近期4則土壤科學研究進展
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近期4則土壤科學研究進展。
來源：中國科學院網站
成都生物所揭示極端降水對花椒林生態系統大型土壤動物的影響
全球變化背景下，極端降水發生的頻率和強度不斷增加，對我國農林業生產造成重大損失。大型土壤動物作為生態系統物質循環中的重要消費者，在生態系統中起著重要的作用，他們同化各種有用物質維持自身生長，又將排泄產物歸還到環境中不斷改造環境，在土壤形成、改良及污染監測，生態系統修復，生態系統物質循環和能量流動中起著十分重要的作用。研究大型土壤動物對極端降水的響應過程以及能否通過構建高效的種植模式來緩解極端降水對農林複合生態系統的負面干擾，對全球變化背景下保護生物多樣性，促進農林業可持續發展具有十分重要的意義。
花椒是芸香科、花椒屬落葉小喬木，耐旱、喜陽光，分布於我國東南沿海、西南地區，在西北部分省區也廣泛栽培。花椒果皮可作調味料，提取芳香油；還可入葯，具有溫中行氣、逐寒、止痛、殺蟲等功效，可治胃腹冷痛、嘔吐、泄瀉、血吸蟲、蛔蟲等症，又可作表皮麻醉劑；種子可食用，也可加工製作肥皂。因此，花椒是我國十分重要的經濟樹種之一。在退耕還林、荒山造林、脆弱生態系統修復工程的實施中，四川、貴州、重慶、甘肅、陝西等省市營造了大量的花椒人工林，在極端降雨增加的情況下，如何通過在林下種植作物，從而提高生態系統的穩定性，抵禦極端降雨的負面影響，促進花椒人工林穩產、增產就顯得十分重要。
國科學院成都生物研究所潘開文課題組博士研究生王思忠在導師的指導下，採用定位研究方法，研究了人工模擬極端降水對岷江上游地區花椒間作大豆、花椒間作甜椒、花椒單作等種植模式大型土壤動物的影響。研究發現極端降水對大型土壤動物群落總密度、總生物量以及多樣性無顯著影響。然而不同類群的大型土壤動物對極端降水的響應存在顯著差異，極端降水顯著降低愛勝蚓屬密度和生物量，提高花椒間作大豆模式下遠環蚓屬種群的數量和生物量。極端降水改變種植模式對大型土壤動物群落數量的影響，在極端降水條件下花椒間作大豆、花椒間作甜椒和花椒單種等三種模式對大型土壤動物群落數量的影響無明顯差異。但是，在無極端降雨處理下，種植模式對土壤大型動物密度和生物量有顯著的影響，花椒+大豆模式下土壤大型動物的密度最高。
研究表明種植模式可以顯著改變土壤大型動物的密度、生物量和豐富度，極端降水則可以改變大型動物對不同種植模式的反應，並顯著改變個別土壤動物的種群數量和生物量。結果顯示：可以通過構建合理的植物群落模式來緩解極端降雨對花椒林的負面影響，進而維持花椒人工林的穩定性。研究結果對構建可持續農林複合生態系統提供了重要科學依據。
該研究獲得國家自然科學基金（31370632和Y5J2031100）資助，文章以Combined effects of cropping types and simulated extreme precipitation on the community composition and diversity of soil macrofauna in the eastern Qinghai-Tibet Plateau 為題發表於Journal of Soils and Sediments (2018)。
實驗樣地
瀋陽生態所揭示森林土壤有機碳溫度敏感性
土壤是陸地生態系統中最大的碳庫，其所儲存的碳是大氣碳庫的2-3倍，是有機碳輸入與輸出（如分解）平衡的結果。每年土壤有機碳通過分解所釋放的CO2量高達60 Pg C。因此，土壤有機碳分解速率的微小變化都將會對陸地生態系統碳循環和大氣CO2濃度產生深刻影響。溫度是影響土壤有機碳分解過程的重要因素，在全球變化背景下，土壤有機碳的分解如何響應氣溫升高即溫度敏感性已得到廣泛關注，並成為全球變化和陸地生態系統碳循環研究的熱點。
目前，關於土壤有機碳溫度敏感性的研究主要採用平行恆溫培養的方法，在大尺度研究中多採用相同的培養溫度。雖然這些研究在一定程度上增加了人們對土壤有機碳循環過程的認知，但是，該方法存在一些缺陷，例如容易產生微生物的熱適應性和土壤基質有效性的差異，尤其是長期培養，而這會對溫度敏感性的估算產生較大影響，造成估算不準確。基於此，中國科學院瀋陽應用生態研究所人工林生態課題組（會同站）博士王清奎採用基於樣品採集區年均溫的循環變溫培育方法，以克服平行恆溫培養所存在的缺陷，深入研究了我國東部典型森林生態系統土壤有機碳溫度敏感性的水平空間分布格局及其關鍵控制因子。
該研究獲得了如下研究結果：1）土壤有機碳溫度敏感性並不隨緯度的增加而線性增加，即表現為空間非線性變化，亞熱帶森林土壤有機碳的溫度敏感性較低，而溫帶森林土壤有機碳的溫度敏感性較高；2）土壤C:N比與有機碳溫度敏感性顯著正相關，且闊葉林土壤有機碳的溫度敏感性低於針葉林，表明低質量土壤有機碳的分解對溫度的變化更敏感，支持了「碳質量-溫度」假設；3）革蘭氏陰性細菌對土壤有機碳溫度敏感性空間變異的解釋程度最高，其次為C:N比，但是在熱帶森林、亞熱帶森林和溫帶森林中主要影響因子並不相同。
