国内土壤科研进展（2020年第18期）
导 读
提出大陆尺度上土壤有机碳分子组成的权衡关系等5则进展。
来源：根据中国科学院、中国科学院沈阳应用生态研究所、南京农大资环学院、华中农大资环学院等单位网站近期相关报道整理。
东北地理所在土壤水分微波遥感估算研究中取得进展
地表土壤水分是地球水资源的重要组成部分，是控制地表与大气界面能量和水分交换的重要边界条件，也是地表蒸散的关键影响因子，对地表水循环、能量循环、生态环境和农业应用都具有意义。
地表土壤水分的获取方法包括地面观测、遥感反演和数据同化。微波遥感可穿云透雾、全天候全天时工作，被认为是全球或区域尺度获取土壤水分时空变化的最佳方式。但现有微波遥感土壤水分估算方法需要大量的辅助参数，包括地表温度、植被含水量、土壤质地、土壤表面粗糙度、植被散射性质等。被动微波数据的粗空间分辨率进一步增加了获取这些辅助参数的难度以及不确定性。
近期，中国科学院东北地理与农业生态研究所微波遥感团队评价了现有被动微波遥感土壤水分产品的精度与不确定性来源，并在此基础上开发出一种基于变化探测原理的土壤水分估算方法，根据植被指数与地表发射率之间的三角空间关系，提出一种基于植被指数估算像元发射率变化范围的经验方法。该方法只需提供地表温度、NDVI两个辅助参数，估算的土壤水分与SMAP土壤水分具有极高的相关性和一致性，与地面实测数据的对比结果也证实了该方法的可行性。
该算法简化了土壤水分估算的复杂度，降低了对辅助参数的依赖性。研究结果可提高土壤水分估算精度，有利于土壤水分的全球制图。相关成果发表在Remote Sensing、IEEE JSTARS上，副研究员郑兴明为第一作者，研究员李晓峰为通讯作者。研究得到国家自然科学基金资助。
该研究估算土壤水分与SMAP L3土壤水分产品对比结果，分别为V极化、H极化、H和V极化
该研究估算土壤水分与野外实测土壤水分的对比结果，分别为SMAP L3产品、H极化、V极化、H和V极化
该研究估算土壤水分对输入参数的误差依赖性，“+”号表示日降水超过10毫米
西北研究院揭示活动层不同冻融阶段土壤呼吸动态及其驱动机制
青藏高原是中低纬度地带多年冻土分布面积最广的区域之一，土壤有机碳库高达160±87Pg，在全球气候变暖中具有重要作用。活性层作为多年冻土和大气之间的缓冲层，对全球气候变化的响应敏感且迅速，其水热过程是驱动多年冻土碳、氮循环和生物地球化学循环的原动力。目前，活动层不同冻融阶段如何调控土壤碳排放，及其排放模式和驱动机制尚不清楚。
中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室研究人员在青藏高原腹地北麓河多年冻土区对高寒草甸生态系统土壤呼吸开展为期两年的原位观测，揭示活动层不同冻融阶段土壤呼吸动态及其驱动机制（图1）。研究发现，青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤呼吸受活动层冻融过程调控作用明显，活动层不同冻融阶段土壤呼吸模式差异显著（图2）。在活动层夏季融化（ST）、秋季冻结（AF）、冬季降温（WC）和春季升温（SW）四个阶段中，夏季融化、冬季降温和春季升温阶段的土壤呼吸通量与5cm土壤温度和水分均具有较显著的相关关系；而秋季冻结阶段活动层在处于由开放系统向封闭系统转换中，土壤呼吸通量与土壤温度水分相关关系均较弱（图3）。在活动层土壤温度较低的冬季降温和春季升温阶段，以及土壤水分较高的夏季融化阶段，土壤呼吸均具有较高的温度感性(Q10，图3)。夏季融化、秋季冻结、冬季降温和春季升温阶段土壤二氧化碳温室气体的排放量分别占全年排放量的61.32%、8.89%、18.43%和11.29%。
该研究进一步深化了对青藏高原多年冻土区活动层调控土壤呼吸的认识，为进一步完善陆面过程模式中土壤碳排放的水热调控提供了参数化描述，对提高模式模拟青藏高原多年冻土区地-气相互作用过程的模拟具有一定促进作用。
