|
胡水金团队揭示活性氮如何影响土壤有机碳 近日，南京农业大学资环学院“千人计划”专家胡水金教授团队在陆地表层碳氮过程与全球变化研究领域取得重要进展，成果以题为“Reconciling multiple impacts of nitrogen enrichment on soil carbon: plant, microbial, and geochemical controls”发表于生态学领域顶级期刊《Ecology Letters》（5年影响因子13.237）。这是继本月7日邹建文教授团队在该期刊上发表学术论文后，一个月内资环学院在该期刊上发表的第二篇论文。 土壤作为陆地生态系统最大的碳库，其表面土(0-20cm)有机碳含量相当于大气二氧化碳总量的两倍。因此, 土壤碳的微小变化可能直接影响大气二氧化碳浓度，进而影响全球气候变化。陆地生态系统碳氮循环存在着高度耦合的关系。人类活动（化石燃料的燃烧和大量氮肥施用）导致过量的活性矿物氮进入陆地生态系统，这些活性氮如何影响陆地生态系统碳循环是全球变化的热点问题。前人虽有大量研究，但结果差异很大，且内在的机制尚不明确。 该研究基于中科院内蒙古草原站十余年的长期定位试验，探讨氮素增加对植物与微生物以及陆地生态系统碳循环的影响，发现氮素增加不仅直接影响氮素可利用性，还通过硝化作用增加氢离子的释放和钙镁等离子的流失。这些过程导致土壤酸化, 减少土壤微生物生物量，抑制矿物与有机碳复合体的形成并降低其稳定性，从而限制土壤固碳能力。基于以上结果，胡水金教授团队综合化学氮素对植物、微生物和土壤地球化学的影响，提出了其影响土壤有机碳稳定性的新概念模型。评审专家认为，这一发现挑战有关矿物氮素如何影响土壤有机碳的现有认知，为全球变化背景下陆地生态系统碳氮循环研究提供了新思路。 该研究由南京农业大学与中科院植物所合作完成。南京农业大学是第一完成单位。资环院博士研究生叶成龙与植物所陈迪马副研究员为文章共同第一作者。胡水金教授与国家杰出青年科学基金获得者白永飞研究员为共同通讯作者。此外， 美国Iowa State University 助理教授Steven J. Hall也参与了此项工作。研究由科技部国家重点研发专项与国家自然科学基金的联合资助完成。 陆地表层碳氮过程与全球变化是我校农业资源与环境“双一流”建设学科的5个主干研究方向之一，也是生态学的交叉学科方向。胡水金教授长期从事植物-土壤微生物相互作用、土壤碳氮转化生态过程及其对全球环境变化的响应研究。近年来，他在参与北京大学方精云院士领导的中国陆地生态系统碳库动态研究领域取得重要成果，今年4月以我校为第一工作单位和共同作者的身份在美国国家科学院院刊PNAS上发表了两篇论文。
土壤是最重要的自然资源之一，是人类赖以生存和发展的物质基础，其质量好坏直接关系到区域生态安全和社会经济的可持续发展。土地利用和管理对土壤中众多的生态过程都具有非常重要的影响，往往决定着土壤质量变化的程度和方向。作为一种极为敏感和脆弱的土壤资源，盐碱土受土地利用方式的影响远高于其它土壤类型。因此，研究不同土地利用方式对盐碱土土壤质量的影响，对于科学管理和利用土壤资源，优化土地利用方式，促进农牧业的可持续发展具有重要意义。 为此，中国科学院东北地理与农业生态研究所草地农牧业学科组以长岭草地农牧生态研究站的土地多途径利用长期实验为研究平台，分析了五种短期土地利用方式（耕地、人工苜蓿地、补播羊草地、补播羊草割草地和自然恢复