國內土壤科研進展

導 讀

提出大陸尺度上土壤有機碳分子組成的權衡關係等5則進展。

來源：根據中國科學院、中國科學院瀋陽應用生態研究所、南京農大資環學院、華中農大資環學院等單位網站近期相關報導整理。

東北地理所在土壤水分微波遙感估算研究中取得進展

地表土壤水分是地球水資源的重要組成部分，是控制地表與大氣界面能量和水分交換的重要邊界條件，也是地表蒸散的關鍵影響因子，對地表水循環、能量循環、生態環境和農業應用都具有意義。

地表土壤水分的獲取方法包括地面觀測、遙感反演和數據同化。微波遙感可穿雲透霧、全天候全天時工作，被認為是全球或區域尺度獲取土壤水分時空變化的最佳方式。但現有微波遙感土壤水分估算方法需要大量的輔助參數，包括地表溫度、植被含水量、土壤質地、土壤表面粗糙度、植被散射性質等。被動微波數據的粗空間解析度進一步增加了獲取這些輔助參數的難度以及不確定性。

近期，中國科學院東北地理與農業生態研究所微波遙感團隊評價了現有被動微波遙感土壤水分產品的精度與不確定性來源，並在此基礎上開發出一種基於變化探測原理的土壤水分估算方法，根據植被指數與地表發射率之間的三角空間關係，提出一種基於植被指數估算像元發射率變化範圍的經驗方法。該方法只需提供地表溫度、NDVI兩個輔助參數，估算的土壤水分與SMAP土壤水分具有極高的相關性和一致性，與地面實測數據的對比結果也證實了該方法的可行性。

該算法簡化了土壤水分估算的複雜度，降低了對輔助參數的依賴性。研究結果可提高土壤水分估算精度，有利於土壤水分的全球製圖。相關成果發表在Remote Sensing、IEEE JSTARS上，副研究員鄭興明為第一作者，研究員李曉峰為通訊作者。研究得到國家自然科學基金資助。

該研究估算土壤水分與SMAP L3土壤水分產品對比結果，分別為V極化、H極化、H和V極化

該研究估算土壤水分與野外實測土壤水分的對比結果，分別為SMAP L3產品、H極化、V極化、H和V極化

該研究估算土壤水分對輸入參數的誤差依賴性，「+」號表示日降水超過10毫米

西北研究院揭示活動層不同凍融階段土壤呼吸動態及其驅動機制

青藏高原是中低緯度地帶多年凍土分布面積最廣的區域之一，土壤有機碳庫高達160±87Pg，在全球氣候變暖中具有重要作用。活性層作為多年凍土和大氣之間的緩衝層，對全球氣候變化的響應敏感且迅速，其水熱過程是驅動多年凍土碳、氮循環和生物地球化學循環的原動力。目前，活動層不同凍融階段如何調控土壤碳排放，及其排放模式和驅動機制尚不清楚。

中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室研究人員在青藏高原腹地北麓河多年凍土區對高寒草甸生態系統土壤呼吸開展為期兩年的原位觀測，揭示活動層不同凍融階段土壤呼吸動態及其驅動機制（圖1）。研究發現，青藏高原多年凍土區高寒草甸土壤呼吸受活動層凍融過程調控作用明顯，活動層不同凍融階段土壤呼吸模式差異顯著（圖2）。在活動層夏季融化（ST）、秋季凍結（AF）、冬季降溫（WC）和春季升溫（SW）四個階段中，夏季融化、冬季降溫和春季升溫階段的土壤呼吸通量與5cm土壤溫度和水分均具有較顯著的相關關係；而秋季凍結階段活動層在處於由開放系統向封閉系統轉換中，土壤呼吸通量與土壤溫度水分相關關係均較弱（圖3）。在活動層土壤溫度較低的冬季降溫和春季升溫階段，以及土壤水分較高的夏季融化階段，土壤呼吸均具有較高的溫度感性(Q10，圖3)。夏季融化、秋季凍結、冬季降溫和春季升溫階段土壤二氧化碳溫室氣體的排放量分別佔全年排放量的61.32%、8.89%、18.43%和11.29%。

該研究進一步深化了對青藏高原多年凍土區活動層調控土壤呼吸的認識，為進一步完善陸面過程模式中土壤碳排放的水熱調控提供了參數化描述，對提高模式模擬青藏高原多年凍土區地-氣相互作用過程的模擬具有一定促進作用。

