国内土壤科研进展（2021年第1期）

导  读

傅伯杰团队基于大数据分析构建长时间序列高分辨率全球表层土壤水数据集等8则进展。

来源：根据中国科学院、中国科学院生态环境研究中心、中国科学院地球化学研究所、中国科学院西双版纳热带植物园、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所等单位网站近期相关报道整理

傅伯杰团队基于大数据分析构建长时间序列高分辨率全球表层土壤水数据集

土壤水是连结大气系统和陆地生态系统的重要参量，全球尺度长时间序列土壤水及其变化特征为理解气候变化下地-气相互作用机制提供重要依据。微波遥感是目前获取大尺度表层土壤水的最佳方式，但是传感器更新快，单个传感器覆盖的时间范围较短，且部分地区存在数据缺失，重建全球尺度微波遥感土壤水分时间序列是当务之急。

中国科学院生态环境研究中心傅伯杰研究团队将遥感大数据与机器学习相结合，融合多种主、被动微波遥感反演的土壤水，包括AMSR-E, WindSat, TMI, ASCAT, SMOS, FY（风云）和AMSR2等，并统一校正至最优遥感土壤水数据SMAP同等精度水平，构建了2003~2018年时间上连续、空间上全覆盖的（除冰雪）的遥感土壤水产品（空间分辨率为0.1度，时间分辨率10天）。该产品较ERA5-Land, GLDAS，ASCAT-SWI，CCI和GLEAM更准确地反映全球表层土壤水的年内变异性，年际趋势和空间异质性，有效提升了微波遥感全球土壤水数据的精度和应用价值。

研究发展的神经网络大数据分析方法具有以下四个特点：1）是结合机理的神经网络，将微波辐射传输过程的影响因子参与神经网络的训练；2）区别于常用的全局性网络，采用区域化的神经网络精准刻画局地性的地理规律。同时发展了边界模糊处理算法，以整合全局性网络的优点；3）多轮次迭代性的神经网络，上一级神经网络模拟的输出会转化成下一轮次神经网络训练的输入-训练目标，以延伸训练目标数据的时间跨度，有效克服各微波传感器时间跨度均有限且时间范围各不相同的特点，并充分利用所有的微波传感器信息，形成长时间上连续的序列；4）是多层次且有组织的神经网络的集合。在各轮次下，有多个子步骤，而每个子步骤下又有多个独立的神经网络，最后每个独立神经网络包含很多局域性子网络，共涉及5个轮次、8个子步骤、67个独立神经网络和无数局域子网络，是一套神经网络组合系统，一定程度上扩展了基于神经网络的大数据分析的外延，且算法对于未来新型土壤水分遥感产品有包容性。

这一研究成果近期发表在国际著名数据期刊Earth System Science Data，同时数据产品发布于国际著名的地球与环境科学数据平台PANGAEA。论文第一作者是博士研究生陈永喆，通讯作者是冯晓明研究员。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中国科学院项目等的资助。

论文链接：https://essd.copernicus.org/articles/13/1/2021/

数据链接：https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.912597

图1：全球表层土壤水数据的时空格局（2003~2018年）；（a）全球表层土壤水数据的空间格局；（b）GLDAS表层土壤水空间格局；（c）表层土壤水随纬度的变化（-60°S~80°N）的对比；（d）表层土壤水分2003~2018年间年际趋势的空间分布；（e）GLEAM表层土壤水数据的年际趋势图；（f）本数据集与GLEAM数据的年际动态对比。在（a~b）中，红色圆圈表示本研究结果对比GLDAS数据在空间格局上有明显差异的地区，而在（d~e）中，红色圆圈表示表层土壤水减少的地区，蓝水圆圈是土壤水增加的地区。

图2：全球表层土壤水数据的年内变异及其与降水动态性的关系：（a）表层土壤水达到年内最大值的时间点（单位：10天）；（b）表层土壤水的年内波动幅度；（c）表层土壤水与降水的年内波动的相关系数；（d）表层土壤水对降水峰值响应的时滞，单位：10天），左下方小插图为频率分布直方图；（e）在全球不同地区，当干旱事件（连续无有效降水的情况）发生在一年中第几个十天时，表层土壤水分下降最快；（f）若干旱事件随机发生在一年中任何一个时间段，连续10天无有效降水后土壤水的减少量。

