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[硕士论文] 刘冰月
环境工程 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:手性苯氧羧酸类除草剂应用广泛,但其过量使用在带来污染的同时,也会威胁人类的健康。国内外学者对其选择性降解的研究十分广泛,但对其降解过程中碳同位素(13C/12C)分馏、相关功能基因丰度以及微生物群落变化的研究报道较少,对映体选择性降解与转化具体机制尚不明确。
  本文以外消旋(Rac-)、R型和S型这三种形态的典型手性除草剂2-甲-4-氯丙酸(2-(4-chloro-2-methylphenoxy)propanoic acid,mecoprop,MCPP)为研究对象,探究它们在四种土壤中的降解动力学、选择性降解与转化、同位素分馏效应,以及对土壤中微生物相关功能基因丰度与群落结构的影响。主要研究结果如下:
  (1)Rac-MCPP,R-MCPP和S-MCPP在土壤中的降解符合一级反应动力学模型,灭菌对照表明,MCPP在土壤中的降解与对映体分馏均由微生物引起。非灭菌条件下,Rac-MCPP的降解半衰期为3.12~6.93天,Rac-MCPP在不同土壤中表现出不同的降解选择性,玉米土(合肥)中表现为R型对映体优先降解,对映体分馏EF终值为0.36±0.01,桑园土(杭州)中先表现为R型优先降解后转变为S型优先降解,EF终值为0.57±0.02,茶园土(杭州)与菜地土(杭州)中均表现为S型对映体优先降解,EF终值分别为0.75±0.02、0.92±0.01。降解选择性ES与土壤pH显著正相关。
  (2)单体培养结果表明,MCPP在土壤降解过程中存在对映体转化,且都偏向于R型→S型单体转化。桑园土(杭州)与茶园土(杭州)中平衡常数K(KRs/KsR)分别为2.23、2.19,且桑园土(杭州)中转化速率最高;玉米土(合肥)与菜地土(杭州)中仅有R型向S型单体转化;四种土壤中各对映体单体的实际降解速率大小关系与外消旋体降解情况一致,并且都大于后者,表明对映体转化现象会影响对映体选择性。
  (3)Rac-MCPP在四种土壤降解过程中均有显著碳同位素富集,单体培养过程中除玉米土(合肥)与桑园土(杭州)S型单体培养外,其它土壤中均有显著碳同位素富集;计算得到的表观动力学效应常数AKIE在1.008~1.032之间,C-H键断裂的表观动力学效应常数AKIE=1.00~1.03,表明降解初始反应均为C-H键的断裂。
  (4)qPCR与PCR结果显示,四种土壤添加Rac-MCPP,R-MCPP和S-MCPP培养下,均没有检测出rdpA基因,而sdpA基因均能测出,且相对丰度随培养过程发生变化。在S型单体培养下在桑园土(杭州)中达到相对丰度最大值7.3。外消旋培养下基因增长相对丰度低于单体培养结果,表明初始浓度对后续微生物降解影响较小,甚至可能浓度过高时会抑制含功能基因微生物活性。同时R型单体培养条件下,sdpA基因丰度会产生变化也表明存在对映体转化;
  (5)16S rRNA Illumina高通量测序结果显示,添加MCPP后四种土壤中微生物群落的物种丰富度(Chao1值,shannon指数)、物种丰度分布(均匀度,simpson指数)、群落组成均会有所变化,但随时间推移而逐渐恢复初始状态,外消旋处理效果较单体处理影响更为长久;四种土壤中变形菌门(Proteobacteria)相对丰度显著增加,目前已报道降解菌多属于此门类,可深入挖掘降解相关菌群信息;
  (6)sdpA扩增子高通量测序结果显示,土壤类型是决定菌群的主要因素,而土壤内部对比分析可得,不同处理和时间,对基因组成(物种组成)影响明显,且相对来说,外消旋处理的效果更持久;物种注释结果显示,共计比对成功120个已知菌株,其中包括MCPP已知降解菌株Sphingobium herbicidovorans,数量占比5%,排名第三,并未发现其余已知降解菌。此外,测序所得物种大多还是未知的。
[硕士论文] 严挺
农业资源利用 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:随着耕地质量退化,土壤污染等问题的日渐凸显,土壤质量越发为人们所重视。土壤质量通常包括土壤肥力质量、土壤环境质量以及土壤健康质量。土壤质量评价可以对土壤质量现状进行量化评估,为政府农业部门进行农业发展规划提供科学依据。针对研究区,主要分析评价了土壤环境质量指标中关注较多的五种重金属——铬、镉、砷、铅、汞,并以五种重金属含量为指标进行了健康风险评估;针对土壤健康质量,主要分析评价了当地关注较多的钙、镁、铁、锌、铜等五种土壤营养元素;同时,基于pH、有机质、土壤质地、锌、铜、铁、总氮、总磷、有效磷、阳离子交换量十项理化性质指标,本研究对当地土壤肥力进行了分析评价。研究主要得出如下结果:
  (1)研究区钙、镁、铁、锌和铜的含量均表现为从西北向东南逐渐降低的趋势。以浙江省碳酸盐岩土壤地球化学基准值为参考,研究区土壤营养元素钙和锌含量十分丰富,而镁和铁的平均含量略低基准值。研究区有97%的地域的土壤综合肥力处于Ⅱ级水平,即一般、尚可状态。
  (2)研究区部分区域的土壤存在一定程度的重金属污染,镉和铅的污染情况较突出,重金属污染程度在空间分布上表现为从西北向东南降低的趋势,这应该是受当地工业企业生产活动影响的结果。研究区重金属总非致癌风险指数均小于1,即处于可接受水平。
  (3)建议在研究区的东南地区种植水稻、蔬菜等作物;在研究区的中部主要推行水稻、果树和经济林木种植;而在西北部地区则应避免种植水稻和蔬菜,宜种植经济林木,比如油茶、茶树等。同时,当地应着力发展富钙、富锌农牧产品。
[硕士论文] 王燕
地图学与地理信息系统 中国林业科学研究院 2018(学位年度)
摘要:土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库,对全球碳循环具有显著影响的主要为土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)。干旱半干旱区在全球生态系统中占据重要地位,属于“潜在的荒漠化发生区”,生态环境脆弱,极易受自然与人为因素的影响。因此准确估测区域SOC,摸清其空间分布规律,对于区域碳循环过程与调控机制具有实际的意义,同时可以为半干旱区碳库储量研究提供一定的科学参考。随着定量遥感技术的发展,利用遥感数据度量、监测SOC成为一种新的手段,而如何利用遥感数据准确地估算区域SOC至关重要。
  本文以浑善达克沙地及其周边地区为研究区,以2014-2016年MODIS和GF-1 WFV为数据源,通过构建不同的土壤有机碳密度(Soil Organic Carbon Density, SOCD)估算模型并验证,选取最优模型估算半干旱区浑善达克沙地及其周边地区的SOCD。首先,基于MODIS数据,利用改进的CASA模型估算年均NPP,并结合土壤呼吸模型反演年均土壤基础呼吸(Soil Basal Respiration,SBR),将实测SOCD分别与年均NPP和年均SBR构建估算模型并验证,选取最优模型估算研究区SOCD;然后,以GF-1 WFV为数据源,通过时空融合模型构建高空间分辨率NDVI数据集进而估算年均NPP与年均SBR,并分别与实测SOCD构建模型验证,选取最佳估算模型进行浑善达克沙地SOCD的测算。通过比较不同的SOCD估算模型,探讨基于实测数据和多尺度遥感数据的SOCD估算最优模型,进而分析了影响SOCD的自然和人为因素。主要研究结果如下:
  (1)基于半干旱区实测土壤剖面数据,结合高时空分辨率遥感数据能够更加准确地估算SOCD。通过比较不同的估算模型可知,相比于年均NPP,综合了植被生长状况和土壤呼吸的年均SBR与实测SOCD构建的估算模型具有更好的精度,最优模型决定系数R2约为0.70,模型精度可达到77.87%,SOCD实测值与估测值的R2达到0.86,RMSE为0.266 kg C/m2。
  (2)基于MODIS和GF-1构建的SOCD-NPP模型和SOCD-SBR模型以及验证结果可知,结合实测SOCD,基于GF-1数据构建的SOCD-SBR模型精度更高,估测误差较低,能够更加细致、有层次地描述浑善达克沙地SOCD与空间分布格局,对于研究区围栏封育、植树造林、防沙固沙工程具有重要意义。
  (3)基于GF-1数据的SOCD-SBR模型进行估算,结果显示,浑善达克沙地及其周边地区SOCD空间分布显著不均,东西差异较大,SOCD由西至东逐渐增大,形成了以西部为中心的土壤碳密度低值区和以东部为中心的土壤碳密度高值区。研究区SOCD最高约为6.77 kg C/m2,最低SOCD约为0.66 kg C/m2,平均SOCD约为1.22 kg C/m2。
