国内土壤科研进展（2020年第16期）|研究

导  读

发现土壤微界面有机质层增厚证据等5则进展。

来源：根据中国科学院网站近期相关报道整理。

亚热带生态所发现土壤微界面有机质层增厚证据

长期以来，有机质在土壤和沉积物中长期保护机制被广泛研究。但由于土壤的复杂性，科学家主要基于传统的组分提取方法进行土壤有机质研究，并提出不同的有机质保护机制。在这些稳定性机制中，有机质的物理化学机制和生物保存机制间存在争议。科学家通过生物标志物和同位素追踪技术，发现微生物能产生多种且稳定的有机质，这突出了微生物过程在土壤有机质稳定性中的作用。但研究发现土壤物理化学组分和环境在有机质保存过程中起决定性作用，尤其是长期稳定；通过氯仿熏蒸处理后微生物群落和活性有差异的土壤，其最终矿化速率和空白相同，Kemmitt et al.（2008）提出“控制阀理论”（regulatory theory），支持有机质的物理化学控制稳定机制。上述争论的焦点是生物和非生物控制因素控制有机质的生物利用性问题。为调和争论，J. Lehmann and M. Kleber（2015）提出“土壤连续体概念性模型”（Soil Continuum Model, SCM）：土壤有机质是逐步分解的有机物连续体，各种物理、化学和生物共同决定其保存或矿化。因此，揭示土壤微环境中微生物-有机质-矿物间内在联系和本质，可能是理解土壤有机质生物地球化学循环难题的关键。

目前，学术界关于土壤微观尺度的生物地球化学过程研究很少，且尚缺乏用于土壤微环境构建的研究方法。土壤团聚体是土壤的基本骨架，其表面被认为是微生物-有机质-矿物互作热点区域。在中国科学院亚热带农业生态研究所研究员吴金水和华中科技大学教授刘笔锋的指导下，博士毕业生黄习知和华中科技大学博士李一伟结合微流控图案化微阵列技术，构建包含土壤-微生物互作特点、且在一定尺度上克服土壤微观异质性的土壤点阵芯片技术，结合X-射线光电子能谱实现土-水微观界面过程的动态连续监测（Huang，SBB，2017，Huang，Scientific Report，2018）。科研人员研究典型黑土土-水微界面有机质的转化及其溶液微环境动态耦合过程，发现在21天培养过程中，土-水界面有机质在矿物表面的Coating很快达到饱和（4天）；在后期培养过程中，通过氩离子团簇逐层刻蚀分析技术发现在Z轴方向上厚的微生物量碳（MBC>130nm）和有机无机复合物（20nm-130nm）仍在逐渐增加。这表明土壤有机质积累不是无序的在矿物界面上沉降或吸附固定，而是优先地在已有的有机无机复合物上增厚。随着有机质层增厚，溶液中活性养分（有机碳和铵态氮）减少，胞外酶活性增加，养分可利用性和后期微生物代谢活性（微量热仪）下降。

基于微界面连续观察结果，研究人员提出土壤有机质稳定性的固-液耦合生物地球化学机制：微生物介导的有机质转化过程有利于有机-无机复合物多层自组装结构的形成；增厚的有机质层存储可利用态养分，屏蔽内层有机质的降解，限制溶液中微生物代谢，促进有机质的稳定性。该机制耦合物理化学和生物学控制机制，为土壤有机质连续体模型（Soil continuum model）提供证据，对Z轴上增加土壤碳固定提出结构性启示。该研究成果是自土壤芯片技术（SoilChip）提出以来的第三篇原创性论文，土壤芯片技术为理清土壤多过程耦合的复杂生物地球化学循环提供了研究方法，未来结合同位素示踪技术和界面表征技术，可为认知土壤其他元素或污染物的归趋提供基于微-纳尺度过程的基础性知识。

相关研究成果以Direct evidence for thickening nanoscale organic films at soil biogeochemical interfaces and its relevance to organic matter preservation为题，发表在Environmental Science:Nano上。研究工作得到国家自然科学基金、自然科学基金青年基金、亚热带所开放基金、中国博士后基金的支持。

论文链接 

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/EN/D0EN00489H

土-水微界面多过程耦合的有机质循环模型示意图

东北地理所等发现阔叶林-针叶林矿质土壤碳氮截获差异的土壤团聚机制

北半球高纬度地区生长着大面积的森林。其主要由针叶和阔叶树种组成，二者更替成为森林演替的主要特征。矿质土壤中的碳、氮约占陆地生物圈的75%、90%，在维持全球碳氮平衡中发挥重要作用。但不同研究地点间树种、树木大小、土壤基质以及地理气候因素的差异，导致阔叶林-针叶林矿质土壤碳氮截获差异结论不一致，阻碍不同林型对土地退化和发展影响的评估。