中国农科院土壤耕作与种植制度团队成功破解秸秆还田后培肥与增产不协调难题

作者：逄焕成

针对北方传统秸秆覆盖还田、浅旋还田技术存在的还田难、腐解难、保苗难、病虫害多、产量低等弊端需要破解的重大需求，近年来土壤耕作与种植制度团队围绕秸秆“如何还田、怎样还田”等潜心研究，创新了“秸秆深埋、颗粒还田、轮耕轮还理论”，研制了秸秆深埋犁、田间自走式秸秆捡拾颗粒制作一体机等秸秆还田机械，在东北春玉米一熟区、华北冬小麦夏玉米一年两熟区开展了包括粉碎和颗粒秸秆2种形态下高倍量亚耕层秸秆还田技术的系列研究与示范，探索出既能提高土壤有机质，又能同时增产的秸秆安全有效还田技术，破解了传统秸秆还田后土壤培肥与作物增产难以协调的难题。其培肥与增产效果机理相关成果发表在《Soil and Tillage Research》、《Archives of Agronomy and Soil Science》、《Soil Use and Management》、《农业工程学报》和《土壤学报》等国内外知名期刊上。

团队研制出的秸秆深埋犁，能将3-5倍生产量的秸秆翻埋至35厘米左右的亚耕层，每3年翻埋一次，形成了轮耕轮还制，解决了秸秆体量大，还田难，土壤“上肥下痩”，连续翻耕增加作业成本等问题。团队还创新研制出了国内外首创的田间自走式秸秆捡拾颗粒制造一体机，在田间把秸秆就地制作出体积减小80%以上的秸秆颗粒肥料，解决了传统秸秆加工“收、运、储”环节多、成本高等难题。

为缓解长期浅耕导致的土壤“上肥下痩”现象，实现亚耕层肥力的提高及可持续增产等目标，团队连续多年于东北春玉米一熟区、华北冬小麦夏玉米一年两熟区开展了不同形态秸秆高量亚耕层还田效应的机理研究。研究发现：秸秆高量亚表层还田显著提高了土壤有机碳含量，且随着秸秆还田量的增加呈现升高趋势，亚耕层有机碳增长率达到20%，耕层有机碳增长率10%。秸秆高量还田显著提高了C/N（>10%）、C/P （>10%）、C/K（>20%），平衡C与N、P、K养分元素比例关系，同时降低土壤层化比，弱化土壤养分层化现象，改善了土壤“碳短板”现象。增加秸秆还田量促进土壤腐殖质组分含量的增加，有利于腐殖质结构复杂化，提高了大团聚体中真菌含量。秸秆颗粒还田具有快速培肥效应，粉碎秸秆还田具有长期培肥效应。粉碎秸秆高量还田可提高腐殖质脂化度而秸秆颗粒高量还田则提高其芳香度，秸秆还田形成了更多的不稳定性有机碳，高量还田更利于长期维持生态系统稳定性。研究还发现，秸秆高量亚表层还田在显著培肥土壤的同时，作物产量同时得以显著提高。东北春玉米一熟区春玉米产量增幅7%-17%，华北冬小麦夏玉米一年两熟区小麦玉米年产量分别提高10%-12%。这些研究结果为指导当地秸秆高效安全还田提供了重要依据。

图  亚耕层（20～40cm）土壤腐殖质的13C核磁共振图谱

 以上研究得到了国家重点研发计划、公益性行业（农业）科研专项项目和中国农业科学院创新工程资助。逄焕成、李玉义为通讯作者，博士研究生丛萍、张莉、刘娜为论文第一作者。

论文链接：

1.https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104735

2.https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104772

3.https://doi:10.1111/sum.12450

4.https://www.researchgate.net/publication/338008651

5.http://pedologica.issas.ac.cn/trxb/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=trxb201905050244&flag=1

