中国耕地可持续利用研究获进展等近期6则科研进展|研究
导 读
近期6则科研进展。
来源：根据中国科学院网站相关报道整理
中国耕地可持续利用研究获进展
6月14日，中国科学院空天信息研究院再生资源遥感技术研究室副研究员左丽君以第一署名在Nature子刊Nature Sustainability上发表题为Progress towards sustainable intensification in China challenged by land-use change（《土地利用变化对中国耕地利用的可持续发展趋势形成挑战》）的研究性论文。
如何利用有限的耕地，以最低的生态环境代价，满足人类日益增长的粮食需求，是解决当今世界粮食安全问题的关键所在。这是全球性的重大议题，也是世界各国政府的共同挑战。中国作为迅速成长的大型经济体，其粮食安全的可持续性保障在解决全球粮食安全问题中举足轻重。
左丽君联合其它国内外七家单位的科研人员，通过四年努力，系统性地建立了耕地利用生态环境影响评估体系，并以中国土地利用时空数据库为基础，首次厘清了1980年代末以来，我国耕地的粮食产出与生态环境影响的时空变化过程，定量评估了农田管理措施改进和土地利用变化两大驱动因素对我国耕地产粮及其生态环境影响的贡献。
再生资源遥感技术研究室研究员张增祥及其团队长期开展土地资源与区域生态环境等遥感应用研究，组织并完成了时间序列的中国1:10万比例尺土地利用数据库、土壤侵蚀数据库、城市扩展数据库和1:25万比例尺土地覆盖数据库、生态环境综合背景数据库。该研究在此基础上，从水（量与质）、土地和气候三个方面，对我国耕地利用过程中的生态环境影响进行了全面、定量的评估，阐明了农田管理措施的改进在现阶段对耕地可持续利用的主导作用，同时揭示了以城镇化为主驱动的耕地空间格局转变对我国生态环境潜在且趋强的威胁。
文章指出我国粮食产量不断增加的同时，除灌溉耗水和磷肥过施以外，其它方面的生态环境影响在2000年以后呈现降低趋势，各方面指标的生态环境效率（即单位粮食产量的环境影响）均在提升，耕地利用总体朝着可持续的方向发展。
同时，城镇化过程导致了优质耕地的流失，新增耕地主要集中在我国北方地区，且有从东北向西北干旱半干旱区转移的特点。新增耕地单位粮食产量（以卡路里衡量）的土地资源消耗和灌溉用水消耗比流失耕地分别高47%和58%。耕地在空间分布上的这一转变，不仅将降低我国粮食的总体生产能力，直接影响我国的粮食安全，而且将严重威胁我国干旱半干旱区的生态环境。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41893-018-0076-2
1987年至2010年中国耕地产粮和生态环境影响总量及强度指标变化
不同时段耕地不变区（EC）、新增耕地（GC）、流失耕地（LC）生态环境影响指标强度对比（P1：1987-2000；P2：2000-2010；Pt：1987-2010）
酸性土壤中硝化作用和硝化微生物研究取得进展
硝化作用是氮素循环过程中非常重要的一个环节，它包括将铵态氮氧化成亚硝态氮的氨氧化过程和将亚硝态氮氧化成硝态氮的亚硝酸盐氧化过程，参与这两个过程的功能微生物分别是氨氧化微生物和亚硝化微生物。传统的观点认为，酸性土壤的硝化活性很弱，这是由于在酸性条件下，氨氧化微生物氨单加氧酶（AMO）的底物——NH3含量非常低，而且分离得到的氨氧化细菌均不能在pH<5.5的条件下生长。然而最近的研究发现酸性土壤（pH小于3.0）的硝化活性与中性土壤相当，甚至超过中性土壤。尤其是氨氧化古菌（AOA）的发现，被证实它能适应酸性土壤中低浓度的NH3环境，且在酸性土壤氨氧化过程中起主导作用。
中国科学院城市环境研究所姚槐应研究组从硝化作用和硝化微生物研究的新技术、酸性土壤硝化作用的新机制以及硝化微生物纯菌分离等方面，对酸性土壤的硝化作用及硝化微生物的最新进展进行了论述。15N同位素稀释法能准确量化土壤的总硝化作用速率，证实了在酸性土壤中存在高强度的硝化作用过程。氮氧双标和抑制剂法表明真菌是酸性土壤中异养硝化作用的主要功能微生物。氨氧化古菌适应酸性土壤的机制主要包括：1）AOA具有pH自我平衡系统，能根据环境条件调节细胞内外的pH；2）AOA对NH3具有高亲和力；3）有些AOA能直接以尿素为底物。
上述研究结果以Nitrification and nitrifiers in acidic soils 为题发表于Soil Biochemistry and Biology（2018, 116:290-301）。助理研究员李雅颖为第一作者，研究员姚槐应为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（41525002，41471206）和中科院先导专项（XDB15020301）等的支持。
