人为活性氮间接导致土壤无机碳大量损失等10则进展|（国内土壤科研进展2021年第18期）
导 读
人为活性氮间接导致土壤无机碳大量损失等10则进展。
来源：根据土壤与农业可持续发展国家重点实验室、南京农业大学资环学院、中国科学院、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所、广东省科学院生态环境与土壤研究所等单位网站近期相关报道整理。
National Science Review|人为活性氮间接导致土壤无机碳大量损失
土壤是地球表层系统的重要组成部分，是大气圈、生物圈、水圈与岩石圈相互作用的连接界面。土壤也是地球表层最大、最活跃的碳库之一，其碳储量是大气圈的3.3倍，是陆地生物碳储量的4.5倍，对全球气候变化具有重要影响。据统计，全球土壤有机碳与无机碳储量分别为1550-1993 Pg（1Pg=1015g）和950-2300 Pg。因此，土壤有机碳或无机碳的微小变化均可能导致大气中二氧化碳浓度的较大变化。
随着全球变化和全球碳循环研究的深入，国内外关于土壤有机碳库的时空分布、碳排放定量评估、碳循环、驱动因素与调控机制研究已取得重要进展。土壤无机碳主要以碳酸盐的形式存在，更新周期较长且相对稳定，通常认为其对现代碳循环的贡献可以忽略不计。随着近三十年来我国农田大量施用氮肥和大气酸沉降的加剧，我国农田生态系统与自然生态系统（林地、草地）普遍出现了显著的土壤酸化问题。当外源H+进入土壤，如果土壤中含有碳酸盐，H+将优先与碳酸盐反应而释放二氧化碳，这也是土壤的重要缓冲机制。然而，由于缺乏覆盖全国的多时间序列土壤数据和定量预测模型的支持，一直无法明确土壤无机碳汇/源强度，难以估算土壤酸化释放土壤无机碳的总量。
针对该问题，中国科学院南京土壤研究所张甘霖团队联合国内27家科研院校，以中国土系数据库为基础（2010s），系统整合了全国第二次土壤普查（1980s）与期刊文献数据（2000s），率先构建了1980s-2010s年期间覆盖陆地生态系统的“中国土壤无机碳时空变化数据集”，定量揭示了农田、森林与草地生态系统土壤无机碳变化速率，综合使用动态/静态环境变量构建了能够表征无机碳演化的时空预测模型，基于IPCC国际耦合模式比较计划6（IPCC-CMIP6）中不同的共享社会经济路径（SSP1−2.6、SSP3−7.0），预测了1980-2100年间我国土壤无机碳在不同气候变化情景下的时空分布。
图1 土壤无机碳动态变化的主要驱动因素
相关研究近期在线发表于国际著名学术刊物《National Science Review》，第一作者为宋效东副研究员，张甘霖研究员为通讯作者。该研究发现：自1980年，表层（0-30 cm）土壤无机碳呈现显著的下降趋势（速率：11.33 g C m-2 yr-1），近三十年来土壤无机碳总的消耗量高达1.37±0.37 Pg C。农田土壤无机碳的全部损耗大约抵消了其有机碳固碳增量的57%，若以所有类型的生态系统计，则大致抵消了有机碳固碳增量的18-24%。空间分析与变量重要性分析表明氮沉降与气候变化是无机碳丢失的主要驱动因素。预测模型显示：从2010年到2100年，土壤无机碳库消耗量将高达2010年土壤无机碳库总量的19.12-19.47%。
图2 表层土壤无机碳密度变化的空间分布图（a）与不确定性分析（b）
该研究表明人为活性氮的增加虽然能显著提升生态系统有机碳的固定，却通过影响土壤酸化间接地导致了区域（主要是干旱/半干旱与喀斯特地区）土壤无机碳的大量消耗。土壤是陆地生态系统有机碳增汇的重要贡献者，以土壤有机碳形式存在的碳汇只是陆地生态系统碳氮耦合循环和碳固定的一个方面，本研究表明，土壤无机碳氮也存在间接的耦合作用，因此陆地生态系统碳循环过程远非是线性的。土壤无机碳库变化机制和动态特征应该作为全球碳循环和碳收支平衡研究的核心内容之一，以更全面理解全球尺度碳源/汇的大小及其变化规律，进一步降低估算的不确定性。
