基于生态系统多功能性的农田土壤健康评价

农田土壤健康状况不仅影响作物产量和品质,还影响大气、水环境质量和生物安全,因而农田土壤健康评价应将土壤生产能力与生态环境效应结合考虑。基于土壤生态系统多功能性,将土壤功能归纳为作物生产、持水净水、养分运移与缓冲、碳固存及栖息地与多样性等5项功能。进一步针对每项功能,按照固有属性和动态属性两个方面分别选取基础项指标,同时考虑具有区域特点的威胁土壤功能发挥的限制项指标,并采用2个乘数来体现限制因子对固有和动态属性影响的差异性,共同构建农田生态系统土壤健康评价指标体系。以中国生态系统研究网络(CERN)内位于黄淮海平原的封丘、栾城和禹城3个实验站典型农田生态系统为例,应用所建立的指标体系,采用灰色关联分析法对其土壤健康状况进行综合评价。结果显示,3个农业生态实验站土壤健康状况总体相当且处于较高水平,但仍有所差异,表现为禹城>栾城>封丘,且作物生产功能与产量R~2达到0.60,验证表明该评价体系比较合理。因此,基于多功能性的土壤健康评价方法可为进一步探究土壤健康长期变化趋势,实施土壤资源有效管理提供一定参考。     

土壤原生生物的生态功能及其影响因素

【目的】土壤原生生物是指土壤中除植物、动物和真菌以外的所有真核生物,具有明显的系统发育和功能多样性特征,是地下生态系统的关键组成部分之一。与原核生物(细菌与古菌)和真菌相比,原生生物在土壤食物网中的作用常被忽视。本文系统论述了土壤原生生物的多样性及其生态功能,并综述了土壤养分、水分、pH、温度、重金属、微塑料等因子对土壤原生生物的影响,旨在阐明原生生物对土壤养分转化、土壤食物网和植物健康的生态作用及对主要环境因子的响应。【进展】土壤原生生物的数量、大小与形态各异,且营养级类群多样性丰富,它们可作为光合藻类、微生物捕食者、植物与动物的寄生者,在土壤食物网中扮演重要角色。光合型原生生物除潜在提高土壤氧浓度外,对陆地生态系统的碳储存具有重要贡献。消费型原生生物可通过捕食改变微生物群落,推动土壤微生物环,抑制植物病害,并提高植物性能。寄生型原生生物常被认为对宿主具有负面效应,如改变动物多样性,并引起植物病害。然而,寄生型原生生物对推动养分(如磷)循环也有贡献,且对植物的叶际细菌具有生防功能。总的来看,原生生物推动了陆地生态系统物质循环与能量流动向更高营养级的转移,并在土壤食物网中占据中心位置,...     

土壤健康指标体系与评价方法研究进展

健康土壤能够保障健康食物生产,维持土壤生态系统多功能性,是农业绿色发展的基础。明确土壤健康现状,系统开展土壤健康诊断是培育健康土壤和提高土壤生产力的基础。然而,以往人们基于单一土壤功能即土壤生产力开展了大量的指标选择和评价工作,忽视了其他土壤功能,评价指标中土壤生物学特性未引起足够重视,对土壤过程的动态监测少。随着对可持续发展的关注以及农业绿色发展的需求,土壤健康指标体系和评价方法正在不断完善。针对不同空间尺度和不同作物体系,建立多目标协同的土壤健康评价体系成为土壤可持续利用的热点和前沿。本文总结了土壤健康指标体系的选择原则,分析了生物学指标在土壤健康评价中的重要性,重点阐述了我国、美国、新西兰等国家土壤健康评价方法以及基于土壤功能和土壤管理等评价方法的进展、优缺点和应用区域,提出了完善土壤健康评价系统的途径。未来需要构建基于区域自然禀赋环境特征的土壤-作物管理大数据平台,发展生物学指标,建立长期和全程动态监测体系,并与快速无损测试技术、智能化信息技术相结合,形成多目标协同、适用于不同区域和作物体系的土壤健康评价方法,通过多主体参与,为农业绿色发展提供重要支撑。     

土壤健康的生物学监测与评价

土壤是维持陆地生态系统功能和持续性的至关重要的有限资源。土壤质量和土壤健康与农牧业的可持续发展和环境质量的改善息息相关。土壤健康可简单定义为:“土壤作为一个动态生命系统具有的维持其功能的持续能力”。土壤微生物是土壤生物区系的关键性功能要素,一些微生物学参数可以综合判断土壤健康状况。文中提出土壤健康评价的指标体系可区分为土壤中微生物的量、活性、多样性和功能性4个方面,其中与微生物生物量水平相关的基本指标和衍生参数可成为土壤健康的敏感性量化指标,并有潜力作为土壤生态系统受污染和胁迫的预警性监测指标。     

