效性以及土壤修复过程中重金属的形态变化。

日本是一个典型的人多地少国家,农业生产和资源环境矛盾突出,但日本通过科技和政策的带动已经成为世界农业现代化程度最高,农业生产和环境协调发展最好的国家之一。在日本现代农业发展的初始阶段,也同样由于过度追求产量,过量施用化肥、农药造成环境污染。而后出台的一系列农业环境政策极大推动了农业的转型,如日本政府于1992年提出了"环境保全型农业"理念,并颁布许多法案和措施来推动其发展进程,成立了"环境保全型农业对策室"专门负责推进环境保全型农业政策的实施和相关技术的试验与论证。此后颁布的环境三法,《家畜排泄物法》、《肥料管理法》以及《持续农业法》,使化肥及有机肥的合理安全生产、管理及施用以法律条文的形式确立下来,为日本的节肥增效奠定了法律基础。技术层面,日本通过推广优质品种,采用土壤复壮、机械深施和缓控释肥料等技术实现了农产品高品质和低投入,其中日本农协对技术传播起了至关重要的作用。此外,有机食品和生态农户的认证制度使得环保型农业生产模式得到大规模应用,进一步促进了农业的转型升级。我国农业生产特点和日本存在相似之处,解决我国农业绿色发展的瓶颈问题可以借鉴日本在节肥增效和农业可持续发展方面的政策经验,如化肥和有机肥的规范化管理,对公众的宣传教育以及环保生产认证制度等。

本文拟研究了植被覆盖对香蕉土壤养分含量和土壤酶活性的影响,以期为覆盖植物对香蕉生产可持续发展性提供理论依据和技术支持。在亚热带干热河谷蕉园内,设置无覆盖、自然杂草和豆科覆盖3种植被覆盖方式,通过不同季节(春、夏、秋、冬)、不同土壤区域(种植区和覆盖区)的土壤养分含量和酶活性测定结果,分析植被覆盖对蕉园土壤质量的影响。结果表明,(1)蕉园土壤的理化性质和酶活性变化呈明显的周年动态特征,从秋季至翌年夏季,土壤pH值和有机质含量显著降低,土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性增加。(2)覆盖区土壤的养分含量和酶活性与种植区明显不同,前者土壤pH值、磷酸酶、过氧化氢酶活性相对较高而土壤养分和含量、有机质含量、蔗糖酶、脲酶活性相对较低,后者反之。(3)植被覆盖可显著改变蕉园土壤理化性质及酶活性;与无覆盖处理相比,豆科覆盖提升了覆盖区土壤的有效磷含量、过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶活性以及种植区土壤有机质和氮、磷含量;自然杂草区降低了土壤的pH值、有效磷和速效钾含量降低,尤其在种植区,而相应增加了土壤的磷酸酶活性升高。总体而言,蕉园豆科植物覆盖可显著提高土壤有机质、养分含量及酶活性,可作为改善蕉园土壤质量的有效方式。

在江西省鹰潭市余江县孙家红壤小流域的典型红壤区随机选取了具有代表性的林地(F)、花生旱地(PU)、新稻田(NP,<30 a)和老稻田(OP,> 200 a),在0～40 cm深度每隔5 cm采集分层土样,分析了土壤全磷(TP)、有效磷(Bray P)、磷素活化系数(PAC)及有机磷(Po)、无机磷(Pi)与各组分磷的深度变化,探讨了土壤pH与土壤有机质(SOM)对红壤磷素有效性的影响。研究结果表明:孙家小流域不同利用方式红壤TP含量大小依次为:老稻田>新稻田>林地>花生旱地;除林地外,花生旱地与稻田土壤TP、Bray P、Pi和Po含量随着土壤深度的增加呈显著降低趋势,且稻田土壤Po含量及其占全磷的比例显著高于林地和花生旱地。花生旱地与稻田0～20 cm土壤中极有效磷(EAP)、中等有效磷(MAP)及EAP、MAP中的无机磷与有机磷的比值均显著高于林地土壤。林地转为旱地和稻田,尤其是长期植稻可以促进土壤非有效磷(NAP)向利于作物吸收的EAP与MAP转化,因而提高土壤磷素有效性。相关分析表明,随着SOM累积量的增加,四种利用方式红壤中EAP、MAP含量均显著提高。

