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土-水界面是物质参与表生生物地球化学循环过程的中转站，也是土壤环境接纳和释放污染物的重要汇或源，由土壤、微生物聚集体和上覆水三相构成，对物质的循环过程有着重要的影响，尤其是土壤表层的微生物聚集体直接或间接调控物质迁移转化的通量、形态，及其环境效应。微生物聚集体是由多种微生物通过胞外聚合物的黏附聚集而形成的微生态系统，在稻田、湿地等土-水界面以及污水处理生物反应器等人工体系中均发挥重要作用。 中国科学院南京土壤研究所“土-水界面过程与效应”课题组前期研究发现，不同环境条件下比如低温(Shangguan et al. Bioresour Technol., 2015)、不同氧化还原条件(Liu et al. Bioresour Technol., 2016)、重金属(Wu et al., J Clean Prod., 2017)、染料(Shabbir et al., Chemosphere, 2017)、纳米颗粒 (Liu et al. J Hazard. Mater., 2018)等胁迫环境，微生物聚集体仍具有较强的群落和功能稳定性，土壤表层的微生物聚集体对胁迫环境具有很强的抵抗和适应能力。 近期，应Trends in biotechnology期刊的邀请，南京土壤所博士唐骏等就土-水界面间微生物聚集体对纳米颗粒胁迫环境的抵抗机制进行了综述。文章综述了微生物聚集体抵抗纳米毒性的机制，其通过非生物相和生物相两方面的特性共同抵抗纳米颗粒毒性，能够阻止纳米颗粒进入微生物细胞，并适应纳米毒性的长期胁迫，维持其重要生态功能的稳定，在纳米毒性抵抗上展现出天然优势。文章进一步展望了相关机理、技术在纳米颗粒毒性控制、纳米材料设计以及环境微生物技术等领域的应用前景，并提出了如何科学评价纳米颗粒微生态毒性、以及如何调控微生物聚集体与纳米颗粒相互作用等亟待解决的问题。并提出了利用土-水界面间最常见的微生物聚集体——周丛生物，为微生态毒性评价的模型，将更能真实评估胁迫环境的毒性效应。这篇综述能为环境微生物技术与纳米技术交叉领域的发展提供一定指导。 文章以How microbial aggregates protect against nanoparticle toxicity 为题发表在Trends in biotechnology上。
https://linkinghub./retrieve/pii/S0167779918301732
土-水界面间的微生物聚集体抵抗纳米颗粒毒性机制
凋落物分解是控制陆地生态系统中土壤碳氮循环的一个关键生态过程，以往研究大量集中在单一凋落物分解过程上。但是自然状态下的陆地生态系统往往是多物种的混合，由此产生的混合凋落物分解可能会呈现出协同效应、拮抗效应或加和效应。因此，凋落物多样性如何影响地下生态系统过程，尤其是土壤碳氮的生物地球化学循环过程，依然需要深入探讨。 中国科学院成都山地灾害与环境研究所副研究员鲁旭阳等以藏北具有代表性的紫花针茅—青藏苔草半干旱高寒草原土壤为研究对象，通过四种典型物种凋落物与土壤混合培养试验，分析了不同凋落物组合下土壤碳氮变化规律。 研究发现，混合凋落物会对土壤生物地球化学循环过程产生不同的影响，对CO2和N2O排放产生普遍的协同效应，但是对可溶性有机碳、总无机氮以及微生物量碳（MBC）等产生普遍的拮抗效应。该团队利用凋落物的化学成分计算出了六种不同的化学多样性指数。研究发现，不同的化学多样性指数与凋落物的混合效应之间均存在显著的相关性，综合多样性指数和培养时间一起可以很好地预测凋落物的混合效应。 研究认为，混合凋落物对土壤生物地球化学循环过程的影响会受到环境因子的调节，土壤水分条件是影响混合凋落物对土壤碳氮过程非加和效应的因子之一。具体表现在：水分含量的增加会放大混合凋落物对CO2排放的协同效应或者减弱对MBC的拮抗效应，但是会增强对可溶性有机碳以及可溶性有机氮的拮抗效应。 该研究得到了国家自然科学基金“高寒草地土壤有机质化学对土壤氮转化的影响”（41671262）、“藏北高寒草原凋落物化学组成和多样性对土壤氮转化的影响”（41371267）和中科院山地表生过程与生态调控重点实验室主任基金等的资助。相关成果发表在Soil Biology & Biochemistry上。 土壤水分条件对混合凋落物效应的影响
