来源：根据土壤与农业可持续发展国家重点实验室、中国科学院等单位网站近期相关报道及作者供稿整理 基于高光谱成像技术的稻田土壤剖面碳组分的高分辨率制图研究 土壤有机碳对土壤的物理、化学和生物化学过程等起着重要的调控作用，不仅是评价土壤肥力的重要指标，也是全球碳循环的重要组成部分。尽管总有机碳含量的高低可以表征土壤碳的数量变化，但不能很好地反映其质量和内在组成变化。活性有机碳（例如可溶性碳、易氧化碳和土壤微生物量碳等）是土壤有机碳的活性部分，由于其容易被微生物降解利用、周转速度快、对外界环境反应敏感，近年来逐渐成为土壤质量和管理措施的评价指标之一。因此，研究土壤有机碳及活性碳组分在土壤剖面中的垂直分布，可为更好地探究深层土壤有机碳的周转和分布提供帮助。 传统的土壤剖面调查研究涉及到高密度间隔采样和室内化学分析，过程费时费力，且难以量化垂直方向土壤属性的连续变异。可见-近红外成像光谱技术的出现为土壤剖面调查提供了一种无损、高效的技术手段，该技术实现了目标地物的“图谱合一”，提供更加丰富、连续的物质组成分布信息。土壤与农业可持续发展国家重点实验室史学正课题组通过采集江西省余江县不同母质发育的1 m深度水稻土原状剖面，结合成像光谱技术和多种非线性建模方法构建立了原状剖面土壤有机碳及活性碳组分的预测模型，最终采用最优模型对不同母质发育的整段土壤剖面进行了高空间分辨率精细制图（图1）。结果可用于研究土壤中有机碳迁移与转化过程、丰富土壤分类指标、土壤质量评价等。 该研究成果发表在Geoderma上，研究得到了国家重点研发计划课题（2017YFC0503906）、国家自然科学基金（41771253）、南京土壤所“一三五”计划和领域前沿项目（ISSASIP1651）的共同资助。 图1 红砂岩母质土壤剖面有机碳及活性碳组分空间分布图 文章信息：Xu SX, Wang MY, Shi XZ. Hyperspectral imaging for high-resolution mapping of soil carbon fractions in intact paddy soil profiles with multivariate techniques and variable selection. Geoderma, 2020, 370: 114358. 原文链接： https://www./science/article/pii/S0016706118323838?via%3Dihub 高寒灌丛根际与非根际土壤C源/汇功能对N沉降响应的研究获进展 土壤碳（C）库是陆地生态系统最大的碳库，在调控全球C循环以及应对气候变化方面具有重要作用。近年来，日益加剧的氮（N）沉降对陆地生态系统土壤C库动态的影响已经成为当前全球变化下生态系统C循环研究的热点内容之一。然而，目前陆地生态系统土壤C库对N沉降的响应幅度和方向存在诸多争议和不确定性。其中一个重要原因是现有研究大多将矿质土壤作为一个整体进行考虑，忽略了根际/非根际土壤C 库动态对N沉降的响应差异及其对生态系统土壤碳固存的差异化贡献。 针对上述科学问题，中国科学院成都生物研究所尹华军团队以青藏高原东缘代表性高寒灌丛——鲜卑花灌丛为研究对象，基于长期N添加（0，50，100 kg N ha-1yr-1）野外试验样地，区分和辨识了长期N沉降对高寒灌丛根际与非根际土壤C库的影响差异。基于上述研究，首次发现氮添加下根际/非根际在土壤C 存储贡献中表现出截然相反的功能。具体而言，在根际区，氮添加促进微生物活性而加快土壤轻组分有机C分解，导致根际有机C含量显著下降，使得N沉降下根际区表现出“C源”功能。相反地，在非根际区，氮添加通过抑制氧化酶的活性增加重组有机C积累，导致非根际有机C含量显著提升，使得非根际区表现为“C汇”功能。 在此基础上，结合根际空间数值模型，进一步模拟了不同根际范围（分别为距离根表面0.5mm, 1mm, 1.5mm和2mm的距离）情景下根际与非根际土壤C库变化对土壤C存储的贡献幅度与方向（图 1左）。模拟分析表明：各个根际空间尺度下，施氮降低了根际C库储量（降幅为0.11~3.01 kg C·m-2），而增加非根际C库储量（增幅为1.91~4.08 kg C m-2）。相应地，沿不同根际范围模拟情境下，生态系统土壤总SOC储量增幅介于0.74~2.44 kg C·m-2之间。