图：酸性和中性土壤中底物浓度、硝化微生物活性和组成的差异
地球环境所揭示黄土高原自然和人为植被恢复模式下高精度土壤水分补给机制
水资源平衡和土壤侵蚀问题是黄土高原生态建设中两个核心的科学问题。大量研究表明，随着近20年来退耕还林还草工程在黄土高原的大规模实施，黄土高原土壤侵蚀显著减弱，河流泥沙也出现明显的减少。以黄河为例，2000-2015年期间黄河潼关站年均输沙量和汛期含沙量分别只有2.74亿吨和23.6 kg/m3，和20世纪80年代相比，减少了83%和61%。据估计，黄河泥沙减少的19.4%归因于降雨的减少，59.1%归因于林草建设、植被封禁、梯田、淤地坝等水保措施，13.6%归因于水库拦沙，7.9%归因于灌溉引沙、河道淤积以及其它因素。由此可见，林草建设和植被封禁等措施在控制土壤侵蚀方面发挥了重要的作用。然而，黄土高原在侵蚀泥沙大量减少的同时，水资源量也大幅降低，很多植被恢复较好的小流域出现多年不产流的现象。
在这种背景下，需要回答几个重要的科学问题，即：在大规模植被恢复背景下，植被恢复好的小流域，多大的降雨才能入渗到土壤，什么条件下才能产流，主要受什么因素控制？这些科学问题的解决，对于了解长期植被恢复背景下黄土高原水资源的演变具有十分重要的指示意义。
针对上述科学问题，中国科学院地球环境研究所研究员金钊及其合作者在国家自然科学基金面上项目（41573067）和重大项目（41790444）的资助下，选择黄土高原西峰南小河沟对比小流域董庄沟和杨家沟为研究对象（图1），研究了小流域在长期的自然（植被自然恢复）和人为（人工植树造林）植被恢复模式下降雨补给土壤水分的阈值条件和影响因素，即多大的降雨才能入渗到土壤的问题。
研究结果表明，针对高植被覆盖的草地小流域和低植被覆盖的森林坡地，单次或连续降雨量达到9 mm才能入渗到表层土壤（10 cm）；而对于高植被覆盖的沟谷森林，降雨量达到14 mm才能有效补给到表层土壤。植被盖度、地形特征和降雨模态（降雨强度、降雨量等）是影响降雨有效补给土壤的三个重要控制因素。在同等条件下，土壤水分的补给主要来自降雨总量大、降雨强度高的少数几场降雨；但在2016年整个生长季，降雨补给的土壤深度一直未达到100 cm（图2）。在四个观测点中，坡地森林由于盖度相对较低，林下植被稀少，基本处于裸露状态，使得坡地森林的入渗深度最深、速度最快、水分补给最大；而沟谷森林由于植被盖度高，林下植被丰富，郁闭度高，降雨较难补给到土壤，加之蒸腾量大，使得沟谷森林土壤水分亏缺最大，土壤水库最低。
此外，文章认为，针对自然恢复和人工造林这两种黄土高原最为重要的植被恢复模式，生态效益存在权衡，彻底否定任何一种模式都是不科学的，自然恢复有利于水资源的平衡，但在控制侵蚀和削减暴雨洪水方面远远弱于人工林地。因此，针对黄土高原的植被生态建设，需要采用更为全面科学的评估方法和指标。
上述研究成果发表于国际传统水文学杂志Hydrological Processes（Jin Zhao, Guo Li, Henry Lin, Wang Yunqiang, Yu Yunlong, Chu Guangcheng, Zhang Jing. Soil moisture response to rainfall on the Chinese Loess Plateau after a long‐term vegetation rehabilitation. Hydrological Processes. 2018, 32:1738–1754.）。
图1 西峰南小河沟对比小流域董庄沟（自然草地小流域）和杨家沟（人工森林小流域）
图2 自然草地和人工森林小流域不同降雨强度下水分补给的土层深度。15个降雨过程（P1-P15）被划分为四组，每一组对应不同的降雨强度和水分入渗深度特征，圆圈的大小表示降雨的强度，圆圈的颜色表示水分入渗的深度。
东北地理所揭示植被退化对草地土壤呼吸的影响
土壤呼吸是草地土壤碳输出的重要途径，其变化直接影响土壤肥力和大气CO2含量，并可能进一步影响粮食安全和全球气候。草地植被是决定土壤呼吸的一个重要因素。受异质性的环境条件驱动，草地植被群落存在空间差异，这种空间差异可能影响区域尺度土壤呼吸碳释放的评估。其次，在不同放牧干扰下，草地植被群落将表现不同的低矮稀疏退化程度。植被群落退化状态的差异将进一步限制区域土壤呼吸和碳释放的精准评估。因此，针对不同植被群落，揭示放牧驱动的植被退化对土壤呼吸的影响，有助于准确评估区域土壤碳动态，并改善草地管理、提高草地持续力。
