近期4则土壤科研进展|研究

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近期4则土壤科研进展。

来源：根据中国科学院网站近期相关报道整理。

地理资源所在全球变化与陆地生态系统碳氮磷循环方面取得系列进展

陆地生态系统碳-氮-磷循环及其耦合是生态系统生态学的核心研究内容之一，但是研究人员对全球变化背景下驱动碳氮磷循环及其耦合过程变化的机理认识尚不完善。中国科学院地理科学与资源研究所牛书丽研究组基于全球变化控制实验和数据整合分析（meta-analysis）两种主要研究手段，在该领域取得如下成果：

研究组整合112个全球变化控制实验和中国自然梯度上1900种植物的化学计量，发现全球变化（如氮和磷富集、干旱、增温、增加CO2）显著改变陆地植物氮和磷与其它7种元素之间的化学计量平衡，并基于大尺度数据提出新的化学计量概念框架：变化环境中植物元素浓度及它们之间的化学计量平衡不仅受到土壤养分的影响，同时还受到植物本身维持其多种功能养分需求的影响（Tian et al. 2018, New Phytologist)。研究为认识植物多元素化学计量平衡对全球变化的响应机理提供新的视角。

通过整合分析中国“退耕还林还草”工程数据，揭示由农田转变为自然生态系统过程中，持续增加的土壤碳通过增强离子吸附和降低离子流失促进土壤无机氮的持留。研究指出生态恢复工程不仅促进土壤碳的固持，同时还会增加土壤无机氮的固持能力，进而降低氮流失和N2O排放，这对更加全面地理解退耕还林还草工程的环境效应提供了新的实验证据和思路 (Tian et al. 2018, Land Degradation & Development)。

他们整合分析了全球44个氮梯度控制实验揭示持续增加的氮沉降引发全球陆地生态系统初级生产力的氮饱和响应 (Tian et al. 2016, Environmental Research Letters)，并基于全球106个氮添加实验发现氮沉降导致全球土壤pH值显著降低0.26个单位，同时引起土壤阳离子丢失和增加有毒离子（Al3+和Mn2+）(Tian et al. 2015, Environmental Research Letters)；该项研究首次在全球尺度上量化了氮沉降引起的土壤酸化效应，自2015年发表以来受到同行广泛关注。

陆地生态系统生产力同时受到氮或磷素的限制，但其对两者之间的交互作用的响应还不明确。基于全球50个氮磷添加实验，发现氮富集加剧生态系统初级生产力对磷的依赖性(Li et al. 2016, Global Change Biology)。该研究自2016年发表以来同样也受到广泛的关注。

氮循环的不同途径对氮沉降的响应及其生物学机制是生态系统与全球变化研究中比较薄弱的环节，以往相关假说都是假设不同氮循环途径在响应时间上有先后顺序，氮的丢失只有在生态系统氮饱和之后才会出现。通过整合分析全球氮添加控制实验、系统综述以往氮循环假说并结合模型模拟结果，发现不同的氮循环过程对氮的竞争是同时进行的，氮的丢失与氮的吸收是同步发生的。并进一步发现土壤底物无机氮可以很好地解释不同氮循环过程的响应格局，基于此研究组提出“氮基质控制假说”（Niu et al. 2016, Ecology Letters)。该假说从生态和生物学机理上揭示了生态系统氮循环的普遍规律，可以更好地解释氮循环过程机理，并为更准确地预测全球变化背景下氮循环动态提供实验证据和理论基础。

为了进一步验证以上普遍机理，研究组以青藏高寒草甸和中国东部森林为例，通过氮和磷添加控制实验，揭示了更详细的机理，如发现中国典型森林小树主要受到磷限制，而大树则不受影响 (Li et al. 2018, Functional Ecology)，相关成果也发表在国际期刊比如Li et al. 2018, Science of the Total Environment; Ma et al. 2018, Journal of Geophysical Research-Biogeosciences; Song et al. 2017, Biogeoscience; Tian et al. 2016, Functional Ecology。