  (4)通过分析实测SOCD与年均温度和年降水量之间的相关性可知,在P<0.01水平上,浑善达克沙地SOCD与年均温度显著负相关,与年降水量在一定程度上显著正相关。另一方面,人为作用对SOCD也具有较大的影响,其影响主要体现在不同土地覆盖/利用方式下SOCD存在较大差异,浑善达克沙地中SOCD从高到低依次为乔木林地>耕地>灌木林>草地。
[硕士论文] 许鹏
地图学与地理信息系统 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:黄土高原是我国生态环境最脆弱的地区之一,该区水土流失严重,制约了区域的可持续发展。由于大面积的梯田可以改变地表地貌形态和流水侵蚀过程,长期以来,梯田作为我国黄土高原地区重要的水保工程措施,在水土保持方面发挥了重要的作用。在水土保持治理工作中,及时掌握区域梯田分布信息是水土保持监测和评价的重要内容。当前,对梯田的研究多以统计方法和小范围遥感调查为主,因此本文试图探寻一种快速有效的大尺度梯田信息遥感提取方法,为甘青宁黄土高原区的水土保持工作和生态建设提供科学依据。
  本文以甘青宁黄土高原地区为研究区,以高分一号遥感影像为主要数据源,基于面向对象分类技术对研究区梯田信息的大范围提取进行了有益的探索。通过主客观检验方法对提取结果进行了对比分析,评价了基于面向对象方法的GF-1 WFV遥感影像梯田信息的提取精度,讨论了该方法对大范围梯田信息提取的适用性,并分析了研究区梯田分布的合理性。本文开展的研究工作和得出的主要结论如下:
  (1)在对研究区梯田特征和物候数据结合分析的基础上,选择高分一号遥感影像,完成了梯田信息的遥感测量,故提出了利用GF-1 WFV数据进行快速区域尺度梯田测量的调查方法。
  (2)采用基于规则的面向对象方法进行梯田信息提取时,构建了梯田信息提取分类规则集,能够充分挖掘各种信息,提高梯田提取精度。基于样本的面向对象方法梯田信息提取方法简单,梯田信息提取精度较高。但两种方法均存在一定的不足。
  (3)结合调查数据和相关资料,通过主客观评价方法对梯田区提取结果进行检验。结果表明:基于规则的面向对象方法的梯田区提取结果总精度均值高达73.03%,Kaapa系数均值为0.6130;基于样本的面向对象方法的梯田提取结果总精度均值高达83.15%,Kaapa系数均值为0.6822,基于样本的面向对象方法平均总体精度高于基于规则的面向对象方法。
  (4)基于梯田信息的提取结果,对研究区梯田分布的合理性进行检验,表明甘青宁黄土高原区梯田分布的主要影响因素依次为降水、海拔、山体坡度、人类因素。
  (5)通过基于遥感方式的甘青宁黄土高原区梯田信息提取,可以较为准确地得出该地区的梯田分布和规模,全面掌握该地区梯田分布现状和梯田资源量,可为今后水保措施治理和梯田建设潜力开发提供参考。
[博士论文] 杨黎
土壤学 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:微生物作为全球物质能量循环的核心参与者,因其极为丰富的物种多样性、基因多样性、功能多样性及生态多样性,具有巨大的挖掘潜能。高通量测序技术的应运而生,极大地丰富了微生物生态研究手段,深化了对微生物群落结构组成的理解。然而,受技术限制,高通量测序结果中只有微生物分类及其相对丰度,不同分类水平微生物的绝对含量却不能获得。当样本间微生物总量变化较大时,以相对丰度表征不同样本间的微生物数量差异,可能会带来误差,甚至是相反的结论。据此,本研究针对目前高通量测序技术分析微生物群落结构存在的这一局限性,构建了土壤细菌单域和古菌-细菌-真菌三域微生物群落结构的高通量绝对定量方法,实现了微生物跨样本、跨域的定量分析,更全面、深入地揭示了不同土壤中微生物群落结构特征及其交互作用。主要结果如下:
  (1)基于Escherichia coli O157∶H7构建具备绿色荧光蛋白标记、氨苄青霉素抗性和特异性基因的细菌单域内标菌株HAAQ-GFP,采用平板计数法、显微镜计数法和实时荧光定量法对添加前与添加土壤后的单域内标菌株HAAQ-GFP进行定量,发现单域内标菌株HAAQ-GFP添加量为105-107cell g-1时,以添加前其显微镜计数结果,并在高通量测序数据分析时对16S rRNA基因拷贝数进行校正,所计算出的土壤细菌群落的绝对含量更为准确。供试土壤中细菌绝对总量为2.10×109±8.65×108cells g-1,细菌属水平浓度主要介于103.5-106.5cells g-1,并服从偏对数正态分布。土壤中属水平浓度低于103cells g-1的细菌几乎未检测到,预测结果表明,土壤中仍有4.11-31.69%的细菌未被测得。
  (2)应用土壤细菌高通量绝对定量法揭示了紫砂土和母质紫砂岩、叠氮化钠抑菌处理土壤中细菌群落的动态变化,发现应用中相对丰度与绝对含量结果趋势截然相反的属分别占33.87%与40.58%,使用相对丰度和绝对含量比较跨样本间的细菌群落要比单凭相对丰度的更为准确。与母质相比,紫砂土中细菌整体呈现增长趋势,酸杆菌门与变形菌门中部分属的相对丰度与绝对含量均显著增长,表现出更好的适应能力和矿物分解能力。叠氮化钠对土壤细菌整体抑菌效果较好,细菌绝对总量显著降低,无细菌分类单元呈现出绝对含量显著增加的趋势,而厚壁菌门与放线菌门相对丰度增加,这与它们对叠氮化钠较为耐受、绝对含量降低较其他门的细菌少有关。
  (3)设计了集古菌和细菌16S rRNA基因片段、真菌ITS基因片段与自身特异性基因为一体的人工基因片段,通过全基因人工合成技术合成该片段并结合λ-Red基因编辑技术,将该人工合成片段同源重组敲入受体菌株Escherichia coli Dh5α染色体基因组中,构建了首个三域通用的内标菌株Escherichia coli WYL,使其可同时或分别作为原核(古菌、细菌)和真核(真菌)微生物群落结构高通量绝对定量的内标菌株,并首次验证和建立了土壤古菌-细菌-真菌三域微生物群落高通量绝对定量分析方法。
  (4)将三域微生物高通量绝对定量法应用于多环芳烃污染土壤中,基于三域微生物各分类水平绝对含量,揭示了土壤古菌、细菌与真菌群落结构对多环芳烃污染的响应。古菌多样性最低、绝对总量(107copies g-1)最少,仅占据整个土壤微生物群落的1%,古菌变化对整个微生物群落影响较小;细菌多样性高、数量(109copies g-1)占据整个微生物区系绝对总量的57.03-92.94%,主导了土壤微生物对多环芳烃污染的响应;而真菌多样性、绝对总量(108copies g-1)及其响应均介于古菌与细菌之间。土壤古菌属水平绝对含量在103.5-106.5copies g-1间呈不连续分布,细菌、真菌属水平绝对含量主要介于104-106.5copies g-1、103.5-106copies g-1,且细菌、真菌单域以及三域微生物整体的属水平绝对含量均服从偏对数正态分布。通过网络分析发现,长期多环芳烃污染下土壤三域微生物间细菌-细菌、细菌-真菌相互作用关系紧密,且互利关系(6635edges)多于竞争关系(1364edges),并趋向以降解功能菌群聚集。土壤古菌-细菌-真菌三域微生物群落高通量绝对定量的实现,突破了三域间跨域定量比较分析的瓶颈,使得高通量测序分析中跨域、跨样本比较更为精准,为微生物数量生态学提供了研究新方法与理论依据。
[博士论文] 翟伟伟
土壤学 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着中国畜禽养殖业的快速发展,畜禽废弃物的排放量也迅速增长。在规模化畜禽养殖过程中,有机胂制剂因其具有预防疾病、提高饲料转化率、促进畜禽生长等作用在畜禽养殖业广泛应用。然而,大部分有机胂制剂随畜禽排泄物排出体外,造成畜禽废弃物中含有较高浓度的砷。当农田施用高砷含量的畜禽废弃物时,可能会造成土壤和农作物砷累积,进而威胁农产品安全和人体健康。堆肥是畜禽废弃物实现资源化处理最有效的一种措施,可以使畜禽废弃物减量化和无害化。但是畜禽废弃物堆肥过程中砷的形态转化尤其是砷的甲基化过程以及砷甲基化微生物的驱动机制还缺乏研究。本研究在对浙北地区养猪废弃物、废水及长期施用猪粪的农田土壤砷污染调查基础上,通过室内模拟堆肥和野外实际堆肥结合的方式,研究堆肥过程中砷的氧化、还原尤其是甲基化作用,探讨了生物质炭添加对畜禽废弃物堆肥过程中砷形态转化的影响。同时,应用qPCR、克隆文库和16S rRNA基因高通量测序等分子生物学手段研究了畜禽养殖废弃物堆肥过程中砷甲基化功能微生物群落结构多样性及其演替规律,揭示了生物质炭对堆肥过程中砷甲基化行为特征的影响与微生物驱动机制。主要的结论如下:
