近期4则土壤科学研究进展|研究

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近期4则土壤科学研究进展。

来源：中国科学院网站

成都生物所揭示极端降水对花椒林生态系统大型土壤动物的影响

全球变化背景下，极端降水发生的频率和强度不断增加，对我国农林业生产造成重大损失。大型土壤动物作为生态系统物质循环中的重要消费者，在生态系统中起着重要的作用，他们同化各种有用物质维持自身生长，又将排泄产物归还到环境中不断改造环境，在土壤形成、改良及污染监测，生态系统修复，生态系统物质循环和能量流动中起着十分重要的作用。研究大型土壤动物对极端降水的响应过程以及能否通过构建高效的种植模式来缓解极端降水对农林复合生态系统的负面干扰，对全球变化背景下保护生物多样性，促进农林业可持续发展具有十分重要的意义。

花椒是芸香科、花椒属落叶小乔木，耐旱、喜阳光，分布于我国东南沿海、西南地区，在西北部分省区也广泛栽培。花椒果皮可作调味料，提取芳香油；还可入药，具有温中行气、逐寒、止痛、杀虫等功效，可治胃腹冷痛、呕吐、泄泻、血吸虫、蛔虫等症，又可作表皮麻醉剂；种子可食用，也可加工制作肥皂。因此，花椒是我国十分重要的经济树种之一。在退耕还林、荒山造林、脆弱生态系统修复工程的实施中，四川、贵州、重庆、甘肃、陕西等省市营造了大量的花椒人工林，在极端降雨增加的情况下，如何通过在林下种植作物，从而提高生态系统的稳定性，抵御极端降雨的负面影响，促进花椒人工林稳产、增产就显得十分重要。

国科学院成都生物研究所潘开文课题组博士研究生王思忠在导师的指导下，采用定位研究方法，研究了人工模拟极端降水对岷江上游地区花椒间作大豆、花椒间作甜椒、花椒单作等种植模式大型土壤动物的影响。研究发现极端降水对大型土壤动物群落总密度、总生物量以及多样性无显著影响。然而不同类群的大型土壤动物对极端降水的响应存在显著差异，极端降水显著降低爱胜蚓属密度和生物量，提高花椒间作大豆模式下远环蚓属种群的数量和生物量。极端降水改变种植模式对大型土壤动物群落数量的影响，在极端降水条件下花椒间作大豆、花椒间作甜椒和花椒单种等三种模式对大型土壤动物群落数量的影响无明显差异。但是，在无极端降雨处理下，种植模式对土壤大型动物密度和生物量有显著的影响，花椒+大豆模式下土壤大型动物的密度最高。

研究表明种植模式可以显著改变土壤大型动物的密度、生物量和丰富度，极端降水则可以改变大型动物对不同种植模式的反应，并显著改变个别土壤动物的种群数量和生物量。结果显示：可以通过构建合理的植物群落模式来缓解极端降雨对花椒林的负面影响，进而维持花椒人工林的稳定性。研究结果对构建可持续农林复合生态系统提供了重要科学依据。

该研究获得国家自然科学基金（31370632和Y5J2031100）资助，文章以Combined effects of cropping types and simulated extreme precipitation on the community composition and diversity of soil macrofauna in the eastern Qinghai-Tibet Plateau 为题发表于Journal of Soils and Sediments (2018)。

 实验样地

沈阳生态所揭示森林土壤有机碳温度敏感性

土壤是陆地生态系统中最大的碳库，其所储存的碳是大气碳库的2-3倍，是有机碳输入与输出（如分解）平衡的结果。每年土壤有机碳通过分解所释放的CO2量高达60 Pg C。因此，土壤有机碳分解速率的微小变化都将会对陆地生态系统碳循环和大气CO2浓度产生深刻影响。温度是影响土壤有机碳分解过程的重要因素，在全球变化背景下，土壤有机碳的分解如何响应气温升高即温度敏感性已得到广泛关注，并成为全球变化和陆地生态系统碳循环研究的热点。

目前，关于土壤有机碳温度敏感性的研究主要采用平行恒温培养的方法，在大尺度研究中多采用相同的培养温度。虽然这些研究在一定程度上增加了人们对土壤有机碳循环过程的认知，但是，该方法存在一些缺陷，例如容易产生微生物的热适应性和土壤基质有效性的差异，尤其是长期培养，而这会对温度敏感性的估算产生较大影响，造成估算不准确。基于此，中国科学院沈阳应用生态研究所人工林生态课题组（会同站）博士王清奎采用基于样品采集区年均温的循环变温培育方法，以克服平行恒温培养所存在的缺陷，深入研究了我国东部典型森林生态系统土壤有机碳温度敏感性的水平空间分布格局及其关键控制因子。

该研究获得了如下研究结果：1）土壤有机碳温度敏感性并不随纬度的增加而线性增加，即表现为空间非线性变化，亚热带森林土壤有机碳的温度敏感性较低，而温带森林土壤有机碳的温度敏感性较高；2）土壤C:N比与有机碳温度敏感性显著正相关，且阔叶林土壤有机碳的温度敏感性低于针叶林，表明低质量土壤有机碳的分解对温度的变化更敏感，支持了“碳质量-温度”假设；3）革兰氏阴性细菌对土壤有机碳温度敏感性空间变异的解释程度最高，其次为C:N比，但是在热带森林、亚热带森林和温带森林中主要影响因子并不相同。