基于生态系统服务功能视角的县域尺度土壤健康评价

土壤健康与粮食安全和农业可持续绿色发展息息相关,探索构建土壤健康评价体系,了解和定义土壤的生态系统服务功能是关键。本文根据土壤健康的内涵,从土壤生态系统服务功能视角,学习生态系统级联演化过程,采用逆向思维,在充分考虑"生态系统服务-功能-特性-质量维度-指标-健康"关系基础上,构建了基于土壤的肥力质量、环境质量和弹性质量三个维度的土壤健康评价指标体系,并以河南省温县为例,对其进行了验证。结果表明,温县土壤健康状况整体较好,健康土壤占74.94%,仅25.06%为亚健康;土壤健康等别具有明显的地域分异特征,以青峰岭为界,北部土壤本身肥力高,环境清洁,自我调节和恢复能力强,应继续保持良好的耕种行为,维持健康水平;青峰岭以南的大部分区域耕地应采取必要措施改善土壤健康状况。文章建立的评价体系与方法对开展县域尺度耕地土壤健康评价有借鉴意义,它可清晰地展示土壤的健康状况,为土壤可持续管理模式和对策的选取与构建提供参考。     

土壤质量生物学指标研究进展

本文对近年土壤微生物、土壤酶活性和土壤动物等土壤质量生物学指标研究成果进行了综合评述。土壤微生物是土壤有机组分和生态系统中最活跃的部分,被认为是最敏感的土壤质量生物学指标:微生物生物量代表参与调控土壤中能量和养分循环及有机物质转化所对应微生物的数量,但须结合多样性研究以弥补其无法反映土壤微生物组成和区系变化的缺陷;微生物群落组成和多样性动态反映土壤中生物类群的多变性和土壤质量在微生物数量和功能上的差异;土壤微生物活性体现在土壤微生物商、微生物呼吸和代谢商等方面,应考虑生物量大小与微生物种群活性间的相关关系以反映微生物种群内的差异。土壤酶活性具有极高时效性,在较短时间内就能反映出土壤质量的变化。土壤动物通常以种类的组成和数量,土壤动物区系的相对丰度、多样性或活性作为评价土壤生物质量的敏感指标。与土壤理化指标相比,土壤生物学指标更能对土壤质量的变化做出灵敏迅速的响应,因而被广泛地用于评价土壤质量。     

农田土壤生态系统多功能性研究进展

健康土壤培育是耕地产能提升的先决条件,也是应对粮食安全和环境保护挑战,保障土壤可持续利用,实现农业绿色发展和构建生命共同体的基础。健康土壤培育的核心是实现土壤生态系统多功能性。在生态文明建设的新时代,土壤生态系统多功能性评价、培育过程及机制研究已成为全球土壤健康行动的焦点和前沿。本文系统梳理了土壤功能、土壤生态系统服务与土壤生态系统多功能性的概念,讨论了土壤生物多样性对多功能性的影响、土壤功能间的协同与权衡关系,总结了土壤功能评价及量化的方法,并提出了突破单一追求粮食高产目标,发展基于多功能性综合调控的农田健康土壤培育新思路。提出在不同层级上提高土壤多功能性的途径：在全国尺度调整土地利用方式及农业结构、区域尺度协调资源配置、景观尺度构建农业设施建设与景观格局、田块尺度优化田间土壤管理技术,全面提升土壤健康和多功能性。未来需要通过多学科交叉深入探索不同时空尺度的土壤多功能性形成与维持机理,与现代科技相结合,完善土壤功能管理相关政策与落地方案,强化土壤多功能性在可持续环境政策与管理中的多维作用,为山水林田湖草生命共同体协调发展和“碳达峰、碳中和”国家战略的实施提供重要支撑。     

土壤食物网及其生态功能研究进展

土壤食物网可定义为不同功能土壤生物类群之间形成的消费者-资源关系网络,包括腐食食物链和捕食食物链。简述了土壤食物网的研究意义及国内外研究现状,阐明了土壤食物网各结构成分在土壤生态系统中的功能作用。     

植物多样性对土壤动物影响的研究进展

生物多样性与生态系统功能一直是生态学研究的一个热点。近些年来的研究表明,植物多样性除了影响陆地生态系统地上部分的初级生产力等生态系统功能,还会间接影响地下生物多样性及土壤生态系统过程。本文概述了植物多样性对土壤动物的影响及其主要机制,归纳了植物多样性通过改变输入土壤中的资源数量与资源多样性、微生境结构、土壤环境因子等影响土壤动物的途径。目前关于土壤动物群落对植物多样性的响应仍存在很多问题和争议,本文总结了需要进一步深入研究的方向,特别指出了要加强研究影响植物多样性与土壤动物关系的生物与非生物因子、后续的生态效应和反馈、不同机制和途径的贡献定量化等。     

土壤动物在农业生态系统中的研究进展

近些年来随着对生态学的深入研究,人们认识到土壤动物的群落结构、功能以及在生态过程中积极的不可替代的作用,土壤动物逐渐成为生态学研究的热点之一。本文分析评价了国内关于土壤动物的研究进展。同时对国外土壤动物在土壤环境评价、凋落物分解、土壤健康的指示作用、与污染环境的关系、二氧化碳浓度对其的影响、在农业生态系统中的作用、在城市生态系统研究中的作用、在废弃物处理及土壤改良中的应用、在N循环中的作用、湿地土壤动物研究等10个方面的研究动态进行了综述。并提出了对土壤动物研究工作的几点建议。     