为探讨臭氧胁迫和秸秆还田对大豆叶片C、P、K化学计量特征的影响,本研究采用开顶式气室法(OTCs),研究了两种还田方式(秸秆全量还田和秸秆不还田)对不同臭氧浓度(CK:O3为环境浓度,T1:O3浓度为(80±10)nmol mol-1,T2:O3浓度为(110±10)nmol mol-1)下大豆叶片C、P、K化学计量特征的变化。结果表明:(1)与秸秆不还田相比,秸秆还田使大豆叶片在分枝期CK处理下全P和全K含量显著降低,而C:P和C:K显著升高,T1处理下有机C和全K含量以及C:P显著降低,而P:K显著升高,T2处理下全P和全K含量显著升高;开花期CK处理和T2处理下有机C和全K含量显著上升,而CK处理下C:P显著升高,C:K和P:K显著降低,T2处理下P:K显著降低,T1处理下全K含量显著降低,C:K和P:K显著升高;结荚期臭氧浓度升高处理下有机C和全K以及C:P显著升高,而P:K显著降低;(2)与秸秆不还田相比,在生育前期低臭氧浓度下秸秆还田使土壤有机C含量显著升高,在整个生育过程中全P含量升高,全K含量无显著变化;(3)开花期,叶片有机C与土壤有机C呈显著正相关性,分枝期和开花期叶片全K与土壤全K呈显著负相关性。在臭氧浓度升高条件下,秸秆还田可提高大豆叶片和土壤有机C以及叶片全K含量,有利于生育前期叶片对P素的吸收。

为实现华北平原夏玉米—冬小麦的高产及氮肥的高效利用,采用田间小区试验方法,研究了氮肥减量及其与有机肥配施对夏玉米—冬小麦轮作体系内土壤硝态氮分布及氮肥利用的影响。结果表明:与不施氮处理(CK)相比,施用氮肥增加了冬小麦和夏玉米的生物量和产量,而在农民习惯施氮基础上减量1/3不会显著影响到生物量和产量。其中减氮配施有机肥(ONM)处理的周年总产最高,相比习惯施氮(CN)和减氮处理(ON)分别提高了1.85%和3.78%。处理CN的0～180 cm土壤硝态氮累积量的周年变化均值达502.7 kg hm-2,分别是处理CK、ONM、ON的2.95、2.17、1.56倍。与处理CN相比,处理ONM显著降低了剖面(0～180 cm)土壤中的硝态氮含量,其中在夏玉米季和冬小麦季的降低幅度分别为18.1%～66.7%和37.3%～87.2%。处理ON和ONM相比处理CN,植株周年总吸氮量无显著性差异,氮肥利用率却得到了显著提高。其中处理ONM的周年氮肥利用最高,比处理CN提高了36.9%。综合分析,减氮与有机肥配施不仅显著降低了0～180 cm土壤硝态氮含量,大幅度提高了氮肥利用率,且有助于增加冬小麦和夏玉米的生物量及产量。

为了解信阳茶区茶园土壤养分丰缺现状,为化肥减施提供理论依据,本研究监测了不同植茶年限(0、10、20、30、40年)0～20 cm土壤的养分及土壤交换性离子,分析其随植茶年限的变化特性。结果表明:茶园土壤有机质、碱解氮、有效钾与植茶年限呈显著正相关,有效磷与植茶年限呈显著负相关;茶园土壤有机质含量达36.15 g kg-1,达理想状态;碱解氮、有效钾、有效磷含量都表现为富集;土壤有机质与碱解氮和有效钾呈显著正相关,与有效磷呈显著负相关;茶园氮肥以铵态氮(NH4+-N)为主,氮肥形态可影响土壤pH及交换性Al3+、Ca2+、Mg2+的变化,有机质直接影响交换性K+的变化。信阳茶区茶园土壤养分达到并超过优质高产高效茶园土壤养分需求,其氮磷钾肥明显呈现施入过量后的积累现象。该研究结果可以为茶园土壤可持续利用及茶园减施化肥提供依据。