  (1)对浙北地区规模化养猪场猪粪、堆肥样品和养猪场废水样品砷含量调查发现,堆肥样品中砷的含量明显高于猪粪样品中砷的含量,养猪场废水中砷的含量明显低于猪粪中砷的含量。在猪粪和堆肥样品中,As(Ⅴ)是最主要的无机砷形态,甲基砷主要是DMAs(Ⅴ),但是堆肥样品中MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)所占的比例高于猪粪样品。养猪场废水中DMAs(Ⅴ)是主要的砷形态,且处理过程中存在砷的甲基化过程。大部分试验点长期施用猪粪没有引起土壤砷积累,但是随着猪粪施用量的增加,土壤中As(Ⅴ)所占的比例逐渐增加、As(Ⅲ)所占的比例减少,猪粪的长期施用会促进土壤砷的氧化。
  (2)野外实际堆肥试验发现,堆肥后猪粪中砷、铜和锌等其他重金属的总浓度增加,生物有效性和移动性减少,并向更稳定的形态转化。As(Ⅴ)是猪粪堆肥过程中最主要的形态,随着堆肥的进行,两个堆体中As(Ⅴ)含量逐渐增加;堆肥过程中As(Ⅲ)由于发生氧化和甲基化作用导致As(Ⅲ)在堆肥结束时下降了26%左右;MMAs(Ⅴ)含量随着堆肥时间逐渐增加并在高温期达到峰值,在腐熟期随着堆肥时间迅速下降;但DMAs(Ⅴ)的含量随着堆肥时间逐渐增加;堆肥过程中甲基砷(MMAs(Ⅴ)+DMAs(Ⅴ))的积累证实在堆肥过程中发生了砷的甲基化。为了进一步研究不同浓度的砷在猪粪堆肥过程中砷的形态转化,通过向猪粪中分别添加As(Ⅴ)和As(Ⅲ)进行室内模拟堆肥试验,结果发现,添加低浓度As(Ⅴ)和As(Ⅲ)会增强堆肥高温期砷的甲基化作用,尤其是添加As(Ⅲ),对增强堆肥过程中砷甲基化作用更显著;但高浓度As(Ⅴ)和As(Ⅲ)添加会对堆肥体系中的微生物产生毒害,砷甲基化作用减弱。
  (3)通过结合多种分子生物学方法(qPCR,克隆文库以及16S rRNA高通量测序技术)研究了猪粪堆肥过程中砷甲基化功能微生物的丰度、群落结构多样性及其演替规律。qPCR结果表明,砷还原基因arsC的丰度在堆肥过程中先减少后增加,砷甲基化基因arsM的丰度随着堆肥时间逐渐增加;Eh、NH4+-N和OM是影响arsC和arsM基因的主导环境因素;堆肥过程中理化性质的变化通过增加砷还原菌和砷甲基化微生物的数量,从而促进堆肥过程中砷甲基化过程。砷甲基化微生物群落结构组成在堆肥过程中发生动态演替。克隆文库结果发现链霉菌目(Streptomycetales)和根瘤菌目(Rhizobiales)是堆肥高温期的主要的砷甲基化微生物优势菌,而在堆肥腐熟期砷甲基化优势菌群主要由根瘤菌目(Rhizobiales),Solirubribactrales目和放线菌目(Actinomycetales)构成。16S rRNA测序结果也显示可能与砷甲基化相关的微生物群落结构组成在堆肥过程中发生了显著的变化。另外,克隆文库和16S rRNA测序结果的一致性说明Streptomyces sp.GSRB54,Amycolatopsis mediterranei U32和phaerobacter thermophiles DSM20745可能对堆肥过程中砷甲基化过程中有着更重要的作用,但其作用机制还需进一步验证。
  (4)模拟堆肥试验和反应器堆肥试验发现生物质炭添加影响猪粪堆肥过程中砷的形态转化。结果发现,添加5%生物质炭可以促进堆肥升温期和高温期砷甲基化作用,而添加10%生物质炭在升温期和高温期对砷甲基化作用没有影响,但是抑制了降温期和腐熟期砷的甲基化作用,促进砷的氧化作用;当砷的浓度过高时,会降低砷代谢微生物的活性,抑制砷的氧化和甲基化作用,生物质炭的添加量没有影响。反应器堆肥试验中,添加生物质炭能够更快地完成堆肥腐熟进程;As(Ⅲ)所占的比例在堆肥升温期显著降低;堆肥过程会造成甲基砷的积累,显著促进了堆肥升温期MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)的生成,但是减少了堆肥高温期和降温腐熟期甲基砷所占的比例,这是由于添加生物质炭促进堆肥过程中砷的挥发;此外,添加生物质还会影响挥发性砷的形态,堆肥过程中产生的气态砷的主要成分是AsH3和As(CH3)3,添加生物质炭主要是增加了堆肥升温期和高温前期气态砷中AsH3的比例,减少了堆肥高温后期和降温腐熟期AsH3的比例。
  (5)堆肥过程中微生物的多样性和丰富度主要受堆肥温度的影响,生物质炭的添加影响较小。但是添加生物质炭对第15天、40天、80天样品中属水平微生物群落结构有显著影响,添加生物质炭会导致一些特异性微生物的出现。代表性OTUs与堆肥过程中MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)的含量有显著相关的关系,分为正相关和负相关,Firmicutes(厚壁菌门)Ureibacillus suwonensis菌与MMAs(Ⅴ)、DMAs(Ⅴ)呈显著正相关关系,而Firmicutes(厚壁菌门)Lactobacillales,Clostridiales目中许多属水平的微生物与MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)呈显著的负相关;添加生物质炭后,与MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)有相关关系的微生物增加,生物质炭的添加可能通过Streptococcus属和Clostridium属的作用促进砷的挥发。
[硕士论文] 刘本乐
环境工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:煤炭资源型城市碳足迹与碳承载力的动态变化在区域尺度上反映了碳平衡状况。具体到土壤腐殖质的动态变化,则在微观尺度上体现了土壤有机碳库的分解与转化状况。基于淮南市某采煤沉陷生态修复区的现场调查,室内模拟复垦土壤底部矸石释放气热过程,探究表土腐殖质对气热梯度的响应机理,进一步认识采煤沉陷区复垦土壤碳库稳定性及其转化与循环。主要研究结果如下:
  (1)2005-2016年,淮南市碳足迹年均增长4.20%,碳承载力年均增长9.10%。淮南市对安徽省碳足迹的贡献率由2005年7.25%减小至2016年5.84%,碳承载力由2005年0.71%增加至2016年2.07%。人均净碳足迹、碳足迹密度、碳足迹强度及碳压力指数均高于安徽省同期水平,但差距有不断缩小的趋势。可见,淮南作为煤炭资源型城市,碳减排成效显著,但压力仍然较大。此外,区域采煤沉陷区不断扩大,这可能会对区域碳承载力产生一定的影响,对区域产业发展和土地规划调整提出了新的要求和挑战。
  (2)修复区表土水溶性物质(WSS)相对富足,胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、胡敏素(HM)相对不足。土壤剖面HE以HA为主,对照区土壤剖面以FA为主且FA由有机层向矿质层转移。PQ和HA的E4/E6结果表明,覆土厚度较厚区域土壤腐殖化程度大于覆土厚度较薄区域。腐殖质组分之间具有较显著的相关性。土壤理化性质与水溶性物质具有显著的相关性,而与腐殖质其他组分相关性不显著。覆土厚度过薄会增加表土的温度敏感性,从而影响土壤呼吸和矸石基质化学氧化释放气热的过程。
  (3)底部供给CO2显著提高了土体剖面分布的C02浓度,在重构土体剖面形成气体梯度,下层C02浓度高于上层。不同供气处理条件下,表土腐殖质组分变化趋势相对一致。WSS在试验过程中变异性较大,这种波动性可能与表层土壤干湿交替有关。HA和FA氧化分解显著,HM有所增加,可能存在HA和FA向HM转化。底部供气处理抑制了HA和FA的分解,这种抑制作用在实验结束时减弱或消失。底部供气一定程度上抑制了剖面土壤微生物活性,然而并未影响到表土微生物活性。在试验过程中,土壤腐殖化程度增加,但HA分子简单化。总体来看,底部供气对表土腐殖质氧化的影响规律不明显。
  (4)在底部供热条件下,重构剖面形成了由底部及表层逐渐降低的温度梯度。表层土壤温度受底部供热的影响较低。WSS、HA、FA变化趋势相对一致,而组分HM则较为稳定。底部供热条件促进了表土腐殖质组分的分解,同时这种促进作用程度也受到土壤中未分解或半分解动植物残体、试验周期和土壤水分条件的影响。总体来看,底部供热对表土腐殖质氧化的影响规律不明显。
[硕士论文] 陈敏
环境科学 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:在我国采煤地区,存在着大面积的煤矸石充填采煤塌陷生态修复区。据不完全统计,仅淮南矿区就有超过300hm2。由于煤矸石理化性质与表层土壤存在显著差异,受矸石层的影响,重构土壤水气热运动过程则更为复杂,这对修复区生态系统起着至关重要的作用,进而影响修复区的修复效果。然而,目前对煤矸石水力学、热力学及导气特性和重构土壤水气热运移这方面的研究还十分欠缺。因此,文中系统地对煤矸石的水力学参数、热扩散系数、导气率进行了测定,并设计了一种重构土壤水气热耦合运移室内模拟系统对重构土壤剖面水气热状况进行监测,深入探讨重构土壤水气热运移规律。这不仅可以增加复垦土壤的安全性并提高土壤熟化技术,为土壤碳固定或碳隔离奠定基础,并且可以深化特殊层状土壤水气热运动特征机制的认识,为类似层状土壤研究提供理论依据和实验基础。本文得出的主要结论如下:
  (1)煤矸石水力学、热力学及导气特性与土壤存在显著差异。煤矸石的饱和含水量远低于一般土壤,在6.90%~16.40%左右,而煤矸石的饱和导水率、热扩散系数和导气率均大于土壤。煤矸石的饱和导水率随容重的增加明显降低,当容重从1.8增加到2.2g/cm3时,饱和导水率从0.249降到0.017mm/min。导气率对水分的敏感度与土壤相反,随含水量的增加而增加。
  (2)在煤矸石充填重构土壤中,矸石层会阻碍土壤层水分的入渗,增加土壤层的持水能力。通过定量分析覆土厚度对表层土壤温度变幅的影响和表土、填充基质与其重构土壤间导气率的关系,建立了矸石层对表层土壤的温度影响系数(Tc)和重构土壤导气率计算模型。另外,CO2气体在重构土壤中扩散时会受到土壤层的阻碍,导致气体在矸石层及层间界面累积。
  (3)Hydrus-1D软件能够较好地模拟重构土壤剖面含水量分布,但是无法准确地模拟水分入渗过程。受矸石层的影响,水分入渗受阻并在层间界面累积,导致重构土壤水分入渗实际过程比模拟过程存在明显的滞后性,使得现有的水流理论不能很好地描述重构土壤的水分入渗问题。
  (4)通过重构土壤水气热耦合运移装置底部的加热系统模拟煤矸石氧化释热过程,当煤矸石氧化放热时会在重构土壤中形成稳定的温度梯度。在温度梯度的作用下,重构土壤中的水分会从底部向上运动,导致底层含水量明显降低,而其他层的含水量均明显上升。温度和含水量均会影响重构土壤气体的扩散,但温度梯度的增加会削弱含水量对气体扩散的影响。
[硕士论文] 张璐瑶
水利工程 宁夏大学 2018(学位年度)
摘要:本文针对宁夏旱区压砂地退化可持续发展问题,在宁夏中卫市兴仁镇退化的老压砂地上进行抗旱经济作物欧李品种筛选及水肥耦合试验研究,旨在筛选出综合效益较优的欧李品种,并得出适宜的水肥组合方案,以期为宁夏压砂产业的可持续发展和欧李的种植提供理论依据。
  主要成果如下:
  (1)采用对比设计,以10个不同品种(系)三年生欧李为试材,在与当地水肥和栽培保持相同条件下研究了不同欧李品种的株高、茎粗、光合、叶绿素、产量及品质,并采用模糊综合评价法对其进行综合效益评价。结果表明,欧李5号的产量最高,并具有较好的适应性;农大S-D株高最高;欧李4号茎粗、光合及叶绿素指标优于其他品种,且钙含量最高;10个品种欧李综合效益值排序为6号>07-14>5号>03-25>4号>7号>S-D>23-04>03-35>9号;欧李坐果主要依靠异化授粉,若寻求单因素最优可选取5号、S-D和4号推广种植,谋求综合效益选取6号、7-14和5号推广种植。
  (2)采用两因素三水平的随机区组设计,设置三个水平灌溉定额(10m3/667m2、20m3/667m2、30m3/667m2),设置三种施肥量(30kg/667m2、60kg/667m2、90kg/667m2),探究不同水肥组合对欧李株高、茎粗、光合、叶绿素、产量及品质的影响。结果表明,灌溉定额是影响欧李产量的丰导因素;灌溉定额相同下,随着施肥量增多,欧李的株高和茎粗生长速率、光合指标、叶绿素含量、产量呈现为中肥>高肥>低肥,品质呈下降趋势:施肥量相同下,随着灌溉定额增大,欧李的株高和茎粗生长速率、光合指标、叶绿素含量、产量呈上升趋势,品质下降;综合各项指标,灌溉定额20m3/667m2(中水)、施肥量60kg/667m2(中肥)为最适宜的水肥组合。
[硕士论文] 郁莹珺
林业信息技术 浙江农林大学 2018(学位年度)
摘要:目前,我国大多数的温室仍以人工经验为依靠进行生产管理,无法科学掌握温室小气候变化,使得温室作物产量和经济效益偏低。因此,本文基于农业物联网技术,针对浙江地区温室,进行温室内小气候分析以及其应用研究。
  首先,设计并搭建了物联网温室监测系统,利用物联网技术,对温室中的环境数据进行实时、准确的获取。整个系统由无线采集节点、智能网关和控制中心组成。其中无线采集节点集成了各类传感器模块,负责采集环境数据;数据通过ZigBee网络发送至网关节点,再通过智能网关转发到控制中心的服务器上,实现信息交互;控制中心完成温室环境数据的存储和显示等功能。
  其次,通过物联网温室监测系统进行温室环境要素的多点测量。以数据为基础,对温室小气候进行分析研究,描述了冬季不同天气条件下温室内光照强度、空气温湿度、土壤温度的变化特征,充分认识和理解温室小气候的时空分布情况。
  然后,提出了一种基于经验模态分解和小波神经网络(EMD-WNN)的温室温湿度短期预测模型。从研究对象的特性出发,结合各方法的优点,采用多算法融合的组合预测思路。结果表明,EMD-WNN组合模型有效地提高了温室温湿度短期预测的精度。
  最后,根据对温室小气候的分析,研究其应用模式。温室小气候分析不仅能在作物栽培管理方面提供可行的优化指导,而且可以为温室内环境调控提供理论依据。掌握温室小气候变化规律,使得温室生产和管理高效、均衡发展,从而促进现代化温室的可持续发展,让设施农业成为有干头的产业。
[硕士论文] 钟意
森林培育 浙江农林大学 2018(学位年度)
摘要:袋控缓释肥是根据作物养分需求特性,改变一般控释肥颗粒包膜的设计思路,利用肥料袋装打孔技术控制肥料释放的一种肥料。本试验先在室内条件下研究了袋控缓释肥氮素释放特性以及减少养分损失效果,后在田间条件下以雷竹(Phyllostachys violascens)为试材,研究了肥料袋控缓释对土壤养分与雷竹生理生化指标的影响,以期为利用肥料袋控缓释技术提高肥料利用率以及为雷竹林的可持续经营提供理论与技术支持。本文主要研究结果如下:
  以水溶液浸提法评价袋控缓释肥氮素释放特性,在袋内肥料质量相同条件下,氮素释放速率主要受肥料袋微孔排数影响,微孔排数越多,养分释放越快;在微孔排数相同的条件下,袋内肥料质量越小养分释放越快;当微孔密度在一定范围内时,以玉米淀粉袋塑料为包装的袋控缓释肥控释效果较双面涂蜡牛皮纸袋袋控缓释肥控释效果更佳。
  室内恒温土柱淋洗试验中,普通尿素的氮素第一次溶出率为23.38%,而1、3、5、7排孔的玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥(B-1、B-3、B-5、B-7)和双面涂蜡牛皮纸袋袋控缓释肥(B-W)5种袋控缓释肥的氮素溶出率分别为0.98%、0.94%、1.07%、1.13%和2.69%,远低于缓释肥料初期溶出率为15%的要求,缓释效果较好。双面涂蜡牛皮纸袋袋控缓释肥前期氮素释放量过大,相对而言玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥缓释性能更优。用Logistics方程N=a/1+e-k(t-tc)估算得出的tc(氮素累积释放量拐点出现的时间)延长,表现出明显的氮素释放滞后效应。
  氨挥发模拟试验结果表明:B-1、B-3、B-5、B-7、B-W5种袋控缓释肥的累积氨挥发氮损失量较普通尿素氨挥发氮损失量分别减少23.78%、18.21%、16.82%、13.46%和17.81%,显著小于普通尿素处理(P<0.05);双面涂蜡牛皮纸袋袋控缓释肥第一周内氨挥发累积损失量显著高于其它袋控缓释肥,缓释性能有待进一步改良。玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥能降低氨挥发速率,减少氨挥发损失,在实际生产上应用是可行的。
  田间试验结果表明,在施肥量一致的条件下,与一次性撒施普通复混肥相比,袋控肥供氮稳定持久,1排孔和3排孔玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥处理可以显著提高雷竹生长后期叶片叶绿素含量,改善雷竹叶片光合性能,提高雷竹叶片中硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性,促进雷竹叶片氮代谢的进行有利于植物对养分的吸收与利用,使得雷竹叶片中氮含量、可溶性蛋白含量显著增加,其中以打有3排孔的玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥效果最佳。
  通过本研究可知,肥料袋装打孔能够有效地控制养分释放速率,减少养分淋溶和氨挥发损失,能够维持土壤中氮素含量的相对稳定性,有利于植物的吸收与利用。限于时间,袋控缓释肥的施用效果有待进一步检验;肥料用量也有待深入探讨,使之与实际生产过程更加符合。
[硕士论文] 王琦
测绘工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:土壤水分是地球生态系统的重要组成部分,是陆地—大气系统间水热传输和能量交换的重要基础,是联系地表与地下水循环、陆地间碳循环的关键纽带。土壤水分作为最常用的地表模型参数之一,在全球水循环规律分析、流域水文模型建立、农作物生长监测和旱情评估等方面起着重要的作用。