該研究揭示了土壤有機碳質量和微生物對中國東部森林土壤有機碳溫度敏感性的重要性，提出在利用模型預測森林生態系統碳循環時應考慮土壤基質質量和微生物特徵，可以提高模型預測的準確性。
上述研究成果以Carbon quality and soil microbial property control the latitudinal pattern in temperature sensitivity of soil microbial respiration across Chinese forest ecosystems 為題發表在土壤學期刊Global Change Biology上。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
圖1. 不同溫度帶森林和針闊葉森林土壤有機碳的溫度敏感性
圖2. 中國東部森林土壤有機碳溫度敏感性的空間分布
表1. 不同森林生態系統土壤有機碳溫度敏感性空間分布的主要影響因素
成都山地所淋溶過程對山地土壤有機磷分布的影響研究取得進展
淋溶過程在山地中廣泛發生，其對土壤有機磷形態海拔分布特徵的影響不容忽視。在國家自然科學基金（41630751和41401253）資助下，中國科學院成都山地災害與環境研究所吳艷宏研究團隊基於貢嘎山東坡海拔2600-3200m峨眉冷杉林，揭示了土壤有機磷形態的賦存特徵，闡明了森林土壤中淋溶過程對有機磷形態海拔分布特徵的影響，為進一步探討磷的生物地球化學循環與生態系統穩定提供基礎。
研究發現，隨海拔升高，活性有機磷(LOP)、中穩性有機磷(MROP)和總有機磷(TOP)濃度有增大趨勢，而高穩性有機磷(HROP)則相反。A層和B層土壤中活性有機磷(MLOP)濃度有減小趨勢，但其在O層和C層土壤中濃度均不存在顯著性差異(P
土壤TOP隨海拔升高而增大的分布模式主要由於隨海拔升高溫度降低，微生物活性減弱導致有機磷礦化減慢。此外，淋溶過程也對其賦存特徵產生明顯干擾，導致其最小儲量在2781m樣點。為補償淋溶造成的土壤生物有效磷(Bio-P)流失，生態系統不僅直接利用微生物量磷(MBP)補償，且通過促進磷酸酶活性礦化LOP提高Bio-P供給。MLOP和MROP是隨淋溶遷移最主要的兩種有機磷形態，兩者的垂向遷移主要依賴於土壤有機質（SOM）、無定形鐵（Feox）和鋁（Alox）。淋溶遷移過程中大部分有機磷在B層累積，但仍有少量有機磷流失。HROP是最穩定的有機磷形態，其海拔分布特徵受淋溶作用的影響較小。
研究成果發表在國際學術期刊Geoderma上。
貢嘎山東坡峨眉冷杉林土壤有機磷海拔分布特徵
貢嘎山東坡峨眉冷杉林土壤有機磷形態賦存特徵的概念模型
東北地理所在濕地黑碳研究中取得系列進展
黑碳是生物質或化石燃料不完全燃燒產生的具有多孔結構的穩定性碳，被認為是全球碳循環的重要組成部分。在大氣傳輸過程中，黑碳氣溶膠不僅可以影響全球氣候變化，同時可作為載體傳輸持久性有機污染物；伴隨大氣環境中黑碳的沉降，土壤碳庫中穩定性碳的比例和土壤理化性質都受到其顯著影響。近百年來，人類活動的加劇使人為源黑碳的產生量逐漸增加。但目前國際上評估土壤中黑碳對自然生態系統影響的相關研究比較缺乏，特別是針對濕地生態系統的研究更加缺乏。
中國科學院東北地理與農業生態研究所濕地演化與生態功能學科組於2012年開始逐步開展評估黑碳對濕地生態系統碳循環影響的相關工作，目前已完成對東北地區典型濕地分布區中黑碳儲量以及近百年來黑碳沉積通量的重建工作。
研究結果表明，濕地中黑碳含量約佔有機碳含量的5.4%，並以此推斷全球北方泥炭地中黑碳儲量約為290億噸，相當於1100億噸二氧化碳長期穩定地儲存在泥炭地土壤碳庫中。濕地生態系統黑碳沉積過程不僅受到區域經濟發展的影響，同時也與各區域人類活動方式有著密切的關係。20世紀80年代之前，三江平原的農業資源開發和大興安嶺的林業資源開發均造成了黑碳沉積通量在當地濕地生態系統中明顯增加，其中黑碳沉積通量在部分時期超過了100g C/m2.a。隨著自然資源開發活動逐漸受到環境友好政策的限制，各區域人為活動對黑碳沉積通量影響的差異性逐漸降低，東北地區典型濕地的黑碳沉積通量主要受到區域經濟發展和工業化程度的影響。20世紀80年代以後，東北東部地區的濕地黑碳沉積通量逐漸增加並明顯高於西部地區。
通過一系列研究，重建了東北地區沼澤濕地黑碳累積歷史，闡明了黑碳累積的空間分布差異，探討了黑碳累積的影響因素，增進了對東北地區沼澤濕地固碳潛力的理解。在此基礎上，首次估算了全球濕地穩定性碳(黑碳)儲存量，其明顯高於其它陸地生態系統，進一步論證了濕地生態系統的生態重要性。上述系統研究在濕地黑碳研究方面位於國際前列。
上述研究得到國家自然科學基金(41271209;41571191)、國家重大科學研究計劃(2012CB956100)和國家重點研發計劃(2016YFA0602300)的資助。研究成果發表在Land Degradation & Development，Geoderma、Journal of Soils and Sediments 等國際期刊上。
東北地理所在濕地黑碳研究中取得系列進展
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