近期，中国科学院东北地理与农业生态研究所城市森林与湿地学科组对6个地点的14种常见造林树种、202块样地进行样品采集，并将土壤进行组分分级为颗粒团聚体（0.25~2 mm）、微团聚体（0.053~0.25 mm）以及泥沙黏土组分（＜0.053 mm），通过多因素方差分析MANOVA和协方差分析MANCOVA去除不同地点造成的影响，量化阔叶林-针叶林矿质土壤的团聚特性、有机碳以及总氮的差异。

研究表明，阔叶林土壤的有机碳和总氮比针叶林高30%~50%。其中，团聚体的贡献量占阔叶林土壤有机碳和总氮总累积量的75%~77%。造成阔叶林有机碳和总氮累积的原因包括：团聚体中有机碳和总氮浓度增加30%~50%；颗粒团聚体相对质量增加50%，非团聚体（泥沙黏土组分）相对质量减少14%，这直接导致阔叶林土壤团聚体稳定性（平均重量直径）增加三分之一；土壤C/N没有显著差异。近700种可能的不确定性分析表明，该研究结果可靠性较高，在粘土含量少、海拔和降水量较高、水曲柳较多而杨树较少的地区，相对于针叶林，阔叶林会有更高的土壤碳氮累积。

相关成果发表在Land Degradation & Development上，博士生魏晨辉为论文第一作者，研究员王文杰为论文通讯作者，该研究由东北地理所与东北林业大学共同完成。研究得到国家自然科学基金项目、黑龙江省“头雁”创新团队项目、科技部国家重点研发计划等的资助。

论文链接 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.3725

图1.六个研究地点（黑色三角形）与实验设计

图2.阔叶林-针叶林土壤组分团聚特性、有机碳以及总氮的差异

图3.三个土壤组分对阔叶林土壤有机碳（左）和总氮（右）累积的贡献率

图4.针叶林转变为阔叶林之后土壤有机碳和总氮累积的3个土壤团聚机制过程

图5.关于地理气候条件、土壤和阔叶树与针叶树采样差异的不确定性

成都山地所在尼泊尔中部丘陵区土壤侵蚀研究中取得进展

土壤侵蚀是尼泊尔中部丘陵区农业可持续发展的主要威胁之一。中国科学院成都山地灾害与环境研究所（中科院加德满都科教中心山地可持续发展分中心）研究员熊东红团队，联合尼泊尔特里布文大学地理系、国际山地综合发展中心（ICIMOD）等长期合作伙伴，以尼泊尔柯西河流域中游的典型小流域——Pakarbas流域为研究区，采用137Cs和210Pbex双核素示踪技术，评估了尼泊尔中部丘陵区典型农业小流域的土壤再分配速率。

尼泊尔地处喜马拉雅山脉南坡，是一个多山的国家，其丘陵地区约占国土总面积的30％，养育着该国45%的人口。尼泊尔的经济主要依靠农业，其中46.73%的农业用地分布在中部丘陵区。近年来，日益增强的人类活动和全球变化使本就脆弱的尼泊尔丘陵生态系统增大了土壤侵蚀风险。研究团队发现，尼泊尔柯西河流域中游典型小流域137Cs面积活度及其计算的土壤侵蚀速率的空间变化与210Pbex测量的等效结果高度一致，但基于210Pbex获得的土壤侵蚀速率高于基于137Cs获得的侵蚀速率值，这一结果表明了在过去的20年中该流域的土壤侵蚀呈现加速的态势，也侧面证明137Cs和210Pbex双核素示踪技术具有评估近期（20-30年）土壤侵蚀变化的潜力。不同土地利用类型的土壤侵蚀速率测算结果表明，流域内坡耕地侵蚀速率最大，林地最小，值得注意的是，灌木林地侵蚀速率高于一般的通常值，达每年每公顷32.52 t，与坡耕地非常接近，且因其面积占比高，贡献了该流域土壤净流失的55.08%，成为流域土壤侵蚀的主要策源地之一。尽管过去20年研究区的年降雨量呈下降趋势，但该区域土壤侵蚀仍在加剧，这与当地持续增加的干旱和人类扰动阻碍植被、作物生长密切相关。研究结果表明，尼泊尔中部山区坡耕地和灌木林地均极易遭受侵蚀，除农业生产中迫切需要采取保护性耕作（包括等高耕作、少耕/免耕、植物篱）措施外，还应特别考虑面积占比较大、土壤侵蚀严重的灌木林地的封禁、控牧或造林、补植等土地管理策略，以控制该区（特别是干旱河谷区）坡耕地和灌木林地的严重水土流失。该研究对喜马拉雅山区的水土保持建设和农业可持续性发展具有重要指导意义。