  相对于传统的土壤水分获取方法,遥感因其宏观性强、时效性快、能动态性大区域监测等优点已成为土壤水分信息获取的主要手段。近几十年来,学者们针对不同的传感器类型发展的土壤水分反演算法已达上百种。其中,主动微波协同光学数据反演土壤水分算法具有高时效、强穿透性、不受天气影响、植被影响弱等特点,成为植被覆盖区地表土壤水分反演的一个重要方法。同时,通过不同植被指数构建特征空间来反演土壤水分的光学遥感算法也成为常用手段之一。本文选择黑河流域中游张掖地区盈科绿洲农业灌区为研究区域,以主动微波遥感Sentinel-1A哨兵数据和光学遥感Landsat-8数据为基础,结合实测数据,通过对比不同输入参数确定了两种土壤水分反演算法,开展了土壤水分反演算法的对比分析。主要结论如下:
  (1)以NDVI和MSAVI指数与地表温度构成的Ts-NDVI和Ts-MSAVI特征空间均满足温度植被干旱指数法的构成条件,两个特征空间的温度植被干旱指数与实测数据的相关性结果表明,Ts-MSAVI特征空间高于Ts-NDVI特征空间,Ts-MSAVI计算的MTVDI指数能更好地反演土壤水分状况。
  (2)NDWI指数计算的植被含水量较NDVI指数的高。NDWI计算的植被含水量能有效地去除植被对后向散射系数造成的影响。结合Oh模型经查找表算法得到最终土壤水分反演结果显示,NDWI指数的植被含水量反演得到的土壤水分比NDVI植被含水量反演得到的土壤水分更接近实际情况、反演精度更高。
  (3)MTVDI指数的土壤水分反演算法和NDWI指数的水云模型土壤水分反演算法进行精度对比评价,表明NDWI的水云模型土壤水分反演算法相关系数高,均方根误差低。主动微波协同光学数据算法反演出的土壤水分更能反映研究区地表土壤水分状况。
[硕士论文] 李冰清
环境工程 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:土壤微生物是评价干旱区生态系统健康的重要指标。本文以二连浩特市巴拉嘎斯湖湖滨带湿地及其毗邻区域为主要研究区,在调查研究区内植物群落分布格局的基础上,通过野外采样调查、室内土壤理化性质分析实验以及高通量测序技术,研究了不同植物群落根周围的非根际土壤微生物群落结构、多样性及其与植被、土壤理化性质间的相互关系。论文得出以下结论:
  1)巴拉嘎斯湖湖滨带土壤总体呈盐碱化,含水率较低,土壤养分贫瘠;
  2)在门水平上,相对丰度top10的土壤微生物分类分别为变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、广古菌门(Euryarchaeota)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、奇古菌门(Thaumarchaeota)、浮霉菌门(Planctomycetes);Proteobacteria为优势菌群,Gammaproteobacteria为优势亚群;
  3)不同植物群落根周围的非根际土壤微生物多样性存在差异,沿湖床沉积物-芦苇群落带-盐爪爪群落带-芨芨草群落带-红砂群落带-小针茅草原呈先上升后下降趋势;
  4)不同植物群落根周围的非根际土壤细菌群落结构存在差异,变形菌门在湖床沉积物的分布最高,占比达50%左右,其他群里带中的分布无明显差异;厚壁菌门在前几个样带中分布较为均匀,而在位于陆上地带的红砂群落和小针茅草原分布变多,占比分别为41%和43%;广古菌门在湖滨地带有较多占比,但到陆上地带后几乎没有分布;放线菌门主要分布于芨芨草群落带,其他样带的分布较少;
  5)总磷、有效磷和钠离子是影响土壤微生物群落结构差异的主要影响因子。
  论文结果可为干旱区湿地生态系统的保育及健康评价提供重要的理论依据,同时也对改善干旱区湿地土壤环境、开发特殊微生物资源具有一定的现实意义。
[硕士论文] 许晓丽
农业资源与环境 浙江农林大学 2018(学位年度)
摘要:施肥是提高土壤肥力和促进作物增产的重要手段。近年来,化肥的大量施用导致土壤酸化等土壤退化问题日趋严重。碳氮磷是植物生长不可缺乏的重要元素,大量施肥造成氮磷流失是加剧水体富营养化的主要原因。本论文以浙江省两种典型的人工林业和农业经营模式(雷竹林和水稻田)为研究对象,检测了土壤pH、有机碳(SOC)等理化指标,并采用改进后的Hedley磷分级法和同位素质谱仪(IRMS)测定了长期施肥土壤中磷形态和碳氮稳定性同位素的分布特征,以期为浙江地区两种常见的种植模式下土壤生产力和肥效的变化提供科学依据。主要研究方法和结果如下:
  (1)为研究不同集约经营年限下雷竹林土壤的磷形态变化和碳氮稳定性同位素的分布特征,采集和测定分别经营3、9、15年的雷竹林上层(0-20cm)和下层(20-40cm)土壤样品。结果表明:在集约经营9年和15年后,上层土壤pH低于雷竹正常生长范围,而下层土壤酸化趋势更为明显;土壤氮和有机碳主要在上层土壤中积累,经营15年为各处理中最高,较3年时分别提高了92%和183%。上、下层土壤全磷(TP)、Olsen P、活性磷(H2O-P+NaHCO3-Pi+NaHCO3-Po)和中稳性磷(NaOH-Pi+NaOH-Po)含量均随经营时间逐渐增加。与3年相比,集约经营15年后活性磷和中稳性磷占总磷百分比在上层土壤中提高了63%和83%,在下层土壤中提高了88%和128%;而上、下层土壤难溶性磷(HCl-P+Res-P)所占百分比则分别从58%和66%降低至26%和29%,难溶性磷的含量基本不变。此外,长期集约经营雷竹林上、下层土壤δ13C均随经营年限延长而降低,其中以上层土壤降幅更为明显。土壤δ15N在上层土壤中表现为先增后减,下层土壤δ15N则呈逐渐提高趋势,上层土壤δ15N在集约经营前期(3年和9年)高于下层,集约经营15年后无显著性差异。可见,随集约时间延长应减少化肥投入,尤其是氮磷养分,以缓解其流失风险。
  (2)依托建立在浙江省杭州市的长期定位施肥试验站(1996~2012),共设6种施肥方式:长期不施肥(Control)、化肥配施秸秆(NPKRS)、化肥配施栏肥(NPKOM)、单施化肥(NPK)、单施秸秆(RS)和单施栏肥(OM)。目的在于探究不同施肥处理对稻田土壤中各形态磷动态变化及碳氮稳定性同位素分布特征的影响。结果表明:长期单施栏肥或配施化肥均显著提高了土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和有效磷(Olsen P)含量,其中化肥配施栏肥效果为各处理中最优。不同施肥处理下土壤中无机磷主要以HCl-P形态存在,占总磷比例40.9%~50.0%,有机磷的主要形态为NaOH-Po,占总磷比例6.1%~9.7%。各施肥处理下土壤中活性磷(NaHCO3-Pi+NaHCO3-Po)占总磷比重最小(为2.8%~8.4%),有效磷供应水平较低。与Control对照处理相比,NPKOM处理下活性磷的相对比例增加5.6%,残渣磷相对比例减少10.5%。此外,NPKOM处理下δ13C值显著降低,δ15N值为各处理最高。由此看来,长期化肥配施栏肥可以促进土壤新有机质积累,不仅有利于土壤培肥,还能减少氮损失量,从而降低周围水体富营养化风险。
  综上所述,长期施用化肥会造成雷竹林和水稻田土壤中磷的大量积累,与水稻田相比,雷竹林地磷积累量更大,大量施肥也加剧了雷竹林土壤酸化。有机物料施用促进了雷竹林和水稻田土壤SOC的积累,同时也造成了两种土地利用模式下土壤δ13C值的降低。此外,长期施用氮肥可以增加雷竹林和水稻土壤TN含量,并引起了土壤δ15N提高。
[硕士论文] 赵旭鹏
植物学 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:煤炭的大规模露天开采,破坏了草原景观,严重影响了植物和微生物多样性,破坏了土壤结构。本文以宝日希勒露天煤矿为研究对象,沿着距采挖区的距离梯度和采煤扰动的时间梯度(工作面推进的反方向),测定草原植物群落及土壤理化性质的变化,并通过形态学与分子生物学方法研究土壤AM真菌与其它土壤微生物数量和多样性的变化动态,阐述煤炭露天开采对草原生态系统生物多样性的影响机制,为矿区生态安全评价和生态修复提供理论基础,主要研究结果如下:
  1.研究区为以(贝加尔针茅)+(羊草)建群的典型草原,植物群落主要优势种为麻花头(Serratula centauroides)、冷蒿(Artemisia frigida)、星毛委陵菜(Potentilla acauli)和溚草(Koeleria macrantha);香农-威纳指数为0.494~0.776,辛普森指数为1.139~1.580,均匀度指数为0.456~0.592。植物多样性随着采煤扰动时间梯度加深以及距离梯度降低呈降低趋势。