磷（P）是植物生长必需的主要养分元素，对维护生态系统稳定具有不可替代的作用。与碳和氮主要来自大气不同，自然生态系统中P的最终、唯一来源为含P矿物的风化。然而，先前的研究多侧重于研究P生物有效性和形态转化，缺乏对P风化速率的定量研究。中国科学院成都山地灾害与环境研究所研究员吴艳宏带领“山地生物地球化学”研究团队利用贡嘎山冰川退缩迹地，定量评估了早期成土过程中原生矿物P的风化速率，揭示了控制P风化速率的关键机制。 研究发现，早期成土阶段（0–120年），P风化速率随成土年龄快速升高，风化速率的变化可用幂函数拟合（图1）。在成土年龄小于60年的阶段，P风化速率从2.6 mmol m-2 year-1增至8.7 mmol m-2 year-1，在成土年龄60–120年以针叶林为主的阶段，P的平均风化速率增至26.0 mmol m-2 year-1。针叶林阶段P的风化速率大于温带和亚热带年龄相近土壤的P风化速率，主要是由于贡嘎山土壤母质具有较多的含P矿物、适宜的水热条件和快速发育的植被。成土年龄在百年至万年的阶段，P风化速率呈幂函数快速降低，可分为三个阶段：小于260年，P风化速率大于10 mmol m-2 year-1；260–2200年，P风化速率介于1–10 mmol m-2 year-1之间；大于2200年，P风化速率降至1 mmol m-2 year-1以下（图2）。贡嘎山冰川退缩区原生矿物P平均风化速率是全球风化“热点区”的7倍，全球P释放速率的47倍，表明气候变暖已间接加速了高山地区的生物地球化学循环。 该研究不仅阐明了原生矿物P风化速率随成土年龄的变化模式，补充了Walker & Syers概念模型对原生矿物P快速降低的描述，而且有助于准确评估陆地生态系统发育过程中磷供给量的动态变化。包含该研究在内，成都山地所“山地生物地球化学”研究团队利用贡嘎山这一“天然实验室”，已对山地生态系统P的风化释放（来源）、形态转化（过程）、植物和微生物的作用（机理）和流失（去向）等方面开展了较为系统的研究。 该研究得到了国家自然科学基金（41630751、41401253）和成都山地所一三五重点培育方向项目（SDS-135-1702）的资助，研究成果已发表在European Journal of Soil Science上。
https://www./publication/323014877_Weathering_of_primary_mineral_phosphate_in_the_early_stages_of_ecosystem_development_in_the_Hailuogou_Glacier_foreland_chronosequence 图1 成土早期（0—120年）P风化速率随成土年龄快速升高 图2 成土年龄100—12000年P风化速率随成土年龄快速降低
土壤退化是与土壤侵蚀、森林锐减、生物多样性丧失等密切相关的全球性关注热点。此类与社会经济、生态环境、地理、人类活动等密切相关的问题，在生物多样性富集的西双版纳地区显得尤为敏感和突出。 近三十多年以来，西双版纳地区最显著的土地利用变化就是大面积的热带雨林被结构单一的纯橡胶林所替代。尽管橡胶种植有利于当地经济的迅猛发展，但对生态环境造成的负面影响也是不争的事实（如: 生物多样性丧失、土壤退化、水土流失、土壤板结、小流域水源不断枯竭等）。因此，亟待优化其单一的种植方式和发展友好型橡胶栽培模式。大量的研究表明，橡胶复合栽培模式具有显著的生态、经济效益。然而，有关橡胶复合系统如何控制和改善土壤退化的认知却较为匮乏，尤其是在改良土壤物理、水文性质进而控制水土流失等方面。 