近期4则土壤科研进展|研究

导  读

植被恢复对喀斯特生态系统土壤氮固持研究获进展；新疆生地所在土地利用与土壤有机碳储量研究方面获进展；华中农业大学土壤环境微生物团队揭示重金属汞与微生物相互作用新进展；东北地理所在中国干旱-半干旱区土地退化与恢复遥感监测方面取得新进展。

来源：根据中国科学院、中国科学院东北地理与农业生态研究所、华中农业大学资源与环境学院等单位网站近期相关报道整理。

植被恢复对喀斯特生态系统土壤氮固持研究获进展

近日，中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站研究员王克林团队在西南喀斯特植被恢复对土壤氮固持研究方面取得新进展。

氮素是生态系统的主要限制性元素之一，剧烈的人类活动会引起土地退化并导致土壤氮素的分解和流失。我国西南喀斯特区是受耕作活动干扰的生态脆弱带，围绕喀斯特地区石漠化治理与生态恢复，国家实施了退耕还林还草等一系列生态恢复工程。但前期研究表明喀斯特生态系统恢复初期主要受氮素限制，对植被恢复过程中的土壤氮固持潜力尚缺乏有效评价；同时，喀斯特区具有基岩广泛出露、土层浅薄且不连续的特点，独特的地质环境因子对植被恢复下的土壤氮固持效应的影响也缺乏明确认识。

针对这一科学问题，王克林与副研究员张伟共同指导博士生刘欣等在典型西南喀斯特流域采取10年的定点研究，在2005年和2014年分别收集了358个土壤定点数据。以耕地和人工牧草地为对照，通过分析不同植被恢复方式（耕地撂荒、耕地转为人工牧草地、耕地转为人工林、耕地转为人工林和牧草混种、人工牧草地撂荒、人工牧草地转为人工林和牧草混种）下的土壤全氮、有机碳变化特征并记录相应的环境因子信息，揭示了喀斯特生态系统植被恢复过程中土壤氮固持的趋势与机制。

研究结果发现，植被恢复过程中喀斯特生态系统土壤氮素含量显著提高，其中人工牧草撂荒和人工牧草转为人工林与牧草混种的恢复模式也显著提高了土壤氮素含量，但土壤氮储量均无显著变化。这是由于喀斯特区基岩出露影响了养分元素（土壤有机碳含量、土壤钙离子含量等）的再分布，从而间接影响喀斯特生态系统土壤氮储量，导致土壤氮固持能力并没有随氮含量的变化而显著变化。植被恢复过程中土壤碳储量以及碳氮比值显著增加，说明喀斯特生态系统在植被恢复初期土壤碳、氮的积累存在脱耦现象。研究还表明土壤碳氮比值的变化与土壤氮储量显著相关，说明植被恢复过程中土壤碳和氮之间的耦合可能会受制于土壤氮固持能力。因此，为了退化喀斯特生态系统的快速恢复，需要在植被恢复早期采取能够提高土壤氮固持能力的生态恢复措施。

该研究近期以Changes in soil nitrogen stocks following vegetation restoration in a typical karst catchment 为题，发表在Land degradation & Development上。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会等的支持。

论文链接 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.3204

图1 不同恢复模式下土壤氮含量（a）和土壤氮储量（b）的变化

图2 结构方程模型分析环境因子对土壤氮储量的直接和间接作用

新疆生地所在土地利用与土壤有机碳储量研究方面获进展

土地利用／覆被变化是造成全球变化和碳循环不平衡的重要原因之一，在土地利用／覆被变化的影响下，土壤碳库既可能变成大气中CO2的“源”，也可能变成“汇”。研究区域的土地利用格局转变及其引起的碳平衡效应，有助于揭示人类活动对环境的影响，促进区域土地资源的科学管理和可持续发展。

塔里木河地处中国西北干旱区，是中国最长的内陆河。近几十年以来，在人类活动强烈作用和区域气候变化双重驱动下，塔里木河干流区土地利用／覆被发生了十分复杂的结构变化和相互转换，对区域气候、水文和生物多样性等产生了重要影响。

中国科学院新疆生态与地理研究所副研究员杨玉海结合野外调查和遥感影像资料，研究了2000至2010年塔里木河干流土地利用／覆被变化，探讨土地利用转换对土壤有机碳密度和区域土壤有机碳储量的影响。研究发现2001至2010年期间，塔里木河干流不同土地利用／覆被类型的面积和组成结构发生了变化。耕地、居工用地和灌丛地呈增加趋势，林地、草地、水体和裸地呈减少态势，且林地减少幅度最大。林–草、林–裸、草–裸、灌–裸、草–灌和林–灌的转换方式引起土壤有机碳储量损失，土壤碳库功能表现为大气CO2的“源”；裸–草、裸–林、裸–灌、灌–草、灌–林和草–林转换方式使得土壤有机碳储量增加，土壤碳库功能表现为大气CO2的“汇”。

该成果以Land-use/cover conversion affects soil organic-carbon stocks: A case study along the main channel of the Tarim River, China 为题发表在Plos One上。

