国内土壤科研进展（2020年第7期）|研究
导 读
在保护性耕作提升黑土有机碳及固碳机制方面取得系列进展等6则进展。
来源：根据中国科学院、土壤与农业可持续发展国家重点实验室等单位网站近期相关报道整理
东北地理所在保护性耕作提升黑土有机碳及固碳机制方面取得系列进展
陆地生态系统中土壤有机碳库储量约为大气碳库储量的2倍，其变化对二氧化碳浓度影响巨大。与草地、森林等自然生态系统相比，农田生态系统受人类活动的影响更为剧烈，频繁地耕作伴随秸秆移除会导致土壤有机碳储量迅速衰减。土壤有机碳储量的下降导致土壤肥力退化以及土地生产力的下降，严重威胁着国家的粮食安全。东北黑土区作为我国主要的粮食生产基地的重要原因在于黑土是一种自然肥力高、富含有机质且适于耕作的土壤，具有良好的土壤肥力与物理、化学和生物学特性。然而，近百年来的大规模耕垦加之管理不善，以传统耕作（秸秆焚烧+秋翻）为主的耕作措施导致了土壤有机碳的急剧下降，迫使人们需要改进耕作措施来阻止土壤有机碳的继续流失。因此，研究人员提出了利用保护性耕作来增加土壤有机碳含量进而提升土壤生产力，然而保护性耕作的作用在国际学术界存在着广泛的争议，需要通过长期观测来明确其对土壤有机碳的影响及机制。
中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土有机碳与保护性耕作学科组以保护性耕作长期定位试验地（始于2001年）为研究平台，开展了系列保护性耕作对土壤有机碳动态变化影响的研究，揭示了有机碳不同组分对不同耕作措施的响应机制。通过定位连续监测，研究人员发现保护性耕作连续实施5年后，表层5cm土壤有机质含量增加10%，10年后增加21%，15年后增加52%，有机质含量从28.28g/kg提升至43.02g/kg。保护性耕作下有机碳储量增加速率最高可达到0.80 Mg C ha-1 yr-1，作物碳进入土壤比例为16%左右，而传统性耕作则以0.52 Mg C ha-1 yr-1的速率继续减少有机碳储量（表1）。该部分研究成果被2020年农业农村部与财政部联合印发的《东北黑土地保护性耕作行动计划（2020—2025年）》采用，为保护性耕作在东北地区大面积推广应用提供了数据支撑。同时，研究人员利用物理及化学分组方法明晰了保护性耕作对不同碳库分布的影响：从团聚体角度出发，证明了保护性耕作对土壤有机碳长期固存的积极作用，从密度粒径的角度得出保护性耕作不仅增加了轻组有机碳组分，对粘粉粒结合碳的提升也有显著作用（图1）；化学组分结果显示，保护性耕作不仅增加了有利于微生物、植物吸收利用的活性碳库，同时也增加了有利于长期固碳的惰性碳库，全面揭示了不同有机碳组分对保护性耕作的响应情况，为深入研究其固定机制奠定了基础。
相关研究结果先后发表在国际土壤科学领域学术期刊Geoderma，Soil&Tillage Research 和European Journal of Soil Science上。该研究得到国家自然科学基金、中科院前沿科学研究重点计划项目（拔尖青年科学家）、中科院创新促进会人才项目等的联合资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706118300326?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198718312649?via%3Dihub
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ejss.12949
表1. 不同耕作措施下土壤有机碳储量（0-30 cm）及其变化速率、产量和碳投入