6.http://www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20200113&flag=1

新疆生地所在植物计量化学和养分回收研究中取得进展

植物养分经济在理解物种共存、适应策略、生态系统结构、功能和供给服务等方面扮演重要角色。为深入理解全球变化背景下，植物在不同研究尺度的计量化学和养分回收特征，中国科学院新疆生态与地理研究所丝路绿色发展研究中心研究员李凯辉团队利用全球和区域观测数据的整合分析，结合新疆巴音布鲁克草原生态系统研究站的长期氮素富集控制实验，对植物计量化学和养分回收进行了研究，取得了系列研究成果。

研究人员以全球尺度的植物氮磷重吸收为研究对象，发现氮重吸收率（NRE）与磷重吸收率（PRE）的斜率为0.88，植物功能群驱动了NRE与PRE之间的scaling关系。如阔叶林比针叶林、落叶林比常绿林、非豆科比豆科、木本植物比草本植物的斜率大，表明后者比前者以更高速率从衰老叶中吸收利用磷。此外，研究还发现，地理（纬度）和气候（温度和降水）因素驱动了植物从衰老叶片中吸收利用的磷高于氮。在新疆干旱区荒漠生态系统的区域尺度上，研究人员发现荒漠灌木的生长一般受磷限制，不同植物物种之间NRE和PRE存在显著差异，在很大程度上，这是由于干旱胁迫对植物的影响不同而导致的。

该研究拓宽了学界对植物养分循环过程领域的认识，对阐明全球变化对养分循环的影响具有重要意义。相关研究成果以Scaling the leaf nutrient resorption efficiency: Nitrogen vs phosphorus in global plants为题，发表在Science of the Total Environment上；以N, P and K stoichiometry and resorption efficiency of nine dominant shrub species in the deserts of Xinjiang, China为题发表在Ecological Research上。

全球大气氮沉降迅速增加显著影响我国草地生态系统的植物养分经济和凋落物质量。为了深入理解全球变化背景下，氮素富集对典型草地类型的植物计量化学和养分回收的影响，研究人员利用观测数据的整合分析，发现氮素富集显著增加了我国北方草地植物氮磷含量和氮磷比，而显著降低了植物氮磷养分重吸收效率。此外，植物养分及回收效率对氮素富集的响应在不同草地类型间存在较大差异。相关研究成果以Responses and drivers of leaf nutrients and resorption to nitrogen enrichment across northern China's grasslands: A meta-analysis为题，发表在Catena上。

植物各器官营养物质的化学计量特征可以反映植物获取资源的权衡和生长策略，确定养分在植物器官分配及与气候的关系。为此，研究人员深入开展了新疆荒漠植物根茎叶功能器官的化学计量分析，发现荒漠植物的根和茎的氮磷浓度显著低于叶，茎的氮磷比显著高于叶和根，而根茎叶的氮磷比差异不显著；荒漠植物群落水平上的叶片计量化学变异更多来自于物种周转的贡献。这些结果为理解荒漠植物化学计量模式、利用策略及其与环境关系提供了科学依据。相关研究成果以Patterns of nitrogen and phosphorus stoichiometry among leaf, stem and root of desert plants and responses to climate and soil factors in Xinjiang, China为题，发表在Catena上；以N:P stoichiometric changes via species turnover in arid versus saline desert environments为题，发表在Ecology and Evolution上。

科研人员基于新疆天山巴音布鲁克高寒草原长期氮添加梯度控制实验，发现外源氮添加显著增加了植物氮含量而降低了磷含量，降低了植物氮重吸收效率而增加了磷重吸收效率。草原植物氮磷的响应差异主要源于长期氮素添加提高了土壤氮素的可利用性，而对土壤磷素无显著影响，植物养分的失衡可能对植物组成和凋落物分解带来负面影响，这些发现对深入理解大气氮沉降增加对草原植物-土壤养分循环的影响具有重要意义。相关研究成果分别以Decoupling of nitrogen and phosphorus in dominant grass species in response to long-term nitrogen addition in an Alpine Grassland in Central Asia和Plant community composition altered by long-term nitrogen addition has minor contribution to plant nutrient status at the community level为题，发表在Plant Ecology和Applied Ecology and Environmental Research上。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969720324372

https://esj-journals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1440-1703.12111

