国内土壤科研进展（2019年第21期）|研究

导  读

沈阳生态所揭示野外氮沉降对土壤有机碳分解激发效应的影响；东北地理所在土壤表面形态演化研究方面取得进展；地球环境所在我国黄土高原土壤侵蚀评估和生态修复评价方面取得进展；不同政策影响下的东北地区土地覆盖及生态系统服务变化研究获进展；版纳植物园揭示土壤细菌群落结构和功能对生物合成纳米银的响应特征。

来源：根据中国科学院网站近期相关报道整理

沈阳生态所揭示野外氮沉降对土壤有机碳分解激发效应的影响

土壤激发效应是指由有机物质加入所引起的土壤有机质分解在短期内剧烈改变的现象。激发效应能够调控土壤碳氮周转的速度，并影响植物、土壤微生物等对养分的获取和竞争，维持生态系统各组分间的养分平衡。作为全球变化的主要方面之一，日益严重的氮沉降对陆地生态系统的碳循环产生了巨大的影响，这其中也包括激发效应。然而，目前探究野外氮沉降对激发效应影响的研究非常有限。

基于此，中国科学院沈阳应用生态研究所人工林生态组研究团队以帽儿山老山落叶松人工林氮沉降固定样地为依托，探究了在不同形态氮沉降条件下我国北方典型森林土壤有机质分解的激发效应，发现土壤有机质的激发效应受外源碳添加量以及氮沉降形态的共同作用（如图）。有机氮沉降能够抑制葡萄糖添加所诱导的激发效应，并且随着外源碳添加水平增大，有机氮沉降对激发效应的抑制作用逐渐增强。与之相比，无机氮沉降以及无机有机混合氮沉降并没有对激发效应产生显著影响。有机氮沉降通过调控激发效应的方式降低了土壤有机碳的损失，从而促进土壤有机碳的积累，年净变化量达到外源碳输入量的27.2%。

该研究强调了外源碳输入量以及氮沉降的形态在调控土壤有机质激发效应中的重要作用。这一系列研究成果有助于揭示土壤有机质激发效应的碳氮耦合规律，为构建全球氮沉降条件下区域尺度的碳循环模型提供数据支持及理论基础。

该成果以Organic N deposition favours soil C sequestration by decreasing priming effect 为题发表在Plant and Soil 杂志上，田鹏为第一作者，王清奎为通讯作者。该研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金等的支持。

文章链接

https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11104-019-04331-3

图：氮沉降形态及外源碳输入量对激发效应的影响。

东北地理所在土壤表面形态演化研究方面取得进展

土壤表面形态表示土壤表面的起伏状况，是影响地表热量平衡的重要因子，在遥感反演中它不仅影响雷达后向散射系数和地表微波发射率，也是影响光谱反射率的重要因素，对于农业研究和遥感研究都非常重要。

一般用表面均方根高度、表面相关长度以及二者的比值来描述土壤表面形态。常用的土壤表面形态研究方法包括针板法、激光扫描法、摄影测量法等。为研究土壤表面形态的时空变化特征及预测方法，中国科学院东北地理与农业生态研究所微波遥感学科组的科研人员自2014年开始这项研究，通过设计不同表面形态的土壤，对其进行长时间系列观测，分析土壤表面形态的时间变化规律，并提出和检验了利用累积降雨量进行土壤表面形态参数的预测方法。通过进一步分析发现，随着时间变化，土壤表面形态的功率谱密度函数也发生了变化，这种变化跟降雨量也具有良好的关系。根据以上结果，提出了一套结合农田表面初始状态和降雨的土壤表面形态演化预测方法。该研究对于定量遥感研究和土壤结构研究具有重要意义。

该研究由东北地理所研究员李晓峰、副研究员郑兴明等共同完成。研究成果发表在国际期刊Soil &Tillage Research上。此项研究工作得到科技部基础性工作专项和国家自然科学基金的资助。

文章信息： 

(1)Zheng X. , L. Li, S. Chen et al.,Temporal evolution characteristics and prediction methods of spatial correlation function shape of rough soil surfaces, Soil & Tillage Research, 2019,195, 104417.

(2)Zheng X., J. Tao, Li X., et al. The temporal variation of farmland soil surface roughness with various initial surface states under natural rainfall conditions, Soil & Tillage Research, 2017,170 :147-156.

(3)Zheng X., Zhao K., Li X. Improvements in farmland surface roughness measurement by employing a new laser scanner. Soil & Tillage Research, 2014, 143:137-144.

不同土壤表面初始形态

土壤表面形态变化及预测

地球环境所在我国黄土高原土壤侵蚀评估和生态修复评价方面取得进展

我国黄土高原的土壤侵蚀问题十分严重，对农业生产、自然环境和人类生存带来了严重的威胁。为了治理黄土高原的土壤侵蚀和实现黄土高原地区的可持续发展，我国从20世纪90年代开始在黄土高原实行大面积的“退耕还林”和“退耕还草”政策。这两种修复方式哪一种对于土壤侵蚀的治理是更有效的，需要通过数据去进行评估。由于土壤侵蚀速率能够提供有关长期影响的信息，因而在生态修复评价中更加准确和有效。

中国科学院地球环境研究所I-129实验室博士张伟超和研究员侯小琳，在甘肃省庆阳市西峰区南小河沟流域采集了自然植被修复的董庄沟土壤剖面和人工植树造林修复的杨家沟土壤剖面（见图1），分析两类样品中的239Pu和240Pu比活度，计算出240Pu/239Pu原子比和239,240Pu沉积通量等重要信息，结合非耕地土壤侵蚀模型，估算土壤侵蚀深度和年均侵蚀速率，评估了研究区域内的土壤侵蚀强度，并初步评价不同修复类型对于土壤侵蚀的抑制效果。