相关研究成果以Soil respiration of alpine meadow is controlled by freeze-thaw processes of active layer in the permafrost region of the Qinghai-Tibet Plateau为题，发表在The Cryosphere上。西北研究院副研究员王俊峰为论文第一作者，研究员吴青柏为论文通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金、冻土工程国家重点实验室自主课题发联合资助。观测研究工作得到青藏高原北麓河冻土工程与环境综合观测研究站的支持。
论文链接
https://tc.copernicus.org/articles/14/2835/2020/
图1.活动层不同冻融阶段土壤呼吸动态
图2.活动层不同冻融阶段土壤呼吸模式变化
图3.活动层不同冻融阶段土壤呼吸与5cm土壤温度和水分的关系
沈阳生态所在土壤排放一氧化氮15N自然丰度和产生过程的同位素分馏作用的研究中取得进展
大气灰霾问题越来越受到人们的关注，不仅污染生态环境，而且严重威胁人类健康。硝酸盐是灰霾的主要组成成分，其前提物一氧化氮（NO）排放的不断增加，是加重灰霾问题的主要原因之一。NO不仅影响空气质量，还控制着臭氧的产生进而影响大气的氧化能力，在大气化学中起重要作用。为了减少环境污染，解析NO的排放源和减少其排放量，成为当今研究的重要任务。近年来，氮稳定同位素（ δ15N）技术逐渐被应用于解析大气含氮污染物的来源。土壤是继化石燃料燃烧后NO排放的的第二大源，然而对于土壤产生的δ15N-NO研究仍十分有限，这增加了NO源解析的不确定性。土壤硝化作用和反硝化作用是NO产生的主要途径，但到目前为止，还没有研究区分这两个过程产生的δ15N-NO。
中国科学院沈阳应用生态研究所稳定性同位素生态学研究团队，采集了中国北方三种生态系统类型共七个站点的土壤样品（两个农田土，两个森林土和三个草地土壤），进行了室内控制培养实验， 分别测定其在有氧和厌氧条件下产生的NO及底物硝态氮和铵态氮氮同位素组成的变化，并探讨了硝化和反硝化作用产生NO过程中的同位素分馏作用。研究结果发现，有氧条件（硝化作用占主导）土壤产生的δ15N-NO（-56 ± 4‰）显著低于厌氧条件（反硝化作用主导）产生的δ15N-NO（-33 ± 7‰，图1）。此外，不同生态系统类型土壤均表现为有氧过程产生NO的分馏系数（61 ± 3‰）显著大于厌氧过程产生的分馏系数（35 ± 6‰，图2）。而且，不同的土壤类型之间，产生的NO的过程的同位素分馏作用差异不大（图2）。因此，可以根据土壤产生的δ15N-NO值来区分硝化和反硝化作用对土壤NO产生的相对贡献，为建立N循环模型提供理论基础。我们还发现，土壤产生的δ15N-NO值（-62 ~ -23‰）显著低于生物质和化石燃料燃烧产生的δ15N-NO（0 ~ + 20‰，图1）。因此，利用氮稳定同位素技术可以有效区分土壤和人为源对大气NO的贡献。
该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院前沿重点研究项目和中国科学院百人计划等项目的支持。研究成果“δ15N of nitric oxide produced under aerobic or anaerobic conditions from seven soils and their associated N isotope fractionations”发表于Journal of Geophysical Research-Biogeosciences。通讯作者为方运霆研究员，博士研究生宿晨霞和副研究员康荣华为共同第一作者。
文章链接
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020JG005705
图1. 一氧化氮不同排放源的δ15N值
图2.厌氧和有氧条件下，不同生态系统土壤产生一氧化氮过程的氮同位素分馏系数
南京农大资环学院生态系统生态学课题组提出大陆尺度上土壤有机碳分子组成的权衡关系