图3 基于不同共享社会经济路径情景的土壤无机碳库动态变化估算
该研究是全国土系调查团队十多年来关于土壤时空演化工作的最新集成成果。研究得到了国家科技基础性工作专项（2008FY110600, 2014FY110200）、第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0306）、国家重点研发计划（2018YFE0107000, 2017YFA0603002）等项目的联合资助。
论文信息：
Song XD, Yang F, Wu HY, Zhang J, Li DC, Liu F, Zhao YG, Yang JL, Ju B, Cai CF, Huang B, Long HY, Lu Y, Sui YY, Wang QB, Wu KN, Zhang FR, Zhang MK, Shi Z, Ma WZ, Xin G, Qi ZP, Chang QR, Ci E, Yuan DG, Zhang YZ, Bai JP, Chen JY, Chen J, Chen YJ, Dong YZ, Han CL, Li L, Liu LM, Pan JJ, Song FP, Sun FJ, Wang DF, Wang TW, Wei XH, Wu HQ, Zhao X, Zhou Q, Zhang GL, 2021. Significant loss of soil inorganic carbon at the continental scale. National Science Review, doi: 10.1093/nsr/nwab120
原文链接
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab120/6313293
南京土壤所在模型预测土壤可蚀性空间研究中取得进展
土壤侵蚀是土壤与粮食安全面临的主要威胁之一。进行土壤侵蚀影响因子的定量化研究对阻控土壤侵蚀有重要意义。土壤可蚀性（soil erodibility）能反映土壤对侵蚀外营力剥蚀和搬运的敏感程度，是组成土壤侵蚀模型的重要因子之一，常用指标K表示。然而，由于实地测量K值样点密度稀疏，亟需发展K值空间尺度扩展方法。如何利用有限的样点数据提升K值空间分布图的精度，是目前区域尺度K值研究的瓶颈。
中国科学院南京土壤研究所科研人员围绕土壤可蚀性开展了长期研究。此前，科研人员基于二普数据利用1：50万土壤类型图完成的全国水蚀区土壤可蚀性K值计算及宏观分布有进一步优化和精度提升的空间。
此研究基于成土因素空间分布与土壤类型具有一致性的思路，利用随机森林回归模型与63项成土因素指标进行K值拟合。研究发现，坡度、高程、最大降雨量、温度季节性、夏冬季节地表温度以及NDVI指标是预测K值的重要环境变量。通过5折交叉验证法对随机森林调参的结果显示，冗余变量对模型精度的影响较小，同时优化了模型的决策树个数（ntree）与属性特征个数（mtry）。最终采用优化的随机森林模型预测得到250米空间分辨率的太湖流域片土壤可蚀性K值空间分布图（图c），并在90%置信区间下得到K值的预测上、下限。该方法显著提升了K值图的空间分辨率，比目前公认的全国土壤可蚀性因子图的平均图斑面积细化了100倍。该工作通过模型学习方法有效提升了我国土壤可蚀性因子空间尺度扩展精度，并形成利用成土因素预测K值的理论依据，制图结果可服务于水土保持相关部门的管理与决策工作等。
相关研究成果发表在International Soil and Water Conservation Research上。研究工作得到水利部水土保持监测中心、江苏省博士后基金和太湖流域管理局的资助。
论文链接