研究结果发现：根据我国水利部2007年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007）中水力侵蚀的划分等级，研究区域的土壤侵蚀速率（538-941 t/km2/yr<1000 t/km2/yr），属于微度侵蚀；同时，结果还发现两种生态修复方式均能够有效地抑制土壤侵蚀，其中在短期内人工植树修复优于自然植被修复，但从长远来看自然植被修复是更适合黄土高原土壤侵蚀的修复。

此外，该研究首次使用钚同位素作为示踪剂评估我国黄土高原的土壤侵蚀状况和不同生态修复方式对于土壤侵蚀的抑制效果，为研究黄土高原土壤侵蚀和治理黄土高原提供一种有效的评估手段。

该项目得到科技部基础性工作专项、中科院国际合作局国际伙伴计划、国家自然科学基金、国家大气中污染成因与治理攻关项目等的资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198719301096?via%3Dihub

图1 黄土高原南小河流域董庄沟和杨家沟采样点示意图及采样周边环境

图2 不同生态修复类型对于土壤侵蚀的影响

不同政策影响下的东北地区土地覆盖及生态系统服务变化研究获进展

理解生态系统服务的时空变化特征是生态系统可持续管理的重要前提。探讨政策影响下的土地覆盖变化及其对生态系统服务的影响，有助于理解区域生态变化特征，对优化和制定区域可持续发展管理决策具有重要的科学指导意义。东北地区作为我国北方重要的生态安全屏障及重要的商品粮生产基地，研究其土地覆盖格局及生态系统服务的变化，能够有效支撑“美丽中国”和“生态文明”的建设。

中国科学院东北地理与农业生态研究所地理景观遥感和城市森林与湿地团队的研究人员利用Landsat系列卫星遥感影像解译获取的2000和2015年土地覆盖数据，探讨了国家实施一系列生态工程以来东北地区的土地覆盖变化特征，进而利用InVEST模型分析了东北地区生态系统服务的时空格局及其地理空间异质性，深入讨论了不同政策影响下的东北地区土地覆盖变化特征，及其对生态系统服务变化的影响。

研究发现：受生态保护和粮食增产与经济发展等双向政策影响，2000-2015年间东北地区土地覆被变化特征明显，农业耕垦仍是区域林地、草地、湿地损失的主要驱动因素；林地面积呈现净增加，有7121 km2的湿地被开垦为耕地，同时建设用地的扩张主要源自耕地（62.8%）；土地覆被变化进而造成了东北区域尺度上产水量明显下降，土壤保持和生态系统碳库呈现轻度下降，而防风固沙、栖息地适宜性、粮食产量服务能力有所提升；东北区域内生态系统服务空间异质性明显。

尽管一系列的生态工程在退耕还林还草、遏制湿地损失、部分生态系统服务能力改善等方面取得了明显的成绩，但仍需要不断地总结经验，权衡生态系统服务、优化区域政策，提升生态系统质量，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，以期实现东北地区生态保护与经济振兴双赢的区域可持续发展目标。

该研究由副研究员毛德华、研究员何兴元（通讯作者）、研究员王宗明等共同完成，成果发表在国际期刊Journal of Cleaner Production上，研究由国家重点研发计划专题（2016YFA0602301）、中科院野外台站联盟项目（KFJ-SWYW026）、中科院青年促进会人才基金（2017277，2012178）等共同资助完成。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652619328318?via%3Dihub

图1 2000-2015年东北地区土地覆盖变化特征格局图

图2 东北地区生态系统服务变化空间异质性图

图3东北地区社会经济发展与生态保护的双向政策

版纳植物园揭示土壤细菌群落结构和功能对生物合成纳米银的响应特征

目前，纳米技术被认为是最具革命性的技术，通过其多学科应用对社会生计产生了重大影响。银纳米粒子(AgNPs)是一种被广泛研究和应用的金属纳米粒子材料，随着全球市场对银纳米粒子(AgNPs)的需求和使用的持续高涨，银纳米粒子(AgNPs)的环境安全问题也越来越受到关注。最近的研究表明，化学合成的银纳米粒子(AgNPs)对环境的影响是目前主要研究的内容，而生物合成银纳米粒子(AgNPs)对环境的影响还没有得到充分的认识。土壤被认为是纳米材料释放到环境中的主要吸收库，其对土壤细菌群落的潜在影响值得进一步关注和研究。

中国科学院西双版纳热带植物园土壤生态研究组博士后Sandhya Mishra等人以土壤细菌重要类群(Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes)及其功能基因(AOA, AOB, NirK, NirS, NosZ, PhoD)为研究对象，在砂壤土中研究了生物合成银纳米粒子(AgNPs)对细菌类群和功能基因相对丰度的影响。研究结果表明，土壤细菌群落结构和功能基因的相对多度对生物合成银纳米粒子(AgNPs)有积极的响应，并拟杆菌和NirS功能基因最为敏感。研究认为生物合成的银纳米粒子(AgNPs)对土壤微生物群落的毒性较小或没有毒性，但其毒性研究还需要在不同的土壤类型中进行进一步的验证。

相关研究成果以Evidence for positive response of soil bacterial community structure and functions to biosynthesized silver nanoparticles: An approach to conquer nanotoxicity? 为题，发表在环境类国际学术期刊Journal of Environmental Management上。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479719313027

生物合成银纳米粒子(AgNPs)的透射电镜图像

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