注：Initial：2001年；NTMS：免耕+玉米大豆轮作；MPMS：秋翻+玉米大豆轮作；NTMM：免耕+玉米连作；MPMM：秋翻+玉米连作；CTMM：传统性耕作；Ca：年均碳投入（Mg C ha-1 yr-1）；SOC：土壤有机碳；Rc：SOC 储量变化速率（Mg C ha-1 yr-1）；Cr：作物碳残留率。同一行相同小写字母表示无显著差异（P > 0.05）。
图1. 与传统性耕作相比不同耕作措施土壤有机碳储量在各粒径中分配情况
注：NTMS：免耕+玉米大豆轮作；MPMS：秋翻+玉米大豆轮作；NTMM：免耕+玉米连作；MPMM：秋翻+玉米连作；SOC：土壤有机碳；LF：轻组物质；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：粘粒；平均值±标准误，n=4；不同耕作措施下相同小写字母表示无显著性差异（P > 0.05）。
烟台海岸带所重金属污染土壤稳定化修复功能材料与技术研发取得进展
土壤重金属污染与修复是全世界持续关注的环境科技热点。研发筛选安全高效的重金属污染土壤修复功能材料，发展重金属污染土壤的稳定化修复技术与机理，对保障土壤健康、实现绿色可持续发展具有重要的科学意义。
中国科学院烟台海岸带研究所研究员骆永明团队通过长期试验，研发筛选出以多硫化钙、生物炭以及重金属抗性微生物等为代表的一批具有土壤重金属钝化潜力的化学和生物学功能材料，并揭示不同的功能材料对土壤重金属的稳定化修复效果与作用机理。研究表明，以多硫化钙为核心成分的绿色高效稳定化修复药剂可显著降低土壤中DTPA提取态Cd的含量，从而降低土壤重金属的植物有效性。当多硫化钙添加量为1%时，修复55 d后对土壤中Cd的稳定化效果最佳，且未对土壤酶活性和微生物群落结构多样性和碳源利用能力产生显著影响。该研究还从重金属污染土壤中筛选分离出一批对重金属具有较强耐性的功能微生物菌株，并阐明了真菌Gibberella sp. NT-1对Cu的吸附去除效果、影响因素及其吸附机制。
生物炭与功能性微生物的联合修复是近年来新兴的一种重金属污染土壤绿色可持续修复策略，该研究以玉米秸秆型生物炭和重金属耐性细菌Pseudomonas sp. NT-2为材料，采用重金属形态的Tessier连续提取法分析和植物、微生物及人体等多受体生物有效性分析，并结合土壤酶活性分析和基于16S rRNA基因的高通量测序分析，系统阐明了生物炭负载微生物菌剂对Cd、Cu污染土壤的稳定化修复效果与作用机制。研究结果表明，5%生物炭菌剂的添加显著提高了土壤中残渣态Cd和Cu的比例，降低了交换态Cd和碳酸盐结合态Cu的比例。DTPA提取态和UBM胃肠提取液模拟试验结果表明，5%生物炭菌剂的添加显著降低了土壤中Cd和Cu的植物有效性和人体生物可给性，提高了重金属污染土壤中脲酶和脱氢酶的活性。与单纯施加生物炭相比，生物炭基菌剂的添加可提高土壤中重金属耐性功能菌Pseudomonas sp.的丰度，并显著改善土壤微生物群落结构。综上所述，与单独施用生物炭相比，负载功能微生物NT-2菌株的生物炭菌剂在土壤重金属稳定化效果和土壤环境质量改善等方面均具有更显著的效果。研究成果可为发展重金属污染土壤的绿色可持续修复技术提供功能材料和理论依据。
相关研究成果发表在Environment International、Geoderma、Environmental Science and Pollution Research等期刊上。相关研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金及烟台市重点研发计划等资助。
图1.生物炭菌剂修复过程中土壤重金属生物有效性的动态变化。(a) 植物有效态Cd（DTPA-Cd）的动态变化；(b) 植物有效态Cu（DTPA-Cu）的动态变化；(c) 修复后土壤的模拟人体胃相Cd和Cu的生物可给性。
图2.(a)生物炭菌剂修复后土壤中假单胞菌属微生物的相对丰度；(b) 微生物群落结构的PCoA分析。