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2095633921000654
土壤可蚀性K值在太湖流域片（a）样点分布，（b）克里格插值，以及（c）随机森林模型预测图
南京农大资环学院生态系统生态学课题组揭示气候变化促进土壤有机碳分解的新机制
气候变暖和臭氧（O3）浓度升高是全球气候变化的重要组成部分，可以显著影响植物生长与植物-微生物相互作用，但其对生态系统功能的影响尚不清楚。近日，北卡罗来纳州立大学、南京农业大学、美国农业部和海南大学等单位合作，首次发现气候变暖和臭氧浓度升高通过改变根系性状及其共生真菌（即丛枝菌根真菌，AMF）的组成，激发微生物分解土壤有机碳，该成果于7月9日在国际权威学术期刊《Science Advances》在线发表。南京农大资环学院生态系统生态学实验室仇云鹏博士为本文的第一作者。
气候变暖通常会促进微生物活性，增加有机物分解，而高O3浓度会破坏植物气孔功能，减少植物光合作用，且迫使植物利用部分光合作用产物用于修复臭氧损害的细胞组织。因此，一般推测温度和O3浓度同时升高可能在促进土壤有机碳分解的同时减少光合产物向地下分配，从而限制陆地生态系统作为碳库的能力。然而，直接的实验证据甚少，相关的生态学机制更不清楚。
该研究基于美国北卡罗来纳州立大学的长期定位试验，发现在免耕的大豆农业生态系统中，增温与高臭氧浓度增加了植物胁迫，减少光合产物向地下分配，改变植物根系性状与营养获取策略。为了确保营养获取，植物调整了根系结构与AMF的组成：为维持吸收面积，以牺牲根的“强度”为代价，根变得更细更疏松，菌丝也变细，由此导致根与菌丝更为脆弱，周转速率加快，增加能量源并激发微生物分解土壤有机碳；同时，AMF群落中具有更高养分吸收能力的Paraglomus属相对丰度增加，而具有土壤有机碳保护能力的Glomus属相对丰度降低。这些结果揭示了气候变化改变根系性状与菌根真菌组成从而加速土壤有机碳分解的新机制。
大气增温与臭氧浓度升高激发土壤有机碳分解
美国北卡罗来纳州立大学Shuijin Hu和H. David Shew教授,美国农业部Kent O. Burkey和Richard W. Zobel教授，以及海南大学郭梨锦博士参与了此项研究。我院生态系统生态学实验室张艺博士为共同通讯作者。生态系统生态学实验室近年来主要研究陆地生态系统功能及其对全球变化的响应，在碳、氮、磷营养元素循环方面取得一系列研究成果，包括多篇论文发表于Nature Geoscience, Ecology Letters, Global Change Biology等生态学顶级期刊上。
论文链接
https://advances.sciencemag.org/content/7/28/eabe9256
研究发现海南岛热带森林土壤碳氮磷化学计量比的空间和垂直变化规律
森林土壤中的碳（C）、氮（N）和磷（P）是三个重要元素，研究其C:N:P化学计算比有助于了解森林土壤养分情况，并为森林管理提供参考。中国科学院华南植物园生态与环境研究中心研究员任海与美国田纳西州立大学教授惠大丰以及海南大学、海南师范大学等单位的科研人员合作，利用对海南岛热带雨林、桉树人工林、橡胶林、木麻黄林、针叶林和果园的100个样地（图1）的土壤测定数据，研究了海南岛热带森林土壤C:N:P化学计量比的空间和垂直变化。研究发现，土壤C、N含量和土壤C:P比、N:P比由表层土壤向深层土壤均呈下降趋势，土壤P、C:N比值在不同土层间变化较小，主要是因为土壤C、N受光合作用、N2固定等生物过程控制，而P受基岩影响较大；土壤C、N、P含量及其比率的空间变异性较大，土壤C、N含量受经度和植被影响显著，而土壤P含量、C:P比和N:P比受纬度影响显著（图2）。上述研究成果对理解海南岛森林的化学元素计量比、生态系统生产力、植物与环境间的关系有重要参考价值，也为改进生态系统模型提供了新参数。
相关研究成果发表Catena上。