该研究揭示了土壤有机碳质量和微生物对中国东部森林土壤有机碳温度敏感性的重要性，提出在利用模型预测森林生态系统碳循环时应考虑土壤基质质量和微生物特征，可以提高模型预测的准确性。

上述研究成果以Carbon quality and soil microbial property control the latitudinal pattern in temperature sensitivity of soil microbial respiration across Chinese forest ecosystems 为题发表在土壤学期刊Global Change Biology上。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

图1. 不同温度带森林和针阔叶森林土壤有机碳的温度敏感性 

图2. 中国东部森林土壤有机碳温度敏感性的空间分布 

表1. 不同森林生态系统土壤有机碳温度敏感性空间分布的主要影响因素 

成都山地所淋溶过程对山地土壤有机磷分布的影响研究取得进展

淋溶过程在山地中广泛发生，其对土壤有机磷形态海拔分布特征的影响不容忽视。在国家自然科学基金（41630751和41401253）资助下，中国科学院成都山地灾害与环境研究所吴艳宏研究团队基于贡嘎山东坡海拔2600-3200m峨眉冷杉林，揭示了土壤有机磷形态的赋存特征，阐明了森林土壤中淋溶过程对有机磷形态海拔分布特征的影响，为进一步探讨磷的生物地球化学循环与生态系统稳定提供基础。 

研究发现，随海拔升高，活性有机磷(LOP)、中稳性有机磷(MROP)和总有机磷(TOP)浓度有增大趋势，而高稳性有机磷(HROP)则相反。A层和B层土壤中活性有机磷(MLOP)浓度有减小趋势，但其在O层和C层土壤中浓度均不存在显著性差异(P < 0.05)。TOP和MROP储量随海拔升高而增大，但两者的最小储量均在2781m样点。LOP储量随海拔升高逐渐增大，4个采样点的MLOP和HROP储量均不存在显著性差异(P < 0.05)。

土壤TOP随海拔升高而增大的分布模式主要由于随海拔升高温度降低，微生物活性减弱导致有机磷矿化减慢。此外，淋溶过程也对其赋存特征产生明显干扰，导致其最小储量在2781m样点。为补偿淋溶造成的土壤生物有效磷(Bio-P)流失，生态系统不仅直接利用微生物量磷(MBP)补偿，且通过促进磷酸酶活性矿化LOP提高Bio-P供给。MLOP和MROP是随淋溶迁移最主要的两种有机磷形态，两者的垂向迁移主要依赖于土壤有机质（SOM）、无定形铁（Feox）和铝（Alox）。淋溶迁移过程中大部分有机磷在B层累积，但仍有少量有机磷流失。HROP是最稳定的有机磷形态，其海拔分布特征受淋溶作用的影响较小。

研究成果发表在国际学术期刊Geoderma上。

贡嘎山东坡峨眉冷杉林土壤有机磷海拔分布特征

贡嘎山东坡峨眉冷杉林土壤有机磷形态赋存特征的概念模型

东北地理所在湿地黑碳研究中取得系列进展

黑碳是生物质或化石燃料不完全燃烧产生的具有多孔结构的稳定性碳，被认为是全球碳循环的重要组成部分。在大气传输过程中，黑碳气溶胶不仅可以影响全球气候变化，同时可作为载体传输持久性有机污染物；伴随大气环境中黑碳的沉降，土壤碳库中稳定性碳的比例和土壤理化性质都受到其显著影响。近百年来，人类活动的加剧使人为源黑碳的产生量逐渐增加。但目前国际上评估土壤中黑碳对自然生态系统影响的相关研究比较缺乏，特别是针对湿地生态系统的研究更加缺乏。

中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地演化与生态功能学科组于2012年开始逐步开展评估黑碳对湿地生态系统碳循环影响的相关工作，目前已完成对东北地区典型湿地分布区中黑碳储量以及近百年来黑碳沉积通量的重建工作。

研究结果表明，湿地中黑碳含量约占有机碳含量的5.4%，并以此推断全球北方泥炭地中黑碳储量约为290亿吨，相当于1100亿吨二氧化碳长期稳定地储存在泥炭地土壤碳库中。湿地生态系统黑碳沉积过程不仅受到区域经济发展的影响，同时也与各区域人类活动方式有着密切的关系。20世纪80年代之前，三江平原的农业资源开发和大兴安岭的林业资源开发均造成了黑碳沉积通量在当地湿地生态系统中明显增加，其中黑碳沉积通量在部分时期超过了100g C/m2.a。随着自然资源开发活动逐渐受到环境友好政策的限制，各区域人为活动对黑碳沉积通量影响的差异性逐渐降低，东北地区典型湿地的黑碳沉积通量主要受到区域经济发展和工业化程度的影响。20世纪80年代以后，东北东部地区的湿地黑碳沉积通量逐渐增加并明显高于西部地区。

通过一系列研究，重建了东北地区沼泽湿地黑碳累积历史，阐明了黑碳累积的空间分布差异，探讨了黑碳累积的影响因素，增进了对东北地区沼泽湿地固碳潜力的理解。在此基础上，首次估算了全球湿地稳定性碳(黑碳)储存量，其明显高于其它陆地生态系统，进一步论证了湿地生态系统的生态重要性。上述系统研究在湿地黑碳研究方面位于国际前列。

上述研究得到国家自然科学基金(41271209;41571191)、国家重大科学研究计划(2012CB956100)和国家重点研发计划(2016YFA0602300)的资助。研究成果发表在Land Degradation & Development，Geoderma、Journal of Soils and Sediments 等国际期刊上。

东北地理所在湿地黑碳研究中取得系列进展

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