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816220306603

http://sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816220306500

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/ece3.6395

https://link.springer.com/article/10.1007/s11258-020-01103-3

https://link.springer.com/article/10.1007/s11258-020-01103-3

华南植物园在外源养分添加和土壤团聚体结构对微生物残体影响研究中获进展

热带森林生态系统通常受磷的限制，氮沉降增加会加剧生态系统磷限制的程度，进而影响土壤碳循环过程。微生物残体不仅是土壤有机碳库的重要贡献来源，也可以通过土壤团聚体结构的调控间接影响土壤有机碳库的稳定性。但是关于土壤养分的可获得性、团聚体结构以及它们的交互作用如何影响微生物残体的积累及其对有机碳库的贡献，人们尚缺乏清晰认识。 

中国科学院华南植物园生态中心研究人员基于小良热带海岸带生态系统定位研究站的长期养分添加实验平台（10年），研究了长期外源养分添加和土壤团聚体结构对微生物残体的影响。研究发现：（1）持续磷添加显著降低了微生物残体的积累及其土壤有机碳库的贡献，但是氮添加的效应则不显著；（2）磷添加主要通过提高微生物残体分解相关的酶活性，促进微生物残体的循环再利用，进而降低微生物残体在土壤有机碳库中积累；（3）土壤团聚体组成和养分添加的交互作用不显著，土壤团聚体的物理保护在调控微生物残体对养分添加响应方面发挥的作用相对较弱。结果表明，在热带海岸带森林中，土壤微生物碳体响应土壤氮磷可获得性的驱动机制有所不同，外源磷添加对微生物残体积累的抑制作用将不利于土壤有机碳库的稳定性。研究结果不仅为揭示热带森林土壤碳循环的微生物机制提供了重要的实验证据，对于提升热带海岸带森林在全球碳循环中的作用的理解具有重要意义。 

相关研究结果已发表在《全球变化生物学》（Global Change Biology）上。该研究得到了国家自然基金项目、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）核心团队项目和中科院青年创新促进会优秀会员项目等共同资助。 

论文链接 

https://doi.org/10.1111/gcb.15407

图1. 养分添加对不同土壤团聚体组分中微生物残体积累的影响。

图2. 养分添加和土壤团聚体调控土壤微生物残体积累的路径分析（PLS-PM）。

沈阳生态所在氮素和水分添加影响草地无机磷组分研究中取得进展

磷是陆地生态系统初级生产力的限制性养分。在半干旱草地生态系统，较大一部分土壤磷以矿物结合态的无机磷存在（钙质土壤高达全磷的75%），虽然很难被植物直接利用，但其是重要的土壤储积磷库。在全球氮沉降增加与降水格局发生变化背景下，该储积磷库的活化对于缓解植物磷素限制发挥重要作用。

中国科学院沈阳应用生态研究所土壤化学组研究团队以不同利用历史的北方半干旱草地为研究对象，将矿物结合态无机磷分为低活性无机磷组分（主要被铁、铝化合物吸附固定）和难溶性无机磷组分（钙磷与闭蓄态磷），研究了氮素和水分添加如何通过驱动无机磷组分的活化，调控天然草地和弃耕草地土壤磷有效性和全磷含量。研究表明：（1）弃耕草地因前期的耕作促进了土壤有机质矿化过程，导致总无机磷含量较天然草地高；低活性和难溶性无机磷的变化均显著影响土壤全磷含量。（2）两种草地利用历史下，土壤无机磷组分对处理的响应具有趋同性，即氮添加通过引起土壤酸化，加速难溶性无机磷向低活性无机磷转化，继而提高土壤有效磷。（3）水添加降低了土壤有效磷含量，这主要是通过缓解土壤酸化、降低铁铝有效性和增加植物磷吸收，从而减少低活性无机磷含量所导致。 