  2.研究区土壤理化性质分别为含水量3.418~9.827%,pH值6.750~7.612,铵态氮4.400~14.800mg/kg,速效磷3.800~12.933mg/kg,有效钾11.333~128.333mg/kg,总氮1.232~3.542g/kg,总磷0.818~2.214g/kg开采扰动降低土壤含水量、全磷和全氮的含量,在扰动时间的梯度上影响显著(P<0.05)。
  3.研究区土壤酶活性表现为:脲酶0.344~0.880NH3-N mg/g,酸性磷酸酶1.456~3.529phenol mg/g,中性磷酸酶1.869~2.874phenol mg/g,碱性磷酸酶2.141~2.728phenol mg/g,蔗糖酶0.044~0.162glucose g/g,过氧化氢酶18.263~53.059H2O2μmol/g。开采扰动影响蔗糖酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶的活性,且在时间梯度上呈极显著差异(P<0.01)。
  4.研究区土壤可培养微生物菌落数表现为:细菌1.517~5.750107CFU/g,真菌0.617~8.383103CFU/g,放线菌1.033~3.917105CFU/g。开采扰动影响真菌和放线菌的菌落数,且在时间梯度上呈极显著差异(P<0.01)。
  5.从研究区土壤中共分离出6科9属23种AM真菌,其中Acaulosporaceae科2属6种,Ambisporaceae科1属1种;Claroideoglomeraceae科1属1种,Glomeraceae科3属12种,Pacisporaceae科1属1种,Gigasporaceae科1属2种。主要优势种为C.etunicatum、G.brohultii、P.scintillans、A.scrobiculata、G.caledomium,其中A.scrobiculata在各样地广泛分布。
  6.研究区AM真菌的形态物种的孢子密度达45.667~301.667个/20g土样;物种丰富度为8.667~23.000种/20g土样,香农-威纳指数1.856~2.732,辛普森指数介于0.721~0.932,在表土层孢子密度、香农-威纳指数、辛普森指数和物种丰富度随扰动时间梯度的加深而降低,随距离梯度的增加而升高。
  7.基于18S rRNA、16S rRNA和ITS高通量测序,结果显示土壤AM真菌OTU分属于Glomus、Diversispora、Paraglomus、Ambispora、Scutellospora共计5个属;其它真菌OTU分属于Ascomycota、Basidiomycota、Zygomycota共计3个门;细菌OTU分属于Actinobacteria、Proteobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Verrucomicrobia、Firmicutes、Bacteroidetes、Gemmatimonadetes等共计13个门组成。土壤细菌和真菌(包括AM真菌)的多样性随着采煤扰动时间梯度上变化具有一定的趋势,但距离梯度上的变化趋势不明显。
[硕士论文] 丁黎
农业环境保护 浙江农林大学 2018(学位年度)
摘要:土壤沙化问题由来已久,虽然整体上得到了遏制,但是局部地区仍有扩展,因此,必须引起重视。长期以来,川西北地区由于自然和人为因素,沙化区域不断扩张,当地沙化土壤保肥保水能力较差,土壤肥力欠佳,已经成为制约当地经济的突出问题。然而,当地畜牧养殖业较为发达,畜牧养殖业是当地人民的主要经济来源。但是,随着畜牧养殖业规模不断扩大,畜牧养殖业废弃物的处理成为了亟待解决的问题。因此,本研究选用当地常见的畜牧废弃物羊粪作为原材料进行炭化和堆肥产品的制备,并选用聚丙烯酰胺为添加剂,通过土柱试验和盆栽试验,筛选出改良当地沙化土壤的方式。笔者通过自制的热解炭化炉,对干燥、粉碎后的羊粪进行热解炭化,制备出不同热解温度的羊粪生物质炭产品,并对羊粪进行厌氧发酵处理,得到羊粪堆肥产品。应用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)等技术,对热解前后的母料和生物质炭的元素组成、主要官能团及其表面结构和形态变化进行表征,通过向沙化土壤中添加羊粪生物炭和堆肥产品,探讨其对沙化土壤改良的特征,为生物质炭应用于沙化土壤改良提供了依据。
  土柱淋溶试验设计分为两组,分别为添加聚丙烯酰胺(PAM)(h系列)和不添加PAM(H系列),每种处理都分为只施加堆肥(H1、h1)、生物质炭和堆肥比例为1∶1(H2、h2)和只施加生物质炭(H3、h3),此外,做空白处理,即不添加任何外源养分材料(H0、h0),共计8个处理,每个处理做3个平行试验。
  盆栽试验的设计是将生物质炭、堆肥和PAM按照5种不同方式施加,即施加的生物质炭与堆肥的质量比为3∶1(C1)、只添加PAM(C2)、施加的生物质炭与堆肥的质量比为3∶1,同时添加PAM(C3)、只施加生物质炭(C4)和只施加堆肥(C5),另做1个空白处理(C0),共计6个处理,每个处理做4个平行试验。主要的研究结果如下:
  (1)随着温度的升高,生物质炭分解得更加充分,芳香化程度提高,生物质炭原先存在的一些特征峰逐渐消失。炭化后的羊粪拥有复杂的孔隙结构和巨大的比表面积,有利于对水分和养分的吸收,并且随着温度的升高,生物质炭的表面形态和孔隙结构得到了发育。
  (2)生物质炭和堆肥的添加可以显著地增加沙化土壤的pH、总氮、碱解氮、硝态氮、铵态氮、总磷、有效磷、有机质和粘粒的含量。其中,土壤pH和有机质含量与施加生物质炭的施加量呈正相关,而添加生物质炭的处理对沙化土壤中粘粒含量的增加较为明显。堆肥的添加更有利于总氮、硝态氮、铵态氮含量的增加,而生物质炭对碱解氮的固持作用更加显著。
  (3)在施加生物质炭和堆肥的基础上添加PAM后,能够有效地抑制养分含量的流失。在土壤上层(0~20cm)几乎各养分含量都表现为增加,而在土壤下层(20~40cm)则有所不同,总氮、碱解氮表现为增加,而pH、硝态氮、铵态氮则有所降低,充分说明在PAM的作用下,养分含量虽然还有所淋失,但总体来说起到了抑制养分淋溶的作用。根据对总磷、有效磷以及有机质的外源养分淋溶率分析可以得知:大部分处理条件都显示出添加PAM后的淋溶率(h系列)小于未添加PAM处理的(H系列),进一步说明PAM能有效抑制养分的淋溶流失。
  (4)盆栽试验中,C2、C3处理对于改良土壤的氮素状况优势显著(P<0.05),总氮含量分别增加了175.4%、173.3%;C1、C3处理对于改良土壤的磷素状况显著(P<0.05),总磷含量分别增加了35.6%、21.3%;而C1、C3、C4处理对于改良土壤pH和有机质含量作用也很显著(P<0.05),pH分别增加了2.63、2.32、3.39个单位,有机质分别增加了58.8%、52.8%、45.9%。与其他几种处理方式相比,无论是生物量还是干物质含量,在C5处理下都能够达到较好的改良效果,对于植物酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)的处理效果,C1处理最好,C2、C3、C5处理的粗蛋白含量均有所增加,分别增加了36.5%、69.0%、41.6%,所有处理中只有C1处理的相对饲喂价值(RFV)值显著(P<0.05)高于对照组,增加了68.5%。
  羊粪生物质炭、堆肥以及PAM的配施能够有效地改善沙化土壤的养分含量和牧草的品质。生物质炭与堆肥以3∶1的比例配施对牧草品质的改良效果最好,而在此配比的基础上添加PAM则对沙化土壤的改良效果最好。
环境科学与工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:硫作为仅次于氮、磷和钾的营养元素,对植物生长起到非常重要的作用。同时,硫在植物生长调节、解毒和抗逆等过程中也起到一定的作用,是影响植物品质的重要因素,其对植物的生长和代谢过程的重要性不言而喻。目前,全世界约70多个国家和地区的土壤存在缺硫或潜在缺硫的现象,缺硫会给农业生产造成巨大损失,从而影响农产品品质,并且对生态环境造成潜在威胁。因此,土壤中硫含量及其生物有效性研究受到广泛关注。生物炭是生物质(如秸秆、畜禽粪便和市政污泥等)在限氧条件下热解所得的富碳颗粒。生物炭在土壤改良、固碳减排、土壤污染控制等方面具有非常大的应用潜力,已成为国际土壤界和环境界的研究热点之一。生物炭由于具有孔隙结构发达、比表面积较大等特点,使其具有较强的吸附性能,因而可以吸附持留土壤中的无机和有机养分,有效降低农田土壤营养元素的损失,提高作物产量。生物炭具有直接营养价值和间接营养价值,生物炭施入土壤后不仅会对土壤理化性质产生影响,也必将直接或间接影响土壤中营养元素的环境化学行为及生物有效性。植物主要是通过根际以硫酸根阴离子形态从土壤中吸收硫,生物炭存在下植物对硫的吸收与生物炭的来源和性质、土壤性质、植物种类以及土壤环境因子有关。黄土由于具有结构疏松,透水性强,团聚能力差等特点,导致黄土中的营养元素易淋溶。因此,在黄土中宜施加生物炭,以期改善土壤理化性质和结构,同时有望增强营养元素(硫)的植物有效性,保障农场品质量。关于生物炭施入黄土后对土壤理化性质以及生物炭存在下植物吸收积累硫的变化规律尚待研究。