土壤的C、N、P含量与经度、纬度、海拔、植被覆盖和树高间的关系
研究揭示森林植物多样性和物种周转共同调控土壤氮、磷有效性
植物-土壤相互作用是生态系统进化的重要驱动力。已有研究多关注土壤养分如何影响植物多样性，关于植物对土壤的反馈作用鲜有报道。目前普遍认为，高的植物多样性能够显著提高土壤氮、磷有效性。然而，在森林自然演替过程中，植物多样性与土壤氮、磷有效性并不是单一线性关系。森林在演替过程中物种组成发生变化（物种周转），该变化可能影响土壤养分的有效性，但未得到证实。
中国科学院华南植物园生态与环境科学研究中心（鼎湖山站）博士刘旭军在研究员刘菊秀的指导下，基于鼎湖山不同森林演替阶段的3个森林（马尾松林、针阔混交林和季风常绿阔叶林）的长期观测数据（2004-2015年），研究了植物多样性和物种周转对土壤氮、磷有效性的影响。
研究表明，植物多样性和物种周转速率随森林演替而增加，且两者均改变了土壤氮、磷的有效性。高的植物多样性通过提高群落生产力、改变凋落物质量以及影响土壤理化性质对土壤氮、磷的有效性产生积极影响。然而，土壤氮、磷对物种周转的反应不同。土壤全氮（TN）和有效氮（AN）与物种周转呈正相关，而土壤全磷（TP）与物种周转呈负相关，表明森林演替过程中物种周转可能导致土壤氮、磷供应的失衡。该研究为土壤氮、磷有效性与植物多样性的非单一线性关系提供了可能解释，即土壤氮、磷有效性受到物种多样性和物种周转的共同调节。
相关研究成果发表在Plant and Soil上。研究工作得到国家自然科学基金、广州市科技计划项目等的资助。
论文链接
https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-021-04940-x
图1.植物多样性对土壤全氮（TN）；有效氮（AN）；全磷（TP）和有效磷（AP）的影响。
图2.物种周转对土壤全氮（TN）；有效氮（AN）；全磷（TP）和有效磷（AP）的影响。
不同土壤导热率方案在青藏高原陆面过程模型中的应用研究获进展
土壤导热率是揭示和预估土壤热力变化的重要物理参数，也是数值模拟中关键的输入参数。当前，土壤导热率参数化方案较多，不同方案在不同地区的表现性能差异较大，特别是加入到陆面过程模型后将对模拟结果产生不同程度的影响。因此，为准确模拟青藏高原土壤热状况，选择合适的土壤导热率方案对于陆面过程模式及数值模拟较为重要。
中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室格尔木站团队研究员李韧课题组，通过整理和收集当前应用较广的9种土壤导热率方案及青藏高原多年冻土区不同植被类型下垫面的野外监测数据（图1），借助最新的陆面过程模式CLM5.0，对比分析不同土壤导热率方案加入到陆面过程模型中后，对土壤导热率（图2）和土壤温度（图3）的模拟性能，并结合Brunke排名法对这9种导热率方案进行综合评估（图4、5）。结果表明：不同土壤导热率方案引入到陆面模型中后，导致浅层土壤导热率最大2.69 W·m-1 K-1和土壤温度最大2.55 °C的差异。相比其他类型，综合考虑土壤矿物质、有机质以及砾石组分的土壤导热率类，可以更准确的表述土壤实际的热状况，Vincent Balland和Paul A. Arp（2005）提出的土壤导热率方案（BA2005）表现性能最佳。与默认方案（LS2008）相比，模拟的浅层土壤导热率和不同层土壤温度的平均均方根误差（RMSE）分别降低了56.2%和15.0%。目前，尚未有一种土壤导热率参数化方案可适用于所有区域并获得满意结果。因此，需要根据不同地区的适宜性，采用多种方案。该研究可为青藏高原陆面过程模拟研究提供参考。