为定量评价土地利用变化对水土流失的影响，中国科学院西双版纳热带植物园生态水文研究组的博士研究生朱习爱在研究员刘文杰及助理研究员蒋小金的指导下，以热带季雨林、纯橡胶林、橡胶复合林为研究对象，采用径流小区、负压入渗等方法测定了穿透雨、地表径流及其泥沙产量、土壤非饱和导水率、土壤物理性质和植被特征等指标。结果表明：（1）与热带季雨林相比，纯橡胶林的土壤物理性质（容重升高、孔隙度降低、田间饱和持水量减少等）有不同程度的退化，且植被叶面积指数和盖度降低、地表凋落物现存量减少；（2）与纯橡胶林相比，橡胶复合系统（如：橡胶-茶叶、橡胶-可可、橡胶-大叶千斤拔、橡胶-萝芙木等）的土壤物理性质和植被条件都得到了不同程度的改善；（3）纯橡胶林的地表径流量分别是热带季雨林和橡胶复合系统的33.2倍、2.6倍，热带季雨林、纯橡胶林和橡胶复合系统的径流产沙量分别为0.014、11.54、2.73 t/ha/y，这表明热带雨林转变为单一橡胶林后，水土流失明显加剧，但间作其他植物后，随着土壤和植被条件的改善，水土流失得到了有效控制；（4）土壤物理性质的改变是一个长期的过程，植被状况对水土流失的影响更为明显，仅从控制土壤侵蚀的有效性看，橡胶林间作一些具有较低冠层、较高凋落物产量的作物无疑是一个更好的选择。该研究结果为政府决策者、橡胶林土地管理者提供了实质性参考。 相关结果以Effects of land？use changes on runoff and sediment yield: Implications for soil conservation and forest management in Xishuangbanna, SW China 为题，在线发表在国际学术期刊Land Degradation & Development上。该研究得到国家基金（31570622、41701029）、云南省中青年学术带头人后备人才（2014HB042）、版纳植物园“一三五”项目方向一（2017XTBG-F01）的资助。
https://onlinelibrary./doi/abs/10.1002/ldr.3068 不同土地利用类型的凋落物现存量、地表径流及泥沙产量变化 土地利用变化通过改变土壤性质和植被特征影响土壤侵蚀的示意图
生物土壤结皮广泛分布于干旱半干旱区荒漠和沙地，占地表活体覆盖的40%以上，是荒漠和沙地生态系统的重要生物组成，维系着土壤的稳定性，具有碳和氮的固定作用，影响着维管束植物的萌发、定居和存活，及植被的空间格局。作为荒漠生态系统工程师，生物土壤结皮为许多土壤微生物和微小动物提供了适宜的生境和食物来源，在干旱半干旱区发挥着重要的生态和水文功能，对区域生态健康起着十分重要的作用。气候变化，尤其是增温和降水的减少可能通过改变荒漠生物组成，如生物土壤结皮隐花植物种的组成而影响系统的功能和水文循环，进而关系到荒漠生态系统的稳定性与可持续发展。 为厘清生物土壤结皮对气候变化的水文学响应及对荒漠系统水量平衡的影响，中国科学院西北生态环境资源研究院（筹）沙坡头沙漠研究试验站科研人员利用OTC进行长达10年的长期模拟研究，以入渗、凝结水和蒸发量变化作为生物土壤结皮水文功能的代用参数。 研究发现，增温伴随降水的减少显著地改变藓类在结皮群落中的多度、盖度和生物量。相对而言，对蓝藻和地衣在结皮群落中的组成和结构影响不显著。由于结皮群落的种丰富度、多度、盖度和生物量在很大程度上由藓类决定，气候变化导致的结皮群落的这种变化直接降低了结皮对凝结水的捕获，增加了入渗，增大了地表蒸发，减少了表土层含水量，最终将改变原来水量平衡，限制草本植物的繁衍和定居，对生态恢复产生不利影响。 该研究成果在国际生态学刊物Global Change Biology 在线发表。 该研究获国家自然科学基金创新研究群体(41621001)、重点基金(41530746)的资助。文章第一作者和通讯作者为西北研究院研究员李新荣。
https://onlinelibrary./doi/10.1111/gcb.14378 模拟研究使用的不同型号的OTC
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