土壤有机碳的分子组成仍然存在争议。微生物、植物及火烧来源的有机化合物均是土壤有机碳的重要来源，但是我们还不清楚土壤有机碳的分子组成是否可以预测？近日，爱荷华州立大学、南京农业大学和贝勒大学等单位合作，发现土壤有机碳分子之间存在权衡关系，此观点为解释土壤有机碳的成因提供了重要参考依据。该成果于9月15日在国际权威学术期刊《Nature Geoscience》在线发表。南京农大资环学院生态系统生态学实验室叶成龙博士作为论文的共同第一作者参与了该研究。
本研究利用美国国家生态观测网络站点的表层矿质土壤，结合核磁共振波谱法和分子混合模型定量不同生态系统土壤有机碳的化学功能团的相对丰度。结果表明土壤有机碳中的碳水化合物、脂质、蛋白质、木质素和焦炭在不同生态系统中的相对丰度差异很大，但每种化合物的总体平均丰度相似。主成分分析结果表明木质素和蛋白质之间显著负相关，碳水化合物和焦炭之间显著负相关。以上结果表明大陆尺度上的土壤有机碳分子组成之间存在一定的权衡关系。本研究还发现土壤铁铝氧化物和pH最佳解释了土壤有机碳化学组成的变异，而且这些环境因子与已知的预测土壤有机碳含量的环境因子基本相同。
土壤有机碳化学组成的权衡关系概念模型
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41561-020-0634-x
华中农大在蓖麻修复铜污染土壤取得新进展
文/黄国勇
南湖新闻网讯（通讯员 黄国勇）近日，华中农大资源与环境学院土壤肥力与环境团队在重金属污染土壤植物修复方面取得系列进展。该团队通过探究铜耐性植物蓖麻根系活动对根际土壤铜的形态转化及施用磷肥对蓖麻提取土壤铜效率的影响，揭示了蓖麻根际土壤铜形态转化的特征，评价了施磷等农艺措施强化蓖麻修复铜的效果和可行性，为应用蓖麻进行铜污染土壤修复实践提供了科学依据。
土壤重金属污染是影响土壤生态安全和人类健康的重要环境问题，而植物提取被视为一种经济可行且环境友好的土壤修复技术。根际环境中，植物根-土相互作用会影响重金属的生物有效性，从而影响植物对重金属的吸收和提取效率。
该团队通过根袋技术探究蓖麻根际铜形态变化和溶解有机质的组成与特征，探究了蓖麻根系对土壤铜形态变化的作用机理。研究结果发现，在相同浓度铜处理下，根际土中酸交换性铜含量要高于非根际土，而根际土中可还原性铜、可氧化性铜和残渣态铜含量均低于非根际土。与非根际土相比，根际土壤pH降低，而总氮、碳含量均升高。与对照相比，铜处理根际土壤总低分子量有机酸和总氨基酸含量分别增加15.2%~47.2%和36.4%~200%。此外，根际土中较简单的溶解有机质和高浓度低分子量有机酸促进了土壤铜从相对稳定的状态转化为有效态。以上发现为进一步施加外源强化措施提高蓖麻修复铜效率提供了理论基础，相关成果发表在Chemosphere期刊上（链接一），博士生黄国勇为第一作者，胡红青教授为通讯作者。
此外，施肥作为常用的农艺措施，不仅可以增加植物生物量，而且还能提高植物体内金属含量。该团队通过盆栽试验评估了磷肥对蓖麻修复土壤铜污染的效率，并揭示了磷肥对蓖麻解铜毒的生理机制。结果表明：施磷肥显著增加了蓖麻生物量和体内铜含量，从而提高了表征植物修复效率的总铜提取量。同时，施磷肥显著减轻蓖麻受到的铜毒性，表现为显著降低蓖麻叶片MDA含量，提高了光合色素和抗氧化物质（GSH、AsA）的含量和强抗氧化酶（SOD，POD和CAT）的活性；同时磷酸盐可与土壤铜形成不溶性的铜/铁-磷酸盐沉淀，显著降低土壤中有效态铜生物浓度。以上研究为农艺措施强化重金属污染土壤的植物修复提供了新的思路，相关成果也发表在Chemosphere期刊上（链接二），硕士生周修佩为第一作者，胡红青为通讯作者。
该项研究得到国家了国家自然科学基金 (41371170) 、国家重点研发计划(2015BAD05B02)和土壤环境与污染修复湖北省重点实验室开放基金（2019104）的经费资助。
链接一：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653520309930
链接二：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653520301570
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