相关研究成果以Evaluation of soil thermal conductivity schemes incorporated into CLM5.0 in permafrost regions on the Tibetan Plateau为题，发表在Geoderma上。研究工作得到国家自然科学基金、冰冻圈国家重点实验室自主课题的资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016706121004109?via%3Dihub
图1.野外监测站点及站点周边状况。（a）青藏高原冻土分布图（Zou et al., 2017），（b）野外监测站点分布图，（c）监测站附近植被状况，（d）野外监测仪器布设
图2.不同土壤导热率方案加入到CLM5.0中模拟5cm土壤导热率与实测数据的变化特征。（a）北麓河站，（b）唐古拉站
图3.不同导热率方案加入到CLM5.0中模拟的浅层土壤导热率性能排名。（a）整个研究期，（b）冻结期，（c）融化期
图4.不同土壤深度下9种土壤热导率方案加入到CLM5.0中模拟的土壤温度与实测资料变化特征。阴影和白色的区域分别代表融化期和冻结期
图5.不同导热率方案加入到陆面模型中模拟的不同土壤深度的土壤温度性能排名。（a）整个研究期，（b）冻结期，（c）融化期
遥感测绘技术科学揭示黑土地侵蚀沟发育历史和速率
耕地是保障国家粮食安全的要害之一，东北黑土地生产着全国1/4粮食和1/3商品粮，是保障粮食安全的“压舱石”。然而，大规模开垦仅百余年，黑土地退化已十分严峻，侵蚀沟问题最为突出。现有100米以上侵蚀沟30万余条，其损毁耕地、使耕层变薄、地力下降，直接威胁黑土可持续利用。研究黑土地侵蚀沟发育历史、长期速率和影响因素，对深入理解黑土侵蚀退化机理，保障粮食安全和黑土资源可持续发展具有重要的科学意义。已有研究表明侵蚀沟形成发育与土地利用变化密切相关，然而，黑土地耕地侵蚀沟大规模发育的历史速率和发育过程尚不十分清楚。
针对这一问题，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所智慧农业团队和耕地质量监测与保育团队聚焦典型黑土地地貌和耕地利用研究区，结合1968—2018年高分辨率历史遥感影像、无人机摄影测量、侵蚀沟沉积物铯-137定年、村民访谈等方法，量化侵蚀沟大规模发育年份、起因和长期速率。研究结果表明：黑土地侵蚀沟主要形成于大规模开垦耕地的20世纪50—60年代。1968—2018年，研究区侵蚀沟密度增加一倍（1.2—2.3 km/km2），侵蚀沟规模增大且更加复杂。50年间，典型侵蚀沟沟头前进速率为1.5—2.5米/年，流域尺度上侵蚀沟年均侵蚀土量达25.7—44.7吨/公顷。除了黑土地开发利用过程，本研究还从土壤冻融、成土母质和基岩、农用机耕道、水土保持措施等方面深入探讨了耕地侵蚀沟发育的主要影响因素。
本研究揭示了黑土地退化和侵蚀沟加速发育的严峻现实，研究结果为深入理解侵蚀沟发育过程机制，针对性阻控黑土耕地侵蚀和服务国家黑土地保护和利用重大战略提供关键科学支撑。
黑土地耕地典型侵蚀沟出口处13个土壤剖面(a)，取样侵蚀沟 (b)和黑土发生层剖面示意图(c)
研究成果近期发表于国际农林科学和土壤学领域Top期刊《Land Degradation & Development》（影响因子：4.977）。我所智慧农业团队博士后温艳茹为第一作者，张斌研究员为通讯作者。本研究得到国家重点研发专项（2017YFC0504202）资助。
Yanru Wen, Till Kasielke, Hao Li, Harald Zepp and Bin Zhang*. A case study on history and rates of gully erosion in Northeast China. Land Degradation & Development. 2021.
https://doi.org/10.1002/ldr.4031.