  论文简要介绍了生物炭在环境和农业领域中的应用技术及土壤中硫的生物有效性等研究进展,重点评述了生物炭的制备及其对植物生长影响研究进展。针对生物炭施入黄土后对植物吸收硫的影响以及规律尚不清楚等问题,本文选择玉米秸秆和玉米芯为生物质原料,分别在不同温度下制备生物炭(分别标记BMS300、BMS600和BCC300、BCC600),通过元素分析、比表面积、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)等手段对所制备生物炭的表面性质和结构进行表征;通过玉米作物种植实验,在5种生物炭处理水平(0、7、14、21、28gC/2 kg soil)下,研究了施加生物炭对黄土理化性质、植物生长发育和硫的生物有效性影响。研究结果可为区域土壤生物炭应用以及保障农产品质量提供科学依据。论文的主要结果如下:
  (1)随着生物炭制备温度的升高,BCC的产率从48.89%减小到26.55%,BMS的产率从35.97%下降到19.65%。生物炭的灰分含量与热解温度之间具有较大的相关性,生物炭的灰分随着热解温度的升高而升高,在相同热解温度条件下,BMS比BCC的灰分含量高。随着热解温度的升高,生物炭的pH值增大,从BCC300的8.63增大到BCC600的11.03,从BMS300的9.42增大到BMS600的11.42。生物炭的电导率随着温度的升高也随之增大。生物质来源以及热解温度的不同,所制备的生物炭的比表面积也有较大差异,相同制备条件下制备的BMS比表面积高于BCC,从SEM图谱中也可以看出,高温制备的生物炭具有更多的孔隙结构。从FTIR结果可以看出,BMS300、BMS600和BCC300、BCC600的表面含有丰富的含氧官能团(-OH、C=O、C=C、Si-O-Si等)。XRD结果表明,生物炭中主要是由石英和方解石组成。对BMS300、BMS600和BCC300、BCC600的含硫情况分析可得,随着热解温度的升高,水溶性硫的含量逐渐增大,由BCC300的0.07%增大到BCC600的0.17%,BMS300的0.015%增大到BMS600的0.31%。同时NaH2PO4-SO42-的硫含量也占较大的比例。HCl-SO42-态硫的含量随着热解温度的升高也随着增大。
  (2)研究了BMS300、BMS600、BCC300和BCC600施入黄土后对土壤理化性质的影响。与CK(B0)相比,生物炭施加量的增加,土壤pH值呈现增加的趋势,在所有处理情况间有显著性差异(P<0.05)。然而,随着BCC300施加量的增加,土壤pH值呈现先增加,后减小的趋势。与CK(B0)相比,施加生物炭的处理对土壤EC没有显著影响,且不同生物炭的施加量处理间无显著性差异(P<0.05)。随着生物炭施加量的增加,土壤脲酶活性和土壤过氧化氢酶活性都呈增大趋势(P<0.05)。生物炭的施加显著提高了土壤SOM含量,在低生物炭施加量的处理情况下(B1),土壤SOM含量增加,但随着生物炭施加量的进一步增加,土壤SOM含量反而呈现降低趋势。
  (3)施加不同比例生物炭会对玉米生长产生不同程度的影响,和CK(B0)相比,BMS600的施入可显著提高种植玉米的株高,随着生物炭施加量的增加,玉米株高呈现先增加后显著减小的变化趋势。当生物炭施用量为B2时,BMS300、BMS600、BCC300和BCC600施用时的株高分别为89.6、82、81.8和79.3 cm。生物炭施入对玉米株直径的影响结果表明,在生物炭低施入量的情况下没有显著增加,而在较高施加量的情况下显著增加。随着生物炭施加量的增加,玉米叶片数有增加的趋势,但在高施加量处理的情况下反而使得玉米株直径有一定程度的见地。这可能是由于生物炭施加量过高会抑制玉米生长导致的结果。玉米鲜重和干重随着生物炭施加量的增加而显著增加,且不同处理组之间达到了显著性水平(P<0.05)。玉米叶片叶绿素含量随着生物炭施加量的增加呈现缓慢增加的趋势,且不同处理组之间达到了显著性水平(P<0.05),结果表明,生物炭施加可提高玉米的光合作用能力。
  (4)施加生物炭对玉米生长及硫的植物有效性产生影响。在低施硫水平下,玉米株直径和叶片数随着生物炭热解温度的升高而显著升高(P<0.05),在生物炭处理水平为B4时,在所有施硫水平处理下,玉米株直径和叶片数都为最小值。在同一施硫水平下,玉米鲜重和干重随着生物炭施加量的增加而增大,且当生物炭施加量为B4时达到了显著性水平(P<0.05)。结果表明,黄土中施硫会显著提高玉米生长的生物量,且低施硫水平相对于高硫水平条件下有更显著的促进效应。随着生物炭施加量的增加,同一施硫水平条件下玉米叶绿素含量随之先增加后降低,且达到了显著性差异水平(P<0.05)。与CK(B0)相比,施加生物炭可提高玉米对硫的吸收,在低硫处理水平下,玉米叶片和根部的硫含量随着生物炭施加量的增加而显著增加(P<0.05)。
[硕士论文] 包苏日娜
生物工程 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:煤炭资源的开发利用极大地促进了区域经济的快速发展,但同时也引发了严重的生态环境问题。井工开采导致地下形成采空区,采空区的沉陷严重破坏地形地貌,造成地下水位下降、土壤养分转移、植被衰退、加剧土地盐碱化和贫瘠化。采矿沉陷区土地治理与生态修复是目前恢复生物学所关注的重大课题之一。土壤微生物作为物质循环过程中的关键一环,对于改善沉陷区土壤性质、土壤肥力以及增强植物抗病能力都起着非常重要的作用,采煤沉陷区的生态修复离不开微生物的参与。为了获得具有应用潜力且环境亲和性好的微生物菌剂活性菌株,本文以陕西省神木县大柳塔采矿区作为样地,利用选择性培养基,对土壤中的土壤微生物进行分离、筛选,利用常规检测方法测定菌株的解磷、解钾能力,筛选出具有较强分解能力的菌株,根据菌株的形态特征、生理特性和16SrDNA序列分析对菌株进行鉴定。主要结果如下:
  1、初步筛选到21株解磷菌和4株解钾菌。通过形态学观察发现解磷菌的菌落形态为圆形不透明、湿润光滑、有突起、颜色淡黄;解钾菌的菌落形态是圆形透明、湿润光滑、边缘整齐、较为黏稠。筛选获得的菌株均为革兰氏阴性菌。
  2、复筛得到的15株解磷菌中CW01-2、CW01-5、CW01-9菌株的解有机磷活性最强,分别为46.32μg/mL、45.17μg/mL、45.49μg/mL。解钾菌K-9、K-10、K-11的解钾率分别为4.49mg/kg、7.84mg/kg、7.05mg/kg。
  3、解磷菌可以利用蔗糖、麦芽糖、甘油和葡萄糖为碳源,所有解钾菌均可利用蔗糖和甘油为碳源。解磷菌CW01-2、CW01-5、CW01-9、WC23-14、WC23-30在硝酸盐和铵盐为氮源的培养基上均可以生长,解钾菌K-5、K-11以硝酸盐为氮源,K-10以铵盐为氮源,K-9能以硝酸盐和铵盐为氮源,具有一定的固氮能力,可在pH7-11,NaCl含量3%的培养基上生长,有一定的耐盐碱性。
  4、16SrDNA序列法鉴定菌株,解磷菌均为假单胞菌(Pseudomonas sp.),解钾菌均为类芽孢杆菌属(Paenibacillus)。通过构建系统发育树看出,Pseudomonas putidastrain、Pseudomonas koreensisstrain和Pseudomonas fluorescensstrain的遗传进化距离最近,均与假单胞菌属(Pseudomonas sp.)有高度同源性。
  5、筛选获得的解磷菌和解钾菌有一定的解磷和解钾能力,可利用的碳源广泛,有一定的固氮能力,耐盐碱性好,抗逆性强,可作为矿区复垦微生物肥料的有效菌株备用。
[硕士论文] 蔚薇
植物学 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:丛枝菌根真菌(AMF)是自然界中普遍存在的一种土壤微生物,能够与陆地90%以上的有花植物形成菌根共生体,对促进植物吸收利用矿质养分和水分,提高植物抗逆性和抗病性,改良土壤结构,维持矿区生态稳定性十分重要。本文以神东煤矿采煤沉陷地作为研究区,以丛枝菌根真菌和土壤因子为对象,比较研究地表沉陷和种植植物对土壤AMF多样性的影响,旨在阐述种植不同植物对矿区土壤生态环境的影响机制。主要研究结果如下:
