国内土壤科研进展（2019年第1期）|研究

导  读

南京土壤所提出生物炭减少氮损失和促进作物生产全球方案；南京土壤所揭示锑在铁锰氧化物表面氧化吸附分子机理；亚热带生态所等在水稻土甲烷厌氧氧化特征及研究方法方面获进展。

来源：根据中国科学院网站近期相关报道整理

南京土壤所提出生物炭减少氮损失和促进作物生产全球方案

全球人口增加和大量化学氮肥施用引起的生态环境问题受到广泛关注。生物炭被认为能减少土壤氮损失和提高作物产量，其区域适宜性直接影响到生物炭施用的经济和社会效益。

中国科学院南京土壤研究所谢祖彬课题组利用Machine learning和meta-analysis技术，开展了生物炭对全球作物生产、土壤氮循环和区域减排效应研究。结果表明生物炭能减少N2O排放和氮淋溶，但增加NH3挥发，尤其增加pH<5、有机碳<10 g kg-1和粘重土壤上的NH3挥发。1次用量超过80吨/公顷将减少作物产量，超过40吨/公顷将增加氮损失。先前认为宜用生物炭的热带区域比温带地区更容易造成氮损失。该研究提出了生物炭用量、类型与区域土壤相匹配，实现生物炭增加作物产量和减少氮损失的全球方案。

上述研究成果发表在Global Change Biology 和Plant Soil上。

文章链接

1 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.14613

2 https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-018-3619-4

生物炭增加作物产量和减少氮损失全球方案

南京土壤所揭示锑在铁锰氧化物表面氧化吸附分子机理

 锑（Sb）和砷（As）属于同一主族，具有潜在的致癌风险，但与其它有毒金属如Hg和As等相比，人们对Sb的环境污染过程还缺乏系统认识。Sb在环境中常以Sb(Ⅲ)和Sb(V)形式存在。水钠锰矿是自然界中一种常见矿物，具有较强的吸附和氧化能力；酚类有机酸是土壤有机质中具有较强的氧化还原活性的一类基团。他们在Sb的迁移和转化过程中扮演着重要角色。然而，人们对Sb与二者的反应分子机制仍不清楚。

为此，中国科学院南京土壤研究所研究员王玉军团队对Sb在水钠锰矿表面的吸附和氧化机制开展了深入探究。研究发现：水钠锰矿的边缘位点对Sb的氧化和吸附起着至关重要的作用，具有较多边缘位点的水钠锰矿对Sb具有更强的氧化和吸附能力。Sb(Ⅲ)在水钠锰矿的边缘位点被迅速氧化，但氧化过程会因产物的堵塞而被钝化。氧化反应后Sb(V)为水钠锰矿表面的主要Sb形态。Sb(V)主要吸附于水钠锰矿边缘位点，形成单齿单核络合结构。该研究揭示了Sb在水钠锰矿表面的氧化和吸附机制，可为环境中Sb污染风险评价及Sb污染场地修复方案的制定提供理论依据。相关研究结果发表于Chemical Engineering Journal (2018，342, 429-437)和Environmental pollution (2019, 246, 990-998)。

此外，该团队与华南理工大学教授石振清合作发展了一套机理性动力学模型用以预测Sb在水钠锰矿表面的氧化吸附动力学过程。模型结果显示，Sb(Ⅲ)的氧化速率随时间增加而迅速降低；水钠锰矿可迅速吸附Sb(Ⅲ)，而吸附Sb(V)的速率则相对较慢。该模型较好刻画了Sb在水钠锰矿表面的吸附/解吸-氧化还原耦合动力学行为，有助于进一步发展综合性动力学模型预测Sb的环境行为。相关研究结果发表于Environmental Science: Processes & Impacts (2018,20, 1691-1696)，论文入选该刊2018年度亮点文章。

土壤中有机质组分复杂，其中广泛存在的酚类基团使其具有较高的氧化还原活性。研究发现碱性条件下小分子酚酸能够产生半醌类自由基（SQ·ˉ），并在有氧条件下产生H2O2和·OH等活性氧基团，将Sb(Ⅲ)氧化为Sb(V) (Chemical Engineering Journal 2019，356, 190-198)，进而影响Sb在针铁矿表面的吸附过程。随着体系碱性增强，Sb(Ⅲ)在针铁矿表面的吸附得到显著抑制，并在针铁矿表面形成双齿共边的内圈配位构型。该研究结果进一步揭示Sb在环境中氧化的分子机制，为预测其在高有机质含量土壤中转化迁移行为提供理论支撑 (Chemical Engineering Journal 2019, 369: 414-421)。

文章链接

1 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894718303048

2 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749118330562

3 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/em/c8em00323h#!divAbstract

4 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894718317169

5 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719305509

Sb在水钠锰矿表面的氧化吸附机制图 

Sb在两种不同水钠锰矿表面的反应机制图 

Sb在氧化锰表面的反应动力学及模型拟合结果

酚类有机酸介导氧化Sb的反应机制图 

亚热带生态所等在水稻土甲烷厌氧氧化特征及研究方法方面获进展

在海洋沉积物中，厌氧甲烷氧化（Anaerobic Oxidation of Methane, AOM）的甲烷消耗量为20-300 Tg CH4 yr-1，占全球大气甲烷通量的60-80%，对全球甲烷平衡和气候变化有重要意义。湿地是陆地生态系统最主要的甲烷生物源之一，也是AOM发生的理想场所，但其发生机制仍不清楚。

稻田作为一种典型的人工湿地，高强度的人为干扰使其物理化学生物特性与天然湿地存在显著差异。稻田土壤AOM过程的研究对正确认识甲烷循环及全球变化背景下稻田管理措施的合理制定有特殊意义。目前最常用的土壤AOM活性测定方法为室内震荡培养法。这种方法一定程度上解除了甲烷在土水中的扩散限制，与真实情况相比，引入误差的风险较大。为解决该问题，中国科学院亚热带农业生态研究所研究员吴金水团队联合德国哥廷根大学的研究人员采用新型替代培养法（图1），实现了对中科院长沙农业环境观测研究站长期定位试验水稻土AOM活性的原位测定。该方法通过硅胶管将13C标记的甲烷直接注入土壤中，以替代震荡处理，模拟土壤自产甲烷的扩散过程。经过59天的培养，静置培养的累积13C甲烷氧化量比摇动培养高出了33-80％。在静置培养条件下，培养瓶中的甲烷浓度不断增加，而在摇动培养下甲烷浓度无显著变化。这表明震荡处理同时抑制了甲烷的产生与厌氧氧化过程（图2），与传统方法相比，硅胶管替代培养法是一种更有效的土壤甲烷循环研究方法。将该研究测量的甲烷产生和氧化速率与文献报道相结合，研究人员估计稻田AOM每年会减少2.0 Tg C的甲烷释放量，约占中国稻田CH4净排放总量的20％。该研究可为深入解析稻田减排潜力及稻田甲烷关键过程提供理论基础和数据支撑。

该项研究近期以To shake or not to shake: Silicone tube approach for incubation studies on CH4 oxidation in submerged soils 和To shake or not to shake: 13C-based evidence on anaerobic methane oxidation in paddy soil 为题分别发表在Science of the Total Environment 和Soil Biology and Biochemistry上。该研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中德国际合作项目、中科院亚热带农业研究所青年创新团队项目、德国自然科学基金项目等资助。

论文链接

1 https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0048969718349301

2 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071719300719

图1 硅胶管培养实验装置（左）和传统摇荡培养实验装置的示意图（右）

图2 基于同位素13C标记技术展示摇荡与静态培养条件对甲烷厌氧氧化的影响机制

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