相關研究成果以Soil respiration of alpine meadow is controlled by freeze-thaw processes of active layer in the permafrost region of the Qinghai-Tibet Plateau為題，發表在The Cryosphere上。西北研究院副研究員王俊峰為論文第一作者，研究員吳青柏為論文通訊作者。研究工作獲得國家自然科學基金、凍土工程國家重點實驗室自主課題發聯合資助。觀測研究工作得到青藏高原北麓河凍土工程與環境綜合觀測研究站的支持。

論文連結

https://tc.copernicus.org/articles/14/2835/2020/

圖1.活動層不同凍融階段土壤呼吸動態

圖2.活動層不同凍融階段土壤呼吸模式變化

圖3.活動層不同凍融階段土壤呼吸與5cm土壤溫度和水分的關係

瀋陽生態所在土壤排放一氧化氮15N自然豐度和產生過程的同位素分餾作用的研究中取得進展

大氣灰霾問題越來越受到人們的關注，不僅汙染生態環境，而且嚴重威脅人類健康。硝酸鹽是灰霾的主要組成成分，其前提物一氧化氮（NO）排放的不斷增加，是加重灰霾問題的主要原因之一。NO不僅影響空氣品質，還控制著臭氧的產生進而影響大氣的氧化能力，在大氣化學中起重要作用。為了減少環境汙染，解析NO的排放源和減少其排放量，成為當今研究的重要任務。近年來，氮穩定同位素（ δ15N）技術逐漸被應用於解析大氣含氮汙染物的來源。土壤是繼化石燃料燃燒後NO排放的的第二大源，然而對於土壤產生的δ15N-NO研究仍十分有限，這增加了NO源解析的不確定性。土壤硝化作用和反硝化作用是NO產生的主要途徑，但到目前為止，還沒有研究區分這兩個過程產生的δ15N-NO。

中國科學院瀋陽應用生態研究所穩定性同位素生態學研究團隊，採集了中國北方三種生態系統類型共七個站點的土壤樣品（兩個農田土，兩個森林土和三個草地土壤），進行了室內控制培養實驗， 分別測定其在有氧和厭氧條件下產生的NO及底物硝態氮和銨態氮氮同位素組成的變化，並探討了硝化和反硝化作用產生NO過程中的同位素分餾作用。研究結果發現，有氧條件（硝化作用佔主導）土壤產生的δ15N-NO（-56 ± 4‰）顯著低於厭氧條件（反硝化作用主導）產生的δ15N-NO（-33 ± 7‰，圖1）。此外，不同生態系統類型土壤均表現為有氧過程產生NO的分餾係數（61 ± 3‰）顯著大於厭氧過程產生的分餾係數（35 ± 6‰，圖2）。而且，不同的土壤類型之間，產生的NO的過程的同位素分餾作用差異不大（圖2）。因此，可以根據土壤產生的δ15N-NO值來區分硝化和反硝化作用對土壤NO產生的相對貢獻，為建立N循環模型提供理論基礎。我們還發現，土壤產生的δ15N-NO值（-62 ~ -23‰）顯著低於生物質和化石燃料燃燒產生的δ15N-NO（0 ~ + 20‰，圖1）。因此，利用氮穩定同位素技術可以有效區分土壤和人為源對大氣NO的貢獻。

該研究得到了國家重點研發計劃、中國科學院前沿重點研究項目和中國科學院百人計劃等項目的支持。研究成果「δ15N of nitric oxide produced under aerobic or anaerobic conditions from seven soils and their associated N isotope fractionations」發表於Journal of Geophysical Research-Biogeosciences。通訊作者為方運霆研究員，博士研究生宿晨霞和副研究員康榮華為共同第一作者。