以新疆玛纳斯河流域盐渍化弃耕地为案例,人为开垦(5年)后不同土层土壤为研究对象,以弃耕地土样为对照,采用傅里叶红外光谱(FTIR)对不同土层土壤有机质(SOM)结构进行比较,研究弃耕地开垦前后土壤有机质红外光谱特征,探明开垦对不同土层有机质结构变化的影响,明确有机质结构稳定性变化情况,分析不同深度土层土壤有机质结构稳定性的变化。结果表明:开垦前后土壤红外光谱的特征峰相似,特征峰所代表的官能团主要来源于脂肪族(2925和2854 cm-1)、芳香族(1623和1432 cm-1)、糖类(1163、1073、1033和1007 cm-1)和游离羟基(3620和3421 cm-1);开垦后农田土壤有机质中脂肪族、芳香族、糖类和游离羟基官能团的峰面积在10～20 cm土层中较弃耕地分别提高1.24、37.64、77.44和27.39;芳香族的相对峰强度增长15.93%,脂肪族的相对峰强度下降9.09%;随着土层深度的增加,弃耕地土壤中来源于糖类和芳香族的峰面积逐渐降低,而开垦后棉田芳香族的官能团峰面积逐渐升高。农田开垦种植后增加了土壤有机质稳定性,尤其在20～40 cm土层表现更为明显。综上所述,弃耕地开垦后土壤有机质结构更为复杂,土壤有机质中芳香族官能团所占比例的提高是土壤有机质结构稳定性提高的重要原因。

研究旨在明确稻麦轮作下秸秆还田对土壤基础养分的影响。以稻麦轮作系统为研究对象,采用Meta分析方法定量研究了土壤基础养分对秸秆还田的响应及其影响因素。结果表明,短期内(<2年)秸秆还田能够显著提升土壤有机碳和活性有机碳的含量,其中活性有机碳对秸秆还田的响应程度要高于总有机碳。低秸秆还田量(RS <3750 kg hm-2和WS <3000 kg hm-2)对土壤基础养分的提升效果不显著,而全量秸秆还田(RS 3000～6000 kg hm-2和WS 3750～7000 kg hm-2)能够显著提升土壤速效磷、有机碳和活性有机碳的含量。对于不同耕作措施而言,旋耕或翻耕措施均可以显著提升土壤有机碳的含量;此外,旋耕显著提高全氮和活性有机碳的含量,翻耕显著提高土壤速效磷和速效钾的含量。稻麦轮作下秸秆全量还田配合旋耕或者翻耕措施能够增加土壤基础养分含量,达到土壤地力培育的效果。

以河北省邯郸市曲周县为研究区域,采用地统计学与地理信息系统相结合的方法,对曲周县农田土壤有效微量元素铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)含量的空间变异特征及其主要影响因素进行了初步研究和探讨。结果表明:土壤有效Fe、Mn含量的最优理论模型为指数型(R2为0.887和0.553),有效Cu含量为球状模型(R2为0.988),有效Zn含量为高斯模型(R2为0.977)。土壤有效微量元素含量的空间变异程度和空间相关性由大到小依次为:Zn> Cu> Mn> Fe,Fe> Zn> Mn> Cu。从空间分布来看,土壤有效Fe、Mn、Zn含量主要处于低水平,并且土壤有效Fe、Mn、Cu含量以片状分布为主,土壤有效Zn含量呈现由西向东逐渐递减的趋势。土壤有效Fe、Mn、Cu、Zn含量与土壤有机质含量均呈极显著正相关,与土壤pH间没有显著的相关,而土壤有效Cu含量则与土壤pH间存在显著正相关。总体而言,曲周农田土壤有效Fe,Mn,Zn含量相对较低,而有效铜含量相对较高。如果种植对铁锌敏感而且需求量相对较高的作物,应该考虑Fe、Zn肥的施用。