中国科学院东北地理与农业生态研究所草地农牧业学科组在长岭草地农牧生态研究站以松嫩草地羊草和虎尾草（Leymus chinensis 和 Chloris virgata）两种典型植物群落为研究对象。通过两年的野外研究，分析了两种植物群落在放牧驱动的不同退化状态下的植被、土壤和土壤呼吸特征。
结果表明，在两个群落中，地上生物量、根系生产力、枯落物数量和土壤微生物生物量随植被覆盖退化显著降低。由轻度退化到重度退化，两群落土壤有机碳、总氮和总磷含量分别降低了14.1-15.4%、10.9-12.3%和10.7-11.9%；土壤容重和pH分别增加了9.1-9.3%和4.6-5.2%。综合两年结果，从轻度退化到重度退化，两群落根系呼吸和微生物呼吸速率分别降低了35.9-43.5%和28-34.4%。相比羊草群落，虎尾草群落根系呼吸对植被退化响应更为敏感。植被退化并未改变两群落根系呼吸和土壤微生物呼吸的温度敏感性，但虎尾草根系呼吸的温度敏感性显著高于羊草。以上结果表明：1）在松嫩草地，植被退化导致显著的土壤退化；2）植被退化限制土壤呼吸和碳释放，但更大程度地降低土壤的生物量碳输入，最终导致土壤有机碳含量降低；3）松嫩草地植被退化不会改变潜在增温对土壤呼吸的影响；4）对比羊草群落，未来增温对一年生虎尾草群落的根系碳积累的潜在限制更强。结合实际的放牧和草场管理，研究人员提出在中、重度退化草地，为恢复植被和土壤，围封是必要的；在轻度退化草地，建议放牧强度不应超过2个羊单位/年。同时为提高饲草生产、增加土壤碳、氮截获及其稳定性，可采取措施向草地中补播羊草等多年生牧草及豆科植物。
上述研究工作得到了国家重点研发计划项目（2016YFC0500606）和吉林省产业创新专项资金项目（2016C016）的资助。相关研究成果发表在国际学术期刊Land Degradation and Development上。东北地理所草地农牧业学科组助理研究员李强为论文的第一作者，李强和研究员周道玮为论文共同通讯作者。
文章链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ldr.2986
图：不同退化植被群落的土壤呼吸季节变化
东北地理所揭示CO2浓度升高对大豆根际微生物群落结构的影响
以CO2浓度升高为主要特征的全球气候变化已经对农田生态系统产生重大影响，成为全球农业可持续发展的严峻挑战。CO2浓度升高影响植物生理代谢过程，导致植物根系分泌物的总量和化学组成发生改变，进而可能影响土壤微生物群落结构和生态功能。由于土壤微生物驱动碳氮循环，参与土壤养分转化，揭示CO2浓度升高条件下，根际土壤微生物的群落结构及其与土壤农化指标的关系对土壤生产力可持续发展和提高农业生产的气候变化适应性将产生重要意义。
为此，中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组助理研究员于镇华、李彦生和研究员金剑等采用OTC植物生长箱，以自然状态CO2浓度条件下生长的大豆为对照，采用qPCR及高通量测序（MiSeq）技术，对比研究了高CO2浓度（550 ppm）条件下4种主栽大豆品种根际微生物群落结构组成的变化。
研究证实CO2浓度升高对东北黑土生长的大豆根际细菌群落结构产生明显的影响（图1），发现高CO2浓度显著影响15个细菌属的丰度，而且这种影响程度在不同大豆品种间存在差异；在真菌研究方面，发现CO2浓度升高显著改变了真菌群落结构并提高了部分大豆品种根际真菌丰度（图2），微生物网络分析表明CO2浓度升高简化了土壤真菌的网络结构及关键菌属（图3），而这些变化与土壤理化性质密切相关。此研究结果将有助于预测我国东北黑土微生物对全球气候变化的响应机制及其与土壤质量的变化关系。
相关研究结果发表在Agriculture, Ecosystems & Environment（2016，2018）上，于镇华和李彦生为共同第一作者，金剑为通讯作者。研究得到了中科院百人计划、黑龙江省杰出青年科学基金（JC201413）以及国家自然科学基金(41201247, 41271261, 31501259）的联合资助。
论文信息：
1. Zhenhua Yu, Yansheng Li, Guanghua Wang, Junjie Liu, Judong Liu, Xiaobing Liu, Stephen James Herbert, Jian Jin. Effectiveness of elevated CO2 mediating bacterial communities in the soybean rhizosphere depends on genotypes. Agriculture, Ecosystems and Environment 231 (2016) 229–232.