地理资源所揭示喀斯特地貌地区土壤重金属的人为与自然因素交互机制
喀斯特地貌地区特殊的水文地质条件（集中强降雨、地形复杂、地质灾害多发、地下河系发达、地表水渗漏大）耦合近年来频繁的工矿业活动（选矿、冶炼、不合理开采等）导致区域土壤重金属空间分异特征显著。因此，定量化喀斯特地区土壤重金属污染的风险因子并识别其主控因素，揭示人为因素和自然因素之间的交互耦合机制，对于区域土壤污染综合管理和调控具有重要意义。
为了深入揭示上述科学问题，中国科学院地理科学与资源研究所廖晓勇课题组选取我国典型的喀斯特地区——广西河池为研究区域，基于土壤中砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）和铅（Pb）5类重金属元素含量及其内梅罗（NPI）综合污染风险，构建了14个潜在风险因子的指标体系，包括5个人为因子和9个自然因子，综合分析了各金属元素的区域赋存特征和污染风险分布格局，借助地理探测器模型方法识别与量化风险的主控因子及其交互作用大小。研究发现，人为因素和自然因素对喀斯特地区的土壤污染的交互作用是非线性增强型，并进一步确定了主控自然因素中的“流域因素”与人为因素交互最为常见，主控人为因素中“土地利用（建设用地）”、“冶炼厂”与自然因素交互最为常见。主控自然因素中“土地利用”和“流域因素”交互可解释56%的Cd元素污染，“冶炼厂”和“流域因素”交互可解释19%的As元素污染。主控因素中“土地利用”和“流域因素”交互、“冶炼厂”和“地质条件”交互、“pH值”和“流域因素”交互分别解释了51%、19%和15%的内梅罗污染综合风险。因此，喀斯特地区土壤重金属污染风险调控需要重点考虑两方面：一是改变土地利用结构，二是减少来自冶炼厂的污染排放。
论文第一作者为博士研究生陶欢，通讯作者为廖晓勇，合作者包括西密歇根大学教授Daniel Cassidy。研究结果近期已在线发表于国际学术期刊Science of the Total Environment。该研究获得中科院A类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”（XDA19040302）的资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896972031281X
图1 喀斯特地貌地区土壤重金属污染评估指标体系
图2 喀斯特地貌地区土壤重金属的人为-自然因素交互
地表土壤水分动态变化监测方法研究取得进展
近日，中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室副研究员曾江源等基于最新的L波段SMAP辐射计亮温数据，发展了一种全新的微波土壤水分指数（SMI）用来捕捉土壤水分的动态变化趋势。该研究成果发表在国际期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上。
土壤水分是连接陆地水、能量和碳循环的关键水文变量，获取准确的土壤水分动态变化信息对于许多水文气象应用至关重要。在全球大尺度的土壤水分监测上，能够全天时、全天候工作的被动微波遥感被认为是目前最有效的手段。
然而，由于植被、地表粗糙度及其耦合作用的影响，使得利用被动微波亮温反演土壤水分仍面临很大的挑战。以往的土壤水分反演算法或者指数对于植被和地表粗糙度影响的校正上主要存在两个问题：1）在植被影响的校正上，往往需要引入光学辅助参数如NDVI、LAI等，一方面光学植被指数存在容易信号饱和的问题，另一方面光学观测容易受云雾的影响，降低了算法的实用性；2）在地表粗糙度影响的校正上，通常将其假设为不随时间变化的固定值，这与实际自然情况明显不符，因此会不可避免地带来误差。