特别地，以根际距离2mm为例，构建了N添加下高寒灌丛根际/非根际土壤C库动态对土壤固碳潜力相对贡献的概念框架：在根际土壤“碳源”效应（损失3.01 kg C m-2）与非根际土壤“碳汇”效应（积累4.08 kg C m-2）二者的叠加作用下，N沉降下灌丛生态系统土壤C库储量增加量为1.07 kg C m-2（图 1右）。上述结果表明N沉降下陆地生态系统土壤固C潜力在很大程度上受根际C动态过程及其根际空间范围所调控。 该研究成果为准确评估与预测全球变化情景下陆地生态系统土壤C库动态变化提供了新的见解和思路。研究成果近期以Differential impacts of nitrogen addition on rhizosphere and bulk soil carbon sequestration in an alpine shrubland 为题发表在生态学领域国际期刊Journal of Ecology (2020)上。该论文的第一作者为成都生物所博士朱晓敏，通讯作者为研究员尹华军。该研究得到第二次青藏高原科学考察研究、中科院前沿科学重点项目和国家自然科学基金等的资助。 论文链接 https:///10.1111/1365-2745.13417 图1 氮沉降下高寒灌丛根际/非根际土壤C库动态对生态系统固碳潜力相对贡献的概念框架（BG：β葡萄糖苷酶，PPO：多酚氧化酶，PER过氧化物酶，FLFC：轻组有机碳，HFC：重组有机碳） 东北地理所在松嫩盐碱化草地植被恢复研究中取得进展 松嫩平原比邻科尔沁沙地，由于风蚀等作用形成沙丘-草甸交错相间的分布格局。高处的沙丘地区已被开垦为农田或种植树木，低处形成了盐碱化草甸，但是近几十年来，由于自然和人类作用，草甸发生次生盐碱化，形成大量裸斑。这种坨甸交错分布格局，为将沙丘上的风沙土搬运到盐碱地上用来恢复盐碱化草地植被奠定了物质基础。“沙压碱，赛金板”已经形成共识，相关科学对此也作出了理论解释。但是，沙土覆盖厚度或混入比例、土壤理化性质的变化、恢复草地的效果及可持续年限等都缺少科学研究。 沙地土壤具有含盐量低、结构疏松的性状，沙地土壤与盐碱土壤混合，能有效降低盐碱土的盐碱含量，限制下层盐碱土的盐分向上移动，实现上面覆沙层发展为适合植物生长的土壤层，在雨水的作用下，盐分从表层土淋溶到深层土中。虽然通过表面覆沙恢复盐碱化草地植被取得了显著成果，但是表面覆沙用于种草成本太高，10cm厚度的覆沙厚度就意味着需要1000m3/ha风沙土，这严重阻碍了该技术在草地的应用与推广。 中国科学院东北地理与农业生态研究所科研人员通过对松嫩草地植被进行全面调查研究，发现羊草的生活史具有奇特的特点，其幼苗的耐盐碱能力较低，而成株耐盐碱能力较高，并且其成株还具有无性繁殖的特点。如果利用科学的方法，让羊草在盐碱地中度过幼苗阶段，生长到成株，就能够利用羊草无性繁殖的特性恢复植被。基于此发现，科研人员进一步研发了客土播种法，利用羊草的生物学特性，减少了土壤的使用量，快速恢复盐碱裸地为羊草群落。 该方法主要是在生长季早期，用犁在盐碱地中开一条10-15cm的沟，在沟中覆盖沙土，在沙土中播种羊草种子，在周围盐离子没进入沙土中时，羊草能够迅速萌发，并利用羊草成株耐盐碱能力较高并且能够无性繁殖的特点，迅速恢复植被（图1）。该方法特点是，利用植物生长的特性、施加区域现有资源，为生物早期生长营造微环境。这种恢复方法成本低、效果好（图2），为盐碱化草地恢复提供了重要的科技支撑。 该研究由研究员黄迎新及其团队成员共同完成。相关成果出版专著1部，受理专利3项，授权1项。该研究由国家重点研发专项（2016YFC0500606）、中科院战略先导专项（XDA23060405）和中科院青年创新促进会会员项目（2016210）共同资助。 成果信息如下： 黄迎新, 侯宇, 范高华, 孙明洲. 2019. 松嫩草地常见植物图谱.吉林科技出版社. 黄迎新,范高华,周道玮. 2020. 一种在北方重度盐碱地恢复羊草植被方法. ZL201610835380.X（已授权） 黄迎新,范高华,禹朴家,周道玮.2018. 一种应用秸秆还田改良盐碱地的方法. 201810227721.4（已受理） 黄迎新,范高华.2017.一种在盐碱地恢复豆科植物的方法. 201710274223.0（已受理） 黄迎新,范高华.2017.一种在盐碱地恢复碱茅和小花碱茅的方法. 