文章連結

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020JG005705

圖1. 一氧化氮不同排放源的δ15N值

圖2.厭氧和有氧條件下，不同生態系統土壤產生一氧化氮過程的氮同位素分餾係數

南京農大資環學院生態系統生態學課題組提出大陸尺度上土壤有機碳分子組成的權衡關係

土壤有機碳的分子組成仍然存在爭議。微生物、植物及火燒來源的有機化合物均是土壤有機碳的重要來源，但是我們還不清楚土壤有機碳的分子組成是否可以預測？近日，愛荷華州立大學、南京農業大學和貝勒大學等單位合作，發現土壤有機碳分子之間存在權衡關係，此觀點為解釋土壤有機碳的成因提供了重要參考依據。該成果於9月15日在國際權威學術期刊《Nature Geoscience》在線發表。南京農大資環學院生態系統生態學實驗室葉成龍博士作為論文的共同第一作者參與了該研究。

本研究利用美國國家生態觀測網絡站點的表層礦質土壤，結合核磁共振波譜法和分子混合模型定量不同生態系統土壤有機碳的化學功能團的相對豐度。結果表明土壤有機碳中的碳水化合物、脂質、蛋白質、木質素和焦炭在不同生態系統中的相對豐度差異很大，但每種化合物的總體平均豐度相似。主成分分析結果表明木質素和蛋白質之間顯著負相關，碳水化合物和焦炭之間顯著負相關。以上結果表明大陸尺度上的土壤有機碳分子組成之間存在一定的權衡關係。本研究還發現土壤鐵鋁氧化物和pH最佳解釋了土壤有機碳化學組成的變異，而且這些環境因子與已知的預測土壤有機碳含量的環境因子基本相同。

土壤有機碳化學組成的權衡關係概念模型

華中農大在蓖麻修復銅汙染土壤取得新進展

文/黃國勇

南湖新聞網訊（通訊員 黃國勇）近日，華中農大資源與環境學院土壤肥力與環境團隊在重金屬汙染土壤植物修複方面取得系列進展。該團隊通過探究銅耐性植物蓖麻根系活動對根際土壤銅的形態轉化及施用磷肥對蓖麻提取土壤銅效率的影響，揭示了蓖麻根際土壤銅形態轉化的特徵，評價了施磷等農藝措施強化蓖麻修復銅的效果和可行性，為應用蓖麻進行銅汙染土壤修復實踐提供了科學依據。

土壤重金屬汙染是影響土壤生態安全和人類健康的重要環境問題，而植物提取被視為一種經濟可行且環境友好的土壤修復技術。根際環境中，植物根-土相互作用會影響重金屬的生物有效性，從而影響植物對重金屬的吸收和提取效率。

該團隊通過根袋技術探究蓖麻根際銅形態變化和溶解有機質的組成與特徵，探究了蓖麻根系對土壤銅形態變化的作用機理。研究結果發現，在相同濃度銅處理下，根際土中酸交換性銅含量要高於非根際土，而根際土中可還原性銅、可氧化性銅和殘渣態銅含量均低於非根際土。與非根際土相比，根際土壤pH降低，而總氮、碳含量均升高。與對照相比，銅處理根際土壤總低分子量有機酸和總胺基酸含量分別增加15.2%~47.2%和36.4%~200%。此外，根際土中較簡單的溶解有機質和高濃度低分子量有機酸促進了土壤銅從相對穩定的狀態轉化為有效態。以上發現為進一步施加外源強化措施提高蓖麻修復銅效率提供了理論基礎，相關成果發表在Chemosphere期刊上（連結一），博士生黃國勇為第一作者，胡紅青教授為通訊作者。

此外，施肥作為常用的農藝措施，不僅可以增加植物生物量，而且還能提高植物體內金屬含量。該團隊通過盆栽試驗評估了磷肥對蓖麻修復土壤銅汙染的效率，並揭示了磷肥對蓖麻解銅毒的生理機制。結果表明：施磷肥顯著增加了蓖麻生物量和體內銅含量，從而提高了表徵植物修復效率的總銅提取量。同時，施磷肥顯著減輕蓖麻受到的銅毒性，表現為顯著降低蓖麻葉片MDA含量，提高了光合色素和抗氧化物質（GSH、AsA）的含量和強抗氧化酶（SOD，POD和CAT）的活性；同時磷酸鹽可與土壤銅形成不溶性的銅/鐵-磷酸鹽沉澱，顯著降低土壤中有效態銅生物濃度。以上研究為農藝措施強化重金屬汙染土壤的植物修復提供了新的思路，相關成果也發表在Chemosphere期刊上（連結二），碩士生周修佩為第一作者，胡紅青為通訊作者。

連結一：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653520309930

連結二：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653520301570