上述研究受到国家自然科学基金杰青项目(31625006)、国家重点研发计划课题（2016YFC0501803）、青年千人计划等的资助。

相关发表成果：

1. Tian D, Reich PB, Chen HYH, Xiang Y, Luo Y, Shen Y, Meng C, Han W, Niu S*. 2018. Global changes alter plant multi-element stoichiometric coupling. New Phytologist. doi: 10.1111/nph.15428

2. Tian D*, Xiang Y, Wang B, Li M, Liu Y, Wang J, Li Z, Niu S*. 2018. Cropland abandonment enhances soil inorganic nitrogen retention and carbon stock in China: a meta-analysis. Land Degradation & Development. doi:10.1002/ldr.3137

3. Li Y, Tian D*, Yang H, Niu S*. 2018. Size-dependent nutrient limitation of tree growth from subtropical to cold temperate forests. Functional Ecology, 32(1):95-105.

4. Li Y, Sun J, Tian D, Wang J, Ha D, Qu Y, Jing G, Niu S*. 2018. Soil acid cations induced reduction in soil respiration under nitrogen enrichment and soil acidification. Science of the Total Environment, 615: 1535-46.

5. Ma F, Song B, Zhang F, Quan Q, Zhou Q, Niu S*. 2018. Ecosystem carbon use efficiency is insensitive to nitrogen addition gradient in an alpine meadow. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences.

6. Song B, Sun J, Zhou Q, Zong N, Li L, Niu S*. 2017. Initial shifts in nitrogen impact on ecosystem carbon fluxes in an alpine meadow: patterns and causes. Biogeosciences, 14(17):3947-56.

7. Li Y, Niu S*, Yu G. 2016. Aggravated phosphorus limitation on biomass production under increasing nitrogen loading: a meta-analysis. Global Change Biology, 22(2):934-43.

8. Niu S*, Classen AT, Dukes JS, Kardol P, Liu L, Luo Y, Rustad L, Sun J, Tang J, Templer PH, Thomas RQ. 2016. Global patterns and substrate-based mechanisms of the terrestrial nitrogen cycle. Ecology Letters, 19(6):697-709.

9. Tian D, Wang H, Sun J, Niu S*. 2016. Global evidence on nitrogen saturation of terrestrial ecosystem net primary productivity. Environmental Research Letters, 11(2):024012.

10. Tian D, Niu S, Pan Q, Ren T, Chen S, Bai Y, Han X. 2016. Nonlinear responses of ecosystem carbon fluxes and water-use efficiency to nitrogen addition in Inner Mongolia grassland. Functional Ecology, 30(3):490-9.

11. Tian D, Niu S*. 2015. A global analysis of soil acidification caused by nitrogen addition. Environmental Research Letters, 10(2):024019.

南京土壤所在华北平原小麦根际微生物群落相互关系研究中取得进展

根际蕴含了丰富的微生物类群，根际微生物之间的竞争、合作关系共同促进了根际微环境的稳定及养分循环过程，对作物的生长和健康起着重要作用。根际微生物相互关系的研究目前主要局限在控制试验下，而缺乏大的空间尺度下根际古菌、细菌、真菌群落之间相互关系及其影响因素的研究。

基于此，中国科学院南京土壤研究所褚海燕课题组利用共存关系网络分析 (co-occurrence network) 研究了大尺度下华北平原小麦根际古菌、细菌、真菌群落之间的相互关系，重点探索根际微生物网络的复杂性与稳定性，并挖掘根际核心微生物 (keystone species) 菌群。研究发现，与非根际土壤微生物相比较，根际微生物网络结构相对简单却更加稳定；土壤pH与微生物多样性对网络的大小和连接性都起到正反馈作用；网络中的核心菌群具有相对灵活的代谢特征，并且根际中核心菌群受环境因子的扰动作用较小。

该研究阐明了根际微环境中相对简单但更加稳定的微生物群落，解析了影响微生物网络特性的生物与非生物因素，并从网络结构稳健性角度挖掘了核心微生物菌群及其扰动因素，为今后重建稳定的农田微生物群落提供了科学依据。