以茶树为试材,亚硒酸钠和硒酸钠为硒源,采用土壤沟施的方式,进行田间试验,研究茶树叶片总硒、有机硒及K、Ca、Mg、Zn、Fe含量变化规律。结果表明,土壤施硒可显著提高叶片总硒和有机硒含量,叶片总硒含量随着施肥浓度增加显著升高,随着采样时间延长,先升高后降低,在施肥后5个月达到最大值。茶树对Se(VI)的吸收和转运能力远高于Se(IV),硒酸钠处理叶片总硒含量是亚硒酸钠处理的10.4～25.3倍。茶树吸收无机硒后大部分都转化为较为安全的有机硒,有机硒占总硒比例为91.6%～96.2%。土施不同浓度硒肥,叶片K、Ca、Mg、Zn、Fe含量呈现出波动式升降变化的特点,施硒显著提高嫩叶Zn含量,并显著降低老叶Ca、Fe含量,对叶片K、Mg含量无显著影响。

采用大田试验,设置了CK(常规施肥)、T1(常规施肥+稀土肥基施)、T2(常规施肥+稀土肥灌根)和T3(常规施肥+稀土肥叶面喷施)四个处理,研究了稀土肥不同施用方式对烤后烟叶化学成分的协调性、提高光合色素和香味物质的含量的影响。结果表明,叶面喷施稀土肥明显提高了烤后烟叶中蛋白质等含氮化合物和钾的含量,调节了糖碱比和钾氯比,协调化学成分;明显增加了烟叶中叶绿素和各类中性致香物质的含量。表明在常规施肥基础上,叶面喷施稀土肥能明显提高烟叶品质。

基于红壤性水稻土有机肥长期定位试验,分析了红壤双季稻种植模式下,不施肥、NPK、紫云英+猪粪+化肥、紫云英+猪粪+秸秆+化肥、紫云英+秸秆+化肥处理耕层土壤全磷、Olsen-P、磷素有效性和磷素利用率35年的变化特征,以及Olsen-P与水稻产量的响应关系。结果表明:不施肥处理土壤全磷含量显著降低,有效磷含量及磷素有效性略微下降。配施猪粪显著提高全磷、Olsen-P含量和磷素有效性,但显著降低磷肥利用率,增加磷的环境污染风险。化肥配合紫云英及稻草还田处理土壤全磷、有效磷含量以及磷素有效性保持稳定,但显著提高磷肥利用率。Olsen-P的产量农学阈值为16.36 mg kg-1。

研究小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)人工灌木林土壤化学计量特征,有助于阐明林下土壤养分分配及限制因素,为人工灌-草生态系统物质平衡和稳定维持提供理论依据。以内蒙古中部农牧交错区天然草地为对照(CK),比较相同林龄不同密度人工小叶锦鸡儿灌木林下0～50 cm土层土壤有机碳、总氮和总磷含量及其化学计量特征。结果表明(1)与天然草地相同,小叶锦鸡儿人工灌木林土壤SOC和TN在0～5 cm出现明显地"表聚性",且随着土壤深度的增加逐渐降低。(2)该研究区土壤释放P素能力较强且含量相对稳定,但C素和N素含量总体偏低;其间,C/P受控于土壤SOC含量,N/P受控于TN含量,C/N受林分密度影响较小,相对稳定。(3)在土壤养分平衡过程中,该地区低密度林(1200棵hm-2)各土层C、N、P含量均显著高于中、高密度林,促进了土壤C素和N素的积累与循环,有助于改善土壤环境。

确定土壤地球化学基线值对矿山地质环境影响评价意义重大,选择恰当的基线值计算方法对基于矿集区尺度精细评价尤为关键。本研究以拉拉铜矿集中开采区表层土壤地球化学数据为基础,采用统计学法和标准化法分别计算不同地质单元分区内土壤中As、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、Mo、Ni、Pb、Zn的地球化学基线值,并与区内相关研究成果进行对比分析。结果表明:研究区土壤地球化学空间分布呈显著的分带性,在Pt区和TJK区分别计算各分区基线值比笼统计算区域性单一基线值更有实际意义;在矿集区内采用标准化法计算的土壤基线值略大于统计学法计算的基线值;在人类活动扰动小的TJK区内两种计算方法均适用,在人类活动扰动相对较大的Pt区内采用统计学法较标准化法更为适用。