微波土壤水分指数（如图1所示）的提出基于以下两个明确的物理机理：1）植被和地表粗糙度对微波辐射具有“去极化效应”（随着这两个参量的增加，微波极化差异变小），而土壤水分则增强了微波极化差异；2）植被、地表粗糙度与地表发射率呈正相关（两者值越大，地表发射率越大），而土壤水分与地表发射率为负相关关系，发射率随着土壤水分的增加而减少。基于这两个物理机理，可以在不依赖植被类型和地表粗糙度条件下，在二维空间中将土壤水分与植被及地表粗糙度的影响进行分离。
为了检验新发展的微波土壤水分指数在捕捉土壤水分动态变化上的准确性，研究采用了在全球覆盖不同地表及气候条件的五个土壤水分密集观测网的实测数据对该指数进行了验证，并在粗尺度分辨率(~36 km)及中等尺度分辨率(~9 km)下与国际主流的土壤水分产品进行了对比，包括粗尺度下的NASA SMAP被动与ESA CCI产品，以及中等尺度下的NASA SMAP增强被动及JAXA AMSR2产品。
结果表明，新发展的微波土壤水分指数能够很好地同时捕捉粗尺度及中等尺度分辨率下地表土壤水分的动态变化趋势，其与地表土壤水分的平均相关系数分别为0.87和0.84，优于SMAP被动(0.80)、SMAP增强被动(0.77)、ESA CCI (0.69)和JAXA AMSR2 (0.53)。进一步利用CDF匹配技术进行偏差校正后，SMI在36 km与9 km下整个观测期内的RMSE分别为0.028 m3m-3 与0.032 m3m-3，优于其他卫星产品（图2）。
新发展的微波土壤水分指数具有以下三个方面的独特优势：1）SMI是一个基于物理、无量纲的简单的指数，计算时不需要任何的经验系数；2）除了地表温度以外（可由模型获取），SMI不需要其他辅助参数如光学的NDVI或者LAI等；3）SMI中考虑了植被和地表粗糙度的动态变化特性而不需要假设其不随时间变化。因此，新发展的微波土壤水分指数在全球尺度上具有非常好的应用潜力。
该项研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金及中科院青年创新促进会项目等资助。
论文链接
https://ieeexplore.ieee.org/document/8935349
图1. 新的微波土壤水分指数SMI的概念示意图
图2. 经过CDF匹配技术偏差校正后的SMI与实测土壤水分在五个密集观测网的时序对比结果（36 km）。图中蓝色线代表实测土壤水分，黄褐色散点代表SMI，灰色阴影表示土壤冻结时期
中国喀斯特地区土壤湿度研究取得进展
中国喀斯特地区成土速率慢，土壤持水能力差，植被覆盖率低，常发生临时性干旱，土壤湿度成为喀斯特地区生态恢复与建设的限制性因素。然而，现有研究成果多聚焦于喀斯特地区土壤湿度的空间特征和水文过程，少数关于喀斯特地区土壤湿度变化趋势方面的工作主要在坡面尺度、小流域尺度开展，以上导致了中国喀斯特地区土壤湿度的动态变化及独特性缺乏宏观研究。中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室研究员王世杰领导的研究团队白晓永小组，以中国裸露型喀斯特为研究区，在土壤湿度方面取得新进展。
综合利用站点实测数据、再分析资料和遥感数据，采用趋势分析和敏感性分析等方法得到以下研究结果：
（1）实测数据和再分析资料表明中国喀斯特地区不同深度（0-7、7-28、28-100cm）的土壤均以变干趋势为主导。
（2）南方喀斯特地区的土壤湿度最大，但变干速率最快；北方喀斯特地区土壤湿度低于整个喀斯特地区平均水平且减少速率快于喀斯特地区平均水平；青藏高原喀斯特地区在0-7cm存在58%以上土壤变湿区域，且随着深度增加，变湿区域和速率均增加。
（3）与气温和植被相比，喀斯特地区不同深度的土壤湿度变化主要受降水主导。其中，青藏高原喀斯特地区土壤湿度增加主要受降水增加的正向影响。