相关研究成果以Interacting effects of urea and water addition on soil mineral-bound phosphorus dynamics in semi-arid grasslands with different land-use history为题，发表在European Journal of Soil Science上。沈阳生态所副研究员王汝振与特别研究助理刘贺永为论文共同第一作者，王汝振为论文通讯作者，研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中科院青年创新促进会人才项目等的资助。 

论文链接 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ejss.13046

氮素和水分添加通过影响无机磷活化过程而调控土壤有效磷和全磷含量

区域尺度农业利用对土壤碳氮磷化学计量比的影响研究获进展

碳（C）、氮（N）、磷（P）是地球上最重要的三种生命元素，生物体对C、N、P元素的需求有稳定计量比关系。土壤环境中C、N、P化学计量比决定着植物、微生物的养分可利用性，进而反映生态系统功能。相对于海洋生态系统和微生物体，土壤C:N:P比值变异更大，且受气候（温度、降雨）、人类活动（农业利用）等因素的影响。区域尺度上，我国两种主要农业利用方式（旱地和水田）对土壤C、N、P化学计量比的影响尚不清楚。

基于此，中国科学院亚热带农业生态研究所研究员苏以荣团队沿我国东部四个气候区配对采集了240组林地、旱地、水田土壤样品，分析了C、N、P含量及化学计量比特征。与林地相比，长期旱地利用降低C含量、增加P含量，造成C:N、C:P和N:P均降低；水田较林地C、N、P含量均增加，但N、P增加幅度高于C，导致C:N、C:P降低。旱地呈现出一定程度的C、N限制和P富集，亚热带林地表现为P限制，暖温带地区C、N限制。总体上，四个气候区土壤C、N、P含量和化学计量比对农业利用的响应趋势一致，且湿热地区（热带、亚热带）比干冷地区（暖温带、中温带）响应更强烈。

该研究以Stoichiometry of carbon, nitrogen, and phosphorus in soil: Effects of agricultural land use and climate at a continental scale为题发表在Soil and Tillage Research上。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广西壮族自治区自然科学基金、中科院国际人才计划项目、俄罗斯人民友谊大学项目、以及俄罗斯自然科学基金等项目资助。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/authShare/S0167198720306851/20201230T170900Z/1?md5=06544e32c809eddd78fec3baa1436147&dgcid=author

四个气候带三种利用方式土壤C、N、P计量关系

四个气候带三种利用方式之间土壤C、N、P含量（a）和计量比（b）差异

矿区农田土壤重金属来源解析方法及迁移过程研究取得新进展

重金属在环境中的迁移和富集受长期人类活动的影响，大规模的矿山开采造成的土壤重金属污染是我国生态文明建设必须应对的重要环境问题。土壤重金属迁移转化过程复杂，不仅受重金属自身性质的影响，而且与迁移介质环境条件密切相关。为深入了解具有不同环境条件及地质背景下矿区周边农田土壤重金属的来源及迁移途径，中科院地球化学研究所刘承帅研究员课题组以地表性质差异显著的西南喀斯特和华南红壤典型矿区为目标区域，研究不同环境介质的Zn稳定同位素组成，结合源识别模型，构建了基于金属稳定同位素分馏的农田重金属源解析定量化方法，定量解析喀斯特和红壤矿区农田土壤中Zn的污染来源，明确了两个矿区Zn的迁移途径，为土壤重金属污染源头控制及迁移过程解析提供重要理论依据。  

研究结果显示，在西南喀斯特地区矿床开采过程中，硫的氧化转化产生的酸被大量的碳酸盐岩中和，导致矿区环境呈中性或弱碱性，重金属迁移活性弱，矿区废水对周围农田土壤造成的重金属污染非常有限。Zn同位素组成和Zn含量的关系可以鉴别出农田土壤的三个直接污染端元：尾矿、粉尘、自然土壤（图1）。端元混合模型定量计算结果表明，Zn污染主要来自地质背景，平均贡献为79.5%。粉尘是人为Zn污染的主要传输途径，其平均贡献为19.5%。  