采用室内无植物培养试验研究了条施糠醛渣、硫磺、颗粒硫肥、风化煤和磷酸二氢铵五种材料对石灰性土壤的扩散调酸效应。结果表明,五种调酸材料均能降低土壤pH值,且使石灰性土壤的pH值在不同距离处(1、2、3、4、6、8 cm)均有所变化;随着施用时间的延长,pH值下降程度增大,调酸范围扩大;其中,磷酸二氢铵的调酸效应最好,最大能使土壤pH值在1 cm处从8.49下降到7.96,下降0.53个单位,对土壤pH值降低最大的距离为3 cm。

以宁夏银北重度碱化盐土为研究对象,系统研究生化黄腐酸BFA(Biochemical fulvic acid)和聚合硫酸铁铝PAFS(Polymeric aluminum ferric sulfate)与脱硫石膏FGD(Flue gas desulfurization)配合施用对土壤结构改善及其他理化性状的改良效果。结果表明:施用脱硫石膏和结构改良剂后向日葵出苗率、株高、千粒重和产量较对照均有显著增加。2014年、2015年和2016年脱硫石膏和改良剂配合施用的处理产量比对照平均提高了353.48%、298.82%和411.47%。2014年施用脱硫石膏和结构改良剂的处理0～20 cm土壤容重较对照处理平均降低9.07%,其中T3(FGD+BFA+PAFS)降幅最大。各处理土壤孔隙度变化趋势与容重相反。2015年和2016年0～20 cm脱硫石膏和改良剂配合施用的处理<0.25 mm粒级质量分数比2014年显著降低,1～2 mm粒级质量分数显著增加。整体来讲,改良后T3土壤水稳性团聚体状况最佳。脱硫石膏单独施用或与结构改良剂配合施用均会降低土壤pH值和EC,T3降幅最大;施用脱硫石膏和不同结构改良剂处理差异间不显著。施用脱硫石膏和改良剂后土壤有机质较对照明显增加,其中T3增幅最大,T4(FGD+BFA)次之。施用脱硫石膏和改良剂后土壤碱解氮、速效磷和速效钾变化情况与有机质相似,但增幅略大于有机质增幅。整体来讲,施用FGD+BFA+PAFS可以显著改善碱化盐土土壤结构、提高土壤有机质和养分含量,实现作物显著增产增收。

日光温室土壤次生盐渍化是设施蔬菜生产中的主要障碍性因子。研究以温室盐渍土、杏壳生物炭和负载微生物的杏壳生物炭为主要对象,通过监测土壤培养过程中土壤溶液pH,电导率(EC),水溶性磷、水溶性钾的动态变化,以及相应处理下盐分敏感蔬菜-辣椒的发芽率,探索添加不同比例的生物炭材料对温室次生盐渍化土壤的修复效果。结果表明,经过40 d土壤培养,添加杏壳生物炭对土壤溶液pH影响不明显,但是2.5%低添加量生物炭降低土壤溶液EC值的效果最为明显,在土壤培养的整个时期,添加杏壳生物炭和负载微生物的杏壳生物炭土壤溶液EC值均显著低于CK,且微生物负载生物炭降低土壤溶液EC值的效果更好;此外,添加生物炭不仅降低了土壤水溶性磷钾的变化幅度,有利于磷钾在土壤中的固持,而且显著提高了土壤碳氮比(P <0.05);辣椒发芽率随生物炭材料添加量的增加显著提高(P <0.05),其中添加10%负载微生物的杏壳生物炭辣椒的发芽率可达90%以上,比对照提高2.3倍。综上所述,添加负载微生物的生物炭对设施菜田次生盐渍化土壤的修复效果较好。