（4）在青藏高原和中国南方地区，部分气候区的植被覆盖度较低（NDVI≤0.3）时，喀斯特地区土壤湿度总体上高于非喀斯特地区，该特征可能是岩石出露对降水再分配作用在宏观上的反应。以上表明，气候、植被及地质背景使得喀斯特地区土壤湿度时空分布存在明显的区域差异，而近几十年的干化趋势及全球的气候变化背景不利于喀斯特地区的生态恢复。
该研究可为脆弱的喀斯特地区生态环境修复和农业水资源利用提供科学依据，相关成果发表在国际学术期刊Journal of Hydrology上。研究得到国家重点研发计划（No. 2016YFC0502300 & No. 2016YFC0502102）、中科院A类战略性先导科技专项美丽中国生态文明建设科技工程重大课题（No. XDA23060100）、喀斯特中心联合基金（No. U1612441）等的联合资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169420302043?via%3Dihub
揭示基于土壤pH的施肥策略和真菌群落对农业生产的影响机制
近几十年来，化肥的施用对作物增产起了至关重要的作用，但同时也会带来土壤酸化，改变微生物群落等问题，因而在农业生产中通常被认为不具有可持续性。而化肥与有机肥配施不仅能带来作物高产，还能很好的缓解土壤酸化，维持土壤微生物多样性，被认为是农田施肥管理的最佳策略。但是，以往关于施肥引起的土壤酸化问题很多都是在大尺度区域上的研究，并且大都发生在酸性土壤中，关于碱性土壤由长期施用化肥导致酸化的研究较少。此外，关于比较酸性和碱性土壤中真菌群落对长期施用化肥和有机肥不同响应的研究也很少。因此，将施肥策略与土壤本底pH、真菌群落以及农业生产之间的关系进行系统的研究具有重要意义。
土壤与农业可持续发展国家重点实验室张佳宝院士课题组以七个长期定位施肥25年以上的田间试验为研究平台，分析了不施肥、施用化肥和化肥配施有机肥三个处理的作物产量、土壤养分以及真菌群落结构，揭示了基于土壤pH的施肥策略和真菌群落对农业生产的影响机制。研究发现，对于进贤、祁阳和沈阳的三个地点的酸性土壤（pH<5.70），长期施用化肥后导致土壤pH降幅高达1.20个单位，而化肥配施有机肥使土壤pH显著升高；化肥配施有机肥处理下作物产量的增幅明显高于施用化肥处理；此外，化肥配施有机肥导致腐生真菌被孢霉（Mortierella）和Pseudaleuria的相对丰度显著增加。酸性土壤中，土壤pH值与被孢霉（Mortierella）的丰度直接相关，且被孢霉（Mortierella）的富集对作物产量有直接积极的影响。对于郑州，盐亭，长武和阜康四个地点的碱性土壤（pH>8.11），与不施肥相比，连续多年施用化肥对土壤pH的降幅最多仅为0.29个单位，而化肥配施有机肥处理下土壤pH无显著增加；施用化肥和化肥配施有机肥处理的作物产量基本一致，且均显著增加了子囊菌（Ascomycota）的相对丰度。与酸性土壤不同，土壤有效磷和C:N比直接或间接地影响了碱性土壤的作物产量，而非土壤pH值。这些结果表明，农田施肥策略取决于土壤本底pH，酸性土壤必须采用化肥配施有机肥策略防止土壤酸化，而碱性土壤中合理的施用化肥仍能维持作物高产和土壤可持续性。该研究为优化不同地区的施肥策略和改善真菌群落以支持农业可持续发展提供了理论依据。
该研究成果发表在Agriculture, Ecosystems & Environment上。研究得到了国家重点研发计划项目(2016YFD0300802、2016YFD0200107)、国家自然科学基金(41807017、41471182、41530857、41671228)、中科院STS项目(KFJSTS-ZDTP-054)等资助。
结构方程模型揭示长期施肥对酸性土壤(A)和碱性土壤(B)土壤性质、真菌群落及作物产量的影响机制
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