土壤动物在土壤有机质形成中的作用

作为土壤生态系统重要组成部分的土壤动物,在土壤元素循环转化和迁移过程中发挥着重要的作用。土壤动物是凋落物分解的"微型粉碎机",通过体内"特殊转换器",影响土壤有机质的转化、腐殖质的形成。本文从土壤动物对地表枯落物分解入手,分析了影响土壤动物对凋落物分解的因素,土壤动物通过刺激土壤酶活性,与土壤微生物群落一起,加快土壤有机物的分解,促进土壤腐殖质的转化。旨在拓宽土壤动物生态功能,丰富土壤腐殖质形成机理学说,对保护土壤生物多样性、提高土壤地力、保障粮食安全具有重要的科学意义。     

城乡复合生态系统土壤微生物群落特征及功能差异

土壤微生物在陆地生态系统多个过程中发挥着重要作用,而城市化过程使得城市及其周边地区土地利用发生剧烈变化,形成了异质性环境梯度,直接或间接地影响了土壤微生物群落的组成和功能,进而影响了其承载的生态系统服务。本文综述了城乡复合生态系统不同景观单元土壤微生物群落的组成特征、主要影响因素及其功能差异,发现城市化对土地利用的改变驱动了土壤微生物群落的组成、结构和功能差异,土地利用、土壤污染物、植被覆盖、土壤性质等因素共同影响土壤微生物群落,并且在不同景观中影响土壤微生物的主导因素有所不同。进一步探讨了土壤微生物的生态服务功能,并分析了不同景观中土壤微生物功能存在的差异性。今后需进一步解析社会—经济—自然复合生态系统格局特征对土壤微生物的影响,揭示城乡复合生态系统不同功能区土壤微生物对土壤生态服务的产生和维持机制,明确变化环境下土壤微生物对土壤安全和人类健康的维持机制,以提升土壤生态服务功能、维护城乡土壤安全和人居环境健康。     

Soil fauna alter the effects of litter composition on nitrogen cycling in a mineral soil

Plant chemical composition and the soil community are known to influence litter and soil organic matter decomposition. Although these two factors are likely to interact, their mechanisms and outcomes of interaction are not well understood. Studies of their interactive effects are rare and usually focus on carbon dynamics of litter, while nutrient dynamics in the underlying soil have been ignored. A potential mechanism of interaction stems from the role fauna plays in regulating availability of litter-derived materials in the mineral soil. We investigated the role of soil fauna (meso, macro) in determining the effect of surface-litter chemical composition on nitrogen mineralization and on the micro-food web in mineral soils. In a field setting we exposed mineral soil to six types of surface-applied litter spanning wide ranges of multiple quality parameters and restricted the access of larger soil animals to the soils underlying these litters. Over six months we assessed litter mass and nitrogen loss, nitrogen mineralization rates in the mineral soils, and soil microbes and microfauna. We found evidence that the structure of the soil community can alter the effect of surface-litter chemical composition on nitrogen dynamics in the mineral soil. In particular, we found that the presence of members of the meso- and macrofauna can magnify the control of nitrogen mineralization by litter quality and that this effect is time dependent. While fauna were able to affect the size of the micro-food web they did not impact the effect of litter composition on the abundance of the members of the micro-food web. By enhancing the strength of the impact of litter quality on nitrogen dynamics, the larger fauna can alter nitrogen availability and its temporal dynamics which, in turn, can have important implications for ecosystem productivity. These findings contribute to evidence demonstrating that soil fauna shape plant litter effects on ecosystem function.     

虾稻共作对稻田土壤线虫群落结构的影响

农业生态系统利用种间互惠将种植业与养殖业相结合,既能提高农作物产量,也能减少化肥农药等对环境的危害。本研究以土壤线虫作为指示生物,研究外来物种克氏原螯虾与水稻种养结合模式对稻田土壤生态系统的影响,为虾稻共作模式下稻田生态系统的健康和可持续利用提供依据。通过比较水稻单作和虾稻共作,分别在水稻分蘖期、抽穗期和成熟期采集土壤样品,分析土壤线虫群落结构。结果表明:与水稻单作相比,虾稻共作土壤中食细菌线虫的百分比较高(分蘖期增加了26.52%,抽穗期增加了19.85%,成熟期增加了32.65%),同时机会主义cp1线虫类群所占百分比较高(分蘖期增加了31.13%,抽穗期增加了24.91%,成熟期增加了19.49%),说明虾稻共作生态系统中农田土壤养分循环较快,土壤呈养分富集。但是,虾稻共作农田土壤中捕食杂食性线虫、cp3~5线虫类群百分比较低(P0.05),同时成熟度指数也显著低于水稻单作。因此,在克氏原螯虾的影响下,稻田土壤食物网趋于简化,土壤的生物稳定性有下降趋势,故需要进一步加强虾稻共作对稻田土壤健康长期影响的监测和研究。