该成果由中尼双方多个研究团队共同完成，得到了中科院加德满都科教中心山地可持续发展分中心专项和国家自然科学基金（NSFC）- ICIMOD联合研究项目（41661144038）的共同资助，相关成果发表在Journal of Soils and Sediments上。

论文链接 

https://link.springer.com/article/10.1007/s11368-020-02760-7

研究区域位置、土地利用和样地模式

基于137Cs和210Pbex测得的林地（a）、灌木林地（b）和坡耕地（c）土壤侵蚀率的顺坡变化以及三种土地利用的净土壤流失（d）

合肥研究院农田活性氮氧化物交换通量研究获进展

近期，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所研究员谢品华课题组在农田HONO和NOx交换通量研究中取得进展，相关研究成果发表在Science of the Total Environment上。

HONO作为OH自由基的前体物，在大气中扮演着重要角色，因其对臭氧和光化学烟雾形成的促进作用而引起关注。近年来的研究显示，HONO对OH自由基的贡献不单表现在清晨，在全天都有意义，对OH自由基初始来源的贡献在50%（夏季）至80%（冬季）。考虑HONO已知源汇，通过模式计算得到的模拟值和实际外场观测值差异较大，尤其是白天的HONO浓度，未知源强达到0.06-5 ppbv h-1，但具体的来源途径存在争议。

2019年，课题组研究员秦敏和唐科等利用自动动态箱技术，在寿县国家气候观象台开展淮河流域农田HONO和NOx交换通量观测。同步获得农田土壤HONO和NO排放通量，HONO和NO最大通量分别为7.69ngm-2s-1和34.52ngNm-2s-1。外场观测HONO通量结果与新鲜土样的测量结果在同一数量级，在假定混合层高度为300米的情况下，平均土壤排放可以解释大约0.06 ppbv h-1的缺失HONO源，是偏远地区白天HONO的重要来源途径。

研究工作得到国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的资助。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720343965?via%3Dihub

图1.外场动态箱系统

图2.外场观测期间HONO通量和NO通量的相关性。实心红点和黑点分别代表降雨前后观测到的数据

图3.新鲜土壤样品的HONO排放

版纳植物园揭示橡胶林土壤中的硫化物迁移、衰减、消散过程

硫磺是一种经济、高效的改良剂，可用作农业土壤肥料、杀虫剂，以及固定土壤中的重金属（HM）以缓解对农作物的毒性。重金属是持久且不可降解的环境污染物，对大多数生物有毒副作用。元素硫被应用于橡胶种植园杂草和橡胶树枯叶病的控制，但存在迁移到周围环境中的可能，影响土壤中HM的迁移和生物利用。然而，元素硫在橡胶林土壤中的迁移、衰减、消散过程尚不清楚。 

中国科学院西双版纳热带植物园生态水文研究组博士后Sissou Zakari与研究员刘文杰、副研究员蒋小金等合作，对橡胶林土壤中硫化物的迁移、衰减、消散过程进行测定。该实验将山地橡胶林和可可间作系统中的地表径流、土壤流失等水文过程，与土壤总硫（Stot）、硫酸盐（S-SO4）的变化特征联系起来，研究不同坡位（上坡、下坡）、不同农林系统管理模式（杂草、无杂草、混合）下的元素硫衰变动力学特征。结果表明：（1）在橡胶农林系统中，土壤水分、水力传导率呈均匀分布形式；土壤流失主要由径流驱动，下坡比上坡发生的土壤流失和径流更多，无杂草农林系统中发生的水土流失和径流比杂草农林系统（杂草、混交）更高；（2）杂草农林系统中径流水的Stot和S-SO4高于非杂草农林系统；土壤斯托克两室动力学模型的模拟表明，有硫喷施处理的动力学速率比未添加硫的动力学速率低，尤其是对有杂草的农林系统而言；（3）上坡土壤的Stot半衰期（DT50）比下坡高出10~14倍；与有杂草的农林系统相比，混合和非杂草农林系统分别高出4倍、20倍；（4）土壤Stot和S-SO4含量与土壤微生物呼吸（CO2排放）呈显著负相关，表明硫对土壤微生物的活性有不利影响。因此，硫的分解及其S-SO4的转化取决于土壤水分、地表径流、土壤侵蚀和土壤CO2，同时土壤水分又受坡度和农业系统的显著影响。 

相关研究成果以Decay and erosion-related transport of sulfur compounds in soils of rubber based agroforestry为题，发表在Journal of Environmental Management上。 

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479720311257?dgcid=author

土壤中的硫化物迁移、衰减、消散过程 

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