  1.研究区土壤样本中一共分离得到AM真菌6科9属27种。在样方土壤中分离得到5科8属19种AM真菌,分别为:Acaulospora属1种,Entrophospora属1种,Glomus属10种,Rhizophagus属1种,Funneliformis属1种,Septoglomus属2种,Claroideogomus属2种,Scutellospora属1种。人工种植植物根际土壤中分离得到6科9属18种AM真菌,分别为:Acaulospora属3种,Entrophospora属1种,Glomus属4种,Funneliformis属1种,Septoglomus属2种,Rhizophagus属1种,Claroideogomus属2种,Diversispora属1种,Scutellospora属1种。样地土壤中的优势种为Septoglomus constrictum,根际土壤中的优势种为Claroideogomus etunicatum、Septoglomus constrictum。
  2.研究区样方土和根际土AM真菌物种多样性表现为孢子密度(个/50g土样)分别为12.00-424.67和31.00-683.67,物种丰富度(种/50g土样)分别为3.33-5.67和2.33-6.67,香农-威纳指数为0.814-1.518,和1.448-0.498,辛普森指数为0.459-0.746和0.459-0.746。样方土壤与植物根际土AM真菌多样性相比,孢子密度和物种丰富度较低,随着土壤深度的增加,孢子密度呈减少的趋势。
  3.研究区样方土和根际土壤真菌数量(个/g土样)分别为0.467-49.667*10-2和0.467-49.667*10-2,细菌数量(个/g土样)分别为0.833-17.000*10-4和0.833-17.000*10-4,放线菌数量(个/g土样)分别为2.167-104.633*10-3和2.167-104.633*10-3,土壤微生物群落中细菌所占比例最高。
  4.研究区样方土和根际土壤酶活性:酸性磷酸酶(mg/g)分别为0.0008-0.0025和0.0012-0.0039,中性磷酸酶(mg/g)分别为0.0004-0.0029和0.0005-0.0027,碱性磷酸酶(mg/g)分别为0.0022-0.0052和0.0020-0.0073,脲酶(μg/d/g)分别为23.813-463.136和28.580-221.859,蔗糖酶(mg/d/g)分别为4.710-112.892和4.263-47.794,过氧化氢酶(μmol/d/g)分别为18.025-51.130和25.718-55.145。.除沉陷-未治理样地(S1)、沉陷-杨树治理样地(S2)、沉陷-油松混合治理样地(S5),样方土壤脲酶含量沿土层深度的增加均呈下降趋势,0-10cm土层土壤脲酶含量均显著高于10-20cm、20-30cm土层,除柳树(P13),根际土壤脲酶含量随土层深度的增加均呈下降趋势,0-10cm土层土壤脲酶含量均显著高于10-20cm、20-30cm土层。除沉陷-玉米治理样地(S6),样方土壤蔗糖酶含量沿土层深度的增加均呈下降趋势。除野樱桃(P5)、玉米(P9)和山杏(P10),其余植物根际土壤蔗糖酶含量均沿土层深度的增加而呈下降趋势。
  5.研究区样方土和根际土壤理化性质分别为:含水量3.773%-16.170%和4.301%-17.959%,pH7.926-8.424和7.544-8.468,铵态氮(ppm)3.178-7.333和2.111-11.489,速效磷(ppm)19.667-62.778和3.511-22.844,有效钾(ppm)8.000-34.667和7.1110-36.000,全氮(mg/g)0.184-0.444和0.45-0.784,全磷(mg/g)0.181-0.634和0.037-0.124,有机质(mg/g)1.295-20.50和1.751-40.273。除杨树(P1)、沉陷区-锦鸡儿(P2),其余植物根际土壤pH随土层深度变化无显著差异。除沉陷-未治理样地(S1)、沉陷-杨树治理样地(S2)、沉陷-油松混合治理样地(S5),其余样地土壤全氮含量均随土层深度增加而减少,且0-10cm和20-30cm土层土壤全氮含量差异显著。除杨树(P1)、山杏(P10)根际土壤全氮含量随土层深度变化差异不显著;其余根际土壤全氮含量均随土层深度增加而呈下降趋势,且0-10cm和20-30cm土层土壤全氮含量均差异显著。
  6.综合土壤因子及微生物等得出规律:采煤沉陷降低土壤养分及微生物多样性;人工建植对该区域植物多样性、土壤微生物及养分有所恢复。菌根侵染率呈现规律:阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus(Willd)Novopokr)>直立黄芪(Astragalus adsurgens Pall)>短花针茅(Stipa breviflora Griseb)。
  7.样方土壤AM真菌孢子密度与土壤含水量、土壤pH呈极显著负相关(P<0.01),与速效磷、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶呈显著正相关(P<0.05),与土壤脲酶和过氧化氢酶呈极显著正相关(P<0.01)。乔灌木根际土壤AM真菌孢子密度与土壤含水量、铵态氮呈极显著正相关(P<0.01),与土壤pH、有机质呈显著正相关(P<0.05),与土壤深度呈显著负相关(P<0.05)。
  8.沉陷后土壤pH、速效磷、磷酸酶活性、脲酶活性、AMF多样性指数、微生物数量均下降,人工种植植物后土壤养分、脲酶活性、蔗糖酶活性、AMF多样性指数、微生物数量均上升,其中沉陷地的野樱桃(P5)、文冠果(P6)、欧李(P7)等混合种植和未沉陷地侧柏(P12)的修复效果更好。未沉陷未治理样地的AMF种类和数量较高,说明具有较丰富的AMF资源。
[硕士论文] 张相旭
测绘工程 成都理工大学 2018(学位年度)
摘要:荒漠化是目前全球最为严重的生态环境问题之一,不仅影响当前人类生活的生态环境,更对地球的可持续发展造成严重威胁。对荒漠化的研究有助于准确把握荒漠化的动态变化及其驱动因素,为区域荒漠化的治理提供理论支撑。我国荒漠化的研究多集中在西北地区,然而近年来南方荒漠化开始逐渐受到关注。重庆作为我国4个直辖市之一,新世纪以来经济发展迅猛,对资源的需求越来越大,荒漠化问题也渐渐引起重视。
  本研究选取4个荒漠化评价指标,运用层次分析法确定权重,从像元尺度对重庆地区2000-2015年荒漠化进行评价。根据评价结果将荒漠化进行分级,分别分析荒漠化年际时空过程变化和5年时空变化。荒漠化驱动力定量研究时,利用皮尔森相关系数对荒漠化单因子驱动力进行定量研究,得出各驱动因子与荒漠化综合值的正负相关关系;利用灰色关联法对荒漠化综合驱动力做定量研究,得出造成荒漠化的主要驱动因子,为重庆荒漠化的防治提供科学依据。
  主要研究成果如下:
  (1)根据已有的研究成果,结合研究区实际情况,确定了重庆荒漠化评价指标的选取原则,在此基础上选取了植被覆盖度、土壤质地、沟谷密度和坡度4个指标构建荒漠化评价指标体系。
  (2)以层次分析法确定荒漠化评价指标的权重,结合标准化后的4个评价指标对重庆荒漠化进行评价。基于已有研究将荒漠化评价结果分为重度荒漠化、中度荒漠化、轻度荒漠化和非荒漠化4类。根据荒漠化分布图显示,重庆2000-2015年荒漠化分布区域每年大致相同,主要分布在开州、云阳、万州、忠县、丰都、彭水、綦江、酉阳、潼南和江津;荒漠化面积统计结果显示,轻度荒漠化在荒漠化中占主要部分,整体超过60%,重度荒漠化区域则低于6%。荒漠化面积整体呈现下降趋势。
  (3)通过转移矩阵对荒漠化进行时空过程变化分析,得出2000-2005年荒漠化改善面积为20961.6km2,占研究区总面积的25.4%,荒漠化退化面积为2984.1km2,占研究区总面积的3.6%;2005-2010年荒漠化改善面积为8926.1km2,占研究区总面积的10.8%,荒漠化退化面积为5751.8km2,占研究区总面积的7%;2010-2015年荒漠化改善面积为7477.4km2,占研究区总面积的9.1%,荒漠化退化面积为5818.9km2,占研究区总面积的7.1%。根据统计结果可以看出,2000-2015年荒漠化改善面积越来越少,荒漠化退化面积却在增加,但荒漠化改善面积大于荒漠化退化面积,所以荒漠化面积整体上仍呈现下降趋势。
  (4)通过对重庆荒漠化做驱动力定量研究,发现从单因子驱动力来看,与荒漠化综合值整体上成正相关的有平均温度、降水量、最大风速、人均GDP、农林牧渔业总产值和工业总产值,整体上成负相关的有日照时数、相对湿度和人口密度,本研究正相关说明驱动因子值越大,荒漠化综合值越大,荒漠化程度越轻。将上述因子按属性归为自然和社会经济两大类来看,整体上自然因子驱动力对2000-2015年重庆地区荒漠化的影响要比社会经济因子驱动力稍大,但在部分年份(如2007-2009年),社会经济因子驱动力对荒漠化的影响较大。
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