与喀斯特地区不同，华南红壤矿区产生的酸性矿山废水不易被地表物质中和，重金属迁移活性强，矿山废水的污灌对周围农田土壤造成的污染非常显著。Zn稳定同位素组成和Zn含量的关系（图2）表明，采矿活动、农业活动和母质是土壤中Zn污染的三个主要来源。在污染严重的区域，土壤中的Zn同位素组成直接反映了矿冶和农业活动的影响，而来源于母质的Zn可忽略不计，这与高地质背景的喀斯特地区形成鲜明对比。端元混合模型定量计算结果表明，采矿活动是该区域农田土壤Zn污染的主要来源，平均贡献率达66.2%。另外，与喀斯特地区粉尘传播不同，红壤矿区活动产生的Zn主要以铁氧化物的形式通过地表径流迁移到土壤中。  

本研究由环境地球化学国家重点实验室刘承帅研究员及其博士生刘宇晖、夏亚飞、高庭与纽约城市大学王峥嵘教授合作完成，并受到中国科学院前沿科学重点项目（QYZDB-SSW-DQC046）和国家自然科学基金（U1701241、41701266）等项目的资助。相关研究成果以“Zinc isotope revealing zinc's sources and transport processes in karst region”和“Using Zn isotopes to trace Zn sources and migration pathways in paddy soils around mining area”为题发表在环境科学重要期刊Science of the Total Environment (2020, 724, 138191)和Environmental Pollution (2020, 267, 115616)上。  

 图1 喀斯特矿区（左）和红壤矿区Zn同位素组成与1/Zn关系图  

球囊霉素在缓解土壤退化过程中的生态功能

经济-社会的快速发展、人口的不断增长给土地资源造成了巨大压力，而农业的集约化也导致了普遍的土壤退化问题（如土壤侵蚀、水土养分流失、重金属及有机物污染等）。据统计，全球大约有25%的土地严重退化，有50%的土地由于人为活动而中度退化，使得当前和未来的粮食安全受到了严重威胁。因此，退化土地的可持续修复是满足全球粮食需求的重要举措。利用有益微生物，特别是丛枝菌根真菌（AMF）进行土壤改良，无疑是一种行之有效的手段和方法。研究表明，AMF可产生球囊霉素（Glomalin），有助于缓解土壤的不断退化过程。然而，对Glomalin的研究比较分散、不系统，没有综合考虑Glomalin的生态功能和环境效应。 

为此，版纳植物园生态水文研究组博士后Ashutosh Kumar Singh联合导师刘文杰和相关组员，对Glomalin在缓解土壤退化过程中的生态功能和环境效应进行了全面系统的整合比较分析。结果表明：（1）Glomalin通过改善土壤物理性质、养分含量、固碳能力、微生物活性、稳定污染物等过程，正向促进了退化土壤的生态修复、减缓了水土养分流失；（2）Glomalin在土壤中长期存在（≥42年），可作为微生物利用的底物、土壤团聚体的粘合物、重金属和有毒污染物的螯合剂，进而增强土壤碳固存作用等；（3）鉴于植物、土壤和AMF相互作用可以产生Glomalin，在实际应用中为了提高土壤中的Glomalin积累，可以开发转基因或杂交植物，提高根状茎的形态、位置，并通过接种AMF和有益细菌促进土壤微生物多样性及其活性；（4）未来研究需更多注重不同气候、土地利用方式和管理措施下的Glomalin变化特征，深入分析气候变化背景下（如升高CO2、氮沉降、降水变化等）Glomalin的生态功能及其对退化土壤污染物的生物固定和生态系统碳固存的影响机理。 

相关结果以The role of glomalin in mitigation of multiple soil degradation problems为题，发表在期刊Critical Reviews in Environmental Science & Technology上。 

陆地生态系统中促进土壤Glomalin积累的潜在策略

Glomalin在缓解土壤退化过程中的生态功能

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