该研究成果发表在Soil Biology and Biochemistry上。

文章链接 

 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071718302505

非根际与根际微生物共存网络（上图）；环境因子对核心微生物的扰动（下图）。

新疆生地所在土壤水对降水的影响研究中获进展

土壤水是一个非常重要的地表参数，它可以影响大气和陆地表面之间能量和水的传递，进而影响天气甚至气候。探究土壤水和降水的相互关系是大气—陆面耦合系统中的一个研究重点，对水和能量循环及天气预报等具有重要意义。降水对土壤水的影响是显而易见的，然而土壤水对降水的影响涉及复杂的大气过程且无法直接观测，目前仍是一个备受争议的问题。

为了探究这一问题，中国科学院新疆生态与地理研究所研究员陈亚宁团队基于ESA CCI土壤水分遥感数据、CRU降水再分析数据和MODIS的蒸散发数据，利用convergent cross mapping方法检测了北半球中低纬度地区土壤水对降水的影响，并尝试解决以下3个问题：（1）土壤水是否影响降水；（2）如果有影响，影响可以持续多久；（3）土壤水对降水的影响在不同的气候条件下是否有所不同。

研究结果表明，土壤水对降水有积极的影响，且这种影响在土壤水发生变化之后的一个月最为强烈，三个月之后显著降低，由此推断土壤水在次季节尺度上对降水有影响。此外，随着气候由干变湿，土壤水对降水的影响先增大后减小，最强的影响出现在半干旱半湿润地区（土壤水的体积含水量约0.15-0.2m3.m-3）。

相关研究以Detecting the causal effect of soil moisture on precipitation using convergent cross mapping 为题发表于《科学报告》（Scientific Reports）。

文章链接

https://www.nature.com/articles/s41598-018-30669-2

新疆生地所在土壤水对降水的影响研究中获进展

新疆生地所在土壤水对降水的影响研究中获进展

版纳植物园揭示间作植物在改善橡胶林的土壤物理化学特性中的作用

近30年来，东南亚部分地区及西双版纳最显著的土地利用变化就是大面积的原始热带森林被结构单一的纯橡胶林所替代。尽管橡胶种植带来了经济的繁荣，但对生态环境造成的负面影响（如：土壤板结、土壤侵蚀和质量退化等）也是不争的事实。

为定量评价间作植物对纯橡胶林土壤物理化学性质的改良效果，中国科学院西双版纳热带植物园生态水文研究组博士研究生陈春峰在研究员刘文杰等的指导下，以原始热带雨林、纯橡胶林和橡胶复合林为研究对象，对不同林型的土壤物理结构、水文特性、水分和养分变化特征进行了相关实验。

结果表明：热带雨林转换为纯橡胶林后，其土壤质量遭受了严重的退化（较差的物理结构和水分条件，较低的田间持水量、饱和持水力，不稳定的团聚体特征以及大量的水土养分流失等）；与纯橡胶林相比，橡胶复合林中的间作植物明显改善了橡胶林的土壤物理性质，优化了土壤结构和水文条件（容重降低、总孔隙度和毛管孔隙度增大、饱和持水力和导水率增强等）、提高了土壤团聚体的稳定性（大团聚体数量和水稳定性显著提高）和土壤水分含量，同时也改善了土壤的养分状况（C、N、P、Ca、Mg等）。因此，与单一橡胶种植诱发的土壤肥力和质量退化相比，间作植物改善了橡胶林的土壤物理化学和水文特性、促进了养分的不断累积。

相关结果以Can intercropping with the cash crop help improve the soil physico-chemical properties of rubber plantation? 为题，发表在期刊Geoderma上。该研究得到“全国博士后创新人才计划”（BX201700278）、版纳植物园“135”方向一（2017XTBG-F01）、国家自然科学基金（31570622）等资助。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706118307250

间作植物改善了土壤的物理化学特性 

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