201710274161.3（已受理） 图2 恢复效果 ChemSusChem：华南农业大学樊小林课题组发表木质素基缓/控释肥料研究进展综述论文 供稿/孙少龙（华南农业大学资环学院教授） 2020年5月25日，ChemSusChem在线发表了华南农业大学资源环境学院樊小林教授课题组题为“Research Progress in Lignin‐Based Slow/Controlled Release Fertilizer”的综述论文，总结了以价格低廉且环境友好的工业木质素为原料制备缓/控释肥料的方法和原理，并进行了展望。 化肥是粮食的“粮食”，化肥的使用为我国粮食连续丰收立下“汗马功劳”。然而，我国化肥使用存在过量使用、盲目使用的问题，不但损耗基础地力，增加种粮成本，而且危及农产品质量安全，总量控制、科学施肥势在必行。其中，就如何提高传统肥料利用率，减少环境污染是目前国内外农业生产中亟待解决的问题。研究表明，尽管可以从新品种培育、施肥技术改进等多种途径提高肥料利用率，但其无法大范围应用于多种作物和土壤环境。事实上，从改造肥料的保肥供肥性能来讲，如研制缓/控释肥，则是解决肥料利用率低和有效防止肥料环境污染的有效途径。当前限制缓/控释肥料研发和推广应用的卡脖子问题在于成本高，其科学问题在于廉价优质材料的合理构建，即如何采用价格低廉且环境友好的材料制备出缓/控释肥料。木质素，一种理想的制备新型材料基料，尤其是在缓/控释肥料领域。此外，木质素作为一类植物源有机高分子聚合物，可以改善土壤物化性质，例如改良土壤结构，促进团粒结构的形成，从而增加土壤的疏松性，改善土壤的通气性和透水性。在干旱区，有机质通过改善土壤粘性，降低土壤的胀缩性，防止土壤干旱时出现的大的裂隙。华南农业大学樊小林教授课题组综述了以木质素为原料制备缓/控释肥料的研究进展和缓释机理分析，并提出了面临的挑战及对未来发展的展望，以期实现木质素在农业领域的增值。 樊小林教授课题组在介绍天然木质素和工业木质素化学结构的基础上，总结了以价格低廉且环境友好的工业木质素为原料制备缓/控释肥料的方法，即化学修饰法（氨化氧化、曼尼希反应等）、包膜法（物理和化学）和螯合法，讨论了不同制备方法对肥料养分释放的影响 （图1）。系统总结了不同化学修饰法将肥料元素N、P、K接枝到木质素高分子结构中的机理，使其在土壤中缓慢降解达到养分缓慢释放的目的。对采用不同物理和化学法修饰木质素以研发出缓释包膜层进行分类和评估，并对其用于包膜颗粒肥料制备的新型木质素基缓/控释肥料的养分释放机理进行总结。此外，还总结了木质素作为一类富含羟基的高分子化合物螯合金属离子的机理和效果，以此制备螯合微肥，使其减缓微量元素在土壤中的释放速度，提高养分利用效率。 图1 木质素基缓/控释肥料的研发思路 最后，作者探讨了以木质素制备缓/控释肥料应用中所面临的挑战，并展望了未来的研究方向。相对于其它两种缓/控释肥料而言，以包膜涂层形式研发的包膜缓/控释肥料是最有前景的一种方法。包膜肥是公认能明显提高养分利用率的肥料，其由核心肥料与包膜层两部分构成，其中疏水包膜层可以防止肥料迅速溶解而流失（图2）。此外，膜层上的微孔供水分进入包膜内溶解肥料，以延缓养分释放，从而提高肥料的利用率，减少养分流失和环境污染。同时，包膜肥可一次或少次施用而满足作物整个生育期的需求，适应了现代农业劳动力短缺对肥料和施肥的轻简要求。 图2 包膜肥延缓养分释放的机制 展望：木质素研制材料涉及领域广泛，但主要集中于生物质化学和材料领域，很少有农业领域专家对其进行研究。因此，以木质素为原料制备新型缓/控释肥料需要化学、材料和农业等等领域的研究人员共同努力，以推进各个领域的共同发展。 华南农业大学资源环境学院硕士研究生陈静为该论文的第一作者，孙少龙教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划项目特色经济作物化肥农药减施技术集成研究与示范和农业部国家香蕉产业技术体系岗位专家项目的资助。 原文链接： https://chemistry-europe.onlinelibrary./doi/abs/10.1002/cssc.202000455 Chen, J., Fan, X. L, Zhang, L. D, Chen, X. J, Sun, S. L,* & Sun, R. C. (2020). Research progress in lignin‐based slow/controlled release fertilizer. ChemSusChem. DOI: 10.1002/cssc.202000455 |
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