研究揭示全氟化合物对土壤微生物多样性的不利影响
近期，广东省科学院生态环境与土壤研究所研究员孙蔚旻团队揭示了全氟化合物对土壤微生物多样性的影响方式。相关研究发表在国际环境微生物期刊《Microbial Ecology》上。
全氟化合物(PFAS)是一类含碳-氟键的高度稳定的极性有机化合物，被广泛应用于纺织品、涂料、润滑剂和灭火剂等工业产品中。但PFAS在生物体内具有易积累、难降解的特性，可干扰人体内分泌，诱发肾损伤、结肠炎、高血脂甚至癌症等疾病，对人体健康的危害性不容小觑。当前，PFAS以全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS）为典型代表。由于过量使用和排放，在包括饮用水、河流、地下水、尘埃、土壤等在内的多种环境介质中均可检出PFAS的存在。
同时，土壤作为PFAS最重要的汇之一，不断积累的PFAS可能影响土壤微生物的群落组成，或通过DNA损伤、氧化损伤、膜损伤、抑制微生物生长等方式影响微生物活性，从而对土壤的生态服务功能造成不利影响。
为揭示PFAS对土壤微生物的影响方式，研究团队往土壤培育系统中持续添加PFOA和PFOS，发现土壤微生物的多样性持续降低。此外，通过功能基因分析发现，当土壤微生物长期暴露在PFOA和PFOS的污染下时，其代谢能力受到了一定程度的抑制，从而对土壤健康产生影响。
本研究在一定程度上加深了对于这类新型难降解污染物生态效应的理解，认为需要加强对土壤PFAS污染的管控措施。
图注：PFOA和PFOS影响下的土壤微生物网络互作模式图
相关论文信息：
Title: Effects of Perfluorooctanoic Acid (PFOA) and Perfluorooctane Sulfonic Acid (PFOS) on Soil Microbial Community
Journal: Microbial Ecology
DOI: 10.1007/s00248-021-01808-6
研究揭示长期施用有机肥对红壤粘土矿物演替与磷素固定的影响机制
近期，广东省科学院生态环境与土壤研究所陶亮研究员联合中国科学院南京土壤研究所蒋瑀霁研究员以及中国科学院广州地球化学研究所刘冬特任研究员，依托中国科学院鹰潭红壤生态实验站开展的长期定位试验研究，在有机肥长期施用等人类活动对土壤矿物演替以及磷素固定的影响及机制方面取得了新进展，相关研究成果发表在国际矿物学领域主流期刊《Applied Clay Science》上。
红壤总面积约占世界陆地总面积的45.2 %，约640万平方公里，是土壤圈的重要组成部分。而我国红壤区总面积达218万平方公里，涵盖15个省区，占国土面积的21%；其人口占全国的40%，耕地面积占全国的30%，农业总产值占全国的50%。在我国，红壤区土体大体呈酸性，但剧烈的人为活动导致了华南红壤区土壤出现加速酸化、养分元素流失、重金属环境风险加剧等系列环境问题。大量研究表明，施用有机肥对缓冲土壤酸化、增强养分元素赋存具有正向推动作用，但长期施用有机肥对土壤性质的影响尚不清楚，这不仅导致无法准确评估土壤肥力状况，还使得推行化肥减量增效、有机肥替代化肥等政策的实施缺乏科学依据。
粘土矿物是土壤中的关键活性矿物之一，对调控土壤物理、化学性质及微生物群落组成等特征起到决定性作用。基于此，研究团队针对长期（16年）施用有机肥条件下红壤中粘土矿物的转化过程开展研究，结果发现，施用有机肥导致了土壤粘土矿物从2:1型向1:1型迅速转化（图1），该转变过程可能与土壤微生物群落密切相关。另一方面，经分析发现，施肥后磷素的赋存量与土壤胶体含量呈显著正相关，其中粘土矿物作为基质，提供了大量的磷赋存位点，对磷的稳定吸附起到了促进作用。
图1注：不同施肥措施下典型粘土矿物的定量分析结果
该研究观点的提出，初步证实了长期有机肥施用促进土壤粘土矿物转化的潜在生物学机制，并揭示了磷素在土壤矿物中的赋存机制，为深入了解土壤施用有机肥后磷的迁移和赋存特征提供了数据支持和理论依据，为综合提升土壤耕地地力和保障土壤健康提供科学依据。
上述工作得到了国家自然科学基金项目及广东省相关项目资助。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.clay.2021.106021
往期文章推荐
PNAS | 中科院“碳专项”重要成果：中国陆地生态系统中植物碳、氮、磷浓度与生产力的关系
《健康土壤培育与实践指南》单价158.00/本，《耕地污染防治知识问答》39.00/本。均免邮费（1月20日起售）。
购书联系人及联系方式：何小霞 15914500804（也可扫描何小霞微信二维码联系了解），或发信息至 xxhe@soil.gd.cn
可提供发票（免发票九折）
何小霞老师微信二维码，请长按识别添加联系购书事宜
更多好书，长按识别二维码了解
由于微信修改了推送规则，请大家将土壤观察加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到推文！投稿、合作、转载、入群，请加13719364476微信号（或发邮件至149996384@qq.com）
欢迎关注我们