文章链接

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0206903

华中农业大学土壤环境微生物团队揭示重金属汞与微生物相互作用新进展

华中农业大学资源与环境学院土壤环境微生物团队刘玉荣教授课题组关于重金属汞污染与微生物群落相互作用研究新进展分别以“Consistent responses of soil microbial taxonomic and functional attributes to mercury pollution across China.”和“Unraveling microbial communities associated with methylmercury production in paddy soils”为题发表在环境微生物和环境科学领域主流期刊《Microbiome》和《Environmental Science & Technology》上。

论文中对重金属汞污染与微生物的现状介绍到，汞是一种可以长距离传输的有毒污染物，具有很高的健康和生态风险。我国《土壤污染防治行动计划》将重金属汞列为重点监测的污染物之一。土壤微生物可以将无机汞转化为毒性更大的甲基汞。甲基汞具有高度的神经毒性，容易随食物链富集与放大，威胁人类健康安全。近年来，科学家发现某些地区大米富集甲基汞，而水稻甲基汞主要来源于土壤微生物对无机汞的甲基化。因此，研究土壤中汞的微生物甲基化过程对于防控土壤汞的环境风险具有重要意义。

除此之外，课题组在论文中还就研究现状及难题进行了阐述。一方面，对于土壤中参与汞甲基化的微生物类群一直不清楚，影响了土壤汞污染的防治与修复工作的推进。另一方面，土壤汞污染不仅影响地上作物生长与粮食安全，也影响土壤微生物群落多样性与结构，从而影响土壤生物地球化学循环和生态服务功能。近期，本课题组通过与中国科学院生态环境研究中心、美国橡树岭国家实验室、美国科罗拉多大学、浙江大学等单位合作，采用多元组学等方法揭示了长期土壤汞污染对土壤微生物群落与功能基因的影响机制（图1），并基于微生物群落网络分析解释了土壤汞污染对主要微生物生态类群的影响。此外，研究结果阐明了稻田土壤中参与无机汞甲基化的主要微生物类群及其相对丰度（图2），发现铁还原菌和产甲烷菌可能是稻田土壤甲基汞生成的主要驱动者。这些研究结果可为土壤重金属环境风险管控和土壤修复策略的制定等提供重要的理论参考。

图1 土壤微生物生态类群对汞污染响应

图2 稻田土壤主要汞甲基化微生物类群

上述研究受国家自然科学基金和华中农业大学人才引进项目资助。

论文链接：

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-018-0572-7

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.8b03052

东北地理所在中国干旱-半干旱区土地退化与恢复遥感监测方面取得新进展

气候变化和人类活动影响下的土地退化是一项十分严峻的全球性环境问题。定量分析土地退化及其恢复情况，对于可持续的生态系统管理和社会经济发展决策至关重要。中国干旱-半干旱区，面积约为456万平方公里，占我国陆地面积的47%，年降水量在400 mm以下，区域生态系统十分脆弱，是中国乃至全球土地退化的重要分布区，也是我国一系列生态工程的重点实施区域。然而，该区土地退化与恢复情况的研究仍不够全面，尤其缺乏定量化数据的支撑。遥感技术和大数据处理分析技术的不断发展，为中国干旱-半干旱土地退化与恢复的监测提供了切实可行的研究手段。

中科院东北地理所地理景观遥感学科组研究人员利用中国科学院构建的ChinaCover土地覆被数据集，探讨了中国干旱-半干旱区的1990-2010年间土地覆被类型转化情况，并利用美国NASA发布的MODIS遥感产品，分析了该区2000年以来植被、生态系统和环境背景信息的变化情况。该研究首次从土地覆被变化、植被生态参量变化、环境背景参量变化三个维度，报道了中国干旱-半干旱区的土地退化与恢复情况。

图1990-2010年中国干旱-半干旱区土地覆被变化情况

研究发现：农业耕垦是中国干旱-半干旱区自然生态系统损失和退化的主要原因，政策推动下的基建用地扩张对自然生态系统和耕地均造成了重要的影响。森林砍伐、荒漠化、草地退化、湿地损失、占用耕地等现象仍十分明显。尽管一系列的生态工程在土地恢复和生态系统改善方面取得了明显的成绩，但仍需要不断地总结经验，以指导将来的生态文明建设，进而应对当前社会经济发展对区域生态系统管理所带来的新挑战。论文取得的定量化数据可为中国干旱-半干旱区生态系统的可持续管理决策提供科学支撑。

图 中国干旱-半干旱区主要生态系统参量年际变化趋势

图 中国干旱-半干旱区主要环境参量年际变化趋势

该研究由东北地理所毛德华副研究员、王宗明研究员、中科院遥感与数字地球研究所吴炳方研究员和曾源研究员等共同完成。成果发布在土地退化领域顶级期刊Land Degradation & Development上。该研究由中国科学院战略性先导科技专项子课题（XDA19040500）和国家重点研发计划子课题（2016YFC0500201）、中国科学院青年促进会人才基金（2017277，2012178）共同资助。

论文信息：Mao D.H., Wang Z.M., Wu B.F., Zeng Y., Luo L., Zhang B., 2018. Land degradation and restoration in the arid and semiarid zones of China: quantified evidence and implications from satellites. Land Degradation & Development, 29: 3841-3851. 

链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.3135

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