2. Zhenhua Yu, Yansheng Li, Xiaojing Hu, Jian Jin, Guanghua Wang, Caixian Tang, Junjie Liu, Xiaobing Liu, Ashley Franks, Elenora Egidic, Zhihuang Xie. Elevated CO2 increases the abundance but simplifies networks of soybean rhizosphere fungal community in Mollisol soils. Agriculture, Ecosystems and Environment 264 (2018) 94–98.
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880916303577
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880918301968
图1 CO2浓度升高（eCO2）和不升高（aCO2）条件下不同大豆品种根际细菌群落结构PCoA分析
图2 CO2浓度升高（eCO2）和不升高（aCO2）条件下不同大豆品种根际真菌丰度和群落结构PCoA分析
图3 CO2浓度升高（eCO2）和不升高（aCO2）条件下不同大豆品种根际真菌群落网络结构Zi-Pi图
树木土壤微生物群落对磷添加、干旱的响应研究获进展
土壤微生物是生态系统中的重要组成部分，其需要磷、氮、碳、水等多个必需的资源来提供能量和合成大分子物质，同时也依赖于适宜的温度、pH、土壤含水量等环境因子，进而维持其在生态系统中的正常的功能。土壤中的磷和水是限制生态系统生产力的重要因子，有效磷的改变和土壤水分的减少可以通过改变土壤碳氮和其他养分循环不可避免地影响土壤微生物。由于土壤条件和树种特性的不同，植物和土壤微生物对外源磷添加的响应可能不同。对大多数土壤类型而言，即使是肥沃的土壤也常常缺乏供植物吸收的有效磷。干旱也可以减少土壤中磷的移动性，导致土壤有效磷在干旱条件下愈加缺乏。尽管磷和土壤微生物对维持生态系统生产力和稳定性十分重要，但很少有人研究磷、干旱和树种特性协同影响土壤微生物对干旱环境的响应过程。
巨桉（Eucalyptus grandis）属高大常绿乔木，喜光、喜温润气候，是非固氮植物，原产于澳大利亚，是重要的短周期工业原料和绿化植物物种，因其速生性和良好的经济效益，广泛引种栽培于我国西南地区，为我国提供了一半以上的国产木质原材料。桤木(Alnus cremastogyne)是我国特有树种，喜光、喜温暖气候，为重要的荒山绿化落叶树种，是非常重要的非豆科固氮植物。
中国科学院成都生物研究所生态过程与生物多样性保育学科团组来自尼日利亚的留学生Olusanya A. Olatunji在博士生导师潘开文的指导下，研究了磷添加、水分亏缺、种植固氮树种桤木、非固氮树种巨桉对土壤原生动物、土壤微生物和酶活性的单独及其交互作用。
研究表明：干旱、磷添加及其相互作用对土壤微生物群落和化学性质的影响因地上树种的种类不同而有差异。与无干旱处理相比，干旱显著地降低了土壤变形虫、纤毛虫、总原生动物和大部分微生物群落的丰度，但与固氮植物相比，非固氮植物下的效果更显著。磷添加和干旱处理的交互作用提高了土壤硝态氮（NO3 - N）和溶解有机氮（DON）含量。在干旱条件下，磷添加显著提高了非固氮树种土壤的纤毛虫、鞭毛虫、变形虫和总原生动物的平均丰度，显著增加了固氮树种土壤的放线菌、革兰氏染色阳性菌、总细菌。此外，研究显示，施用磷对土壤微生物的影响效果取决于其与干旱的相互作用，也取决于地上树种的特性，在干旱事件发生时可以增加大多数土壤生物群落的稳定性。该研究揭示了磷添加和固氮树种对维持干旱条件下土壤微生物功能的重要性，有助于在不利气候条件下为森林生态系统的可持续管理和造林绿化提供依据。
该研究得到国家重点研发计划（2016YFC0502101 ，2017YFC0505000）、国家自然科学基金（31370632，31500517）等项目的资助，近日以Influence of phosphorus application and water deficit on the soil microbiota of N2-fixing and non-N-fixing tree 为题发表在国际期刊Ecosphere上。
论文链接
https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ecs2.2276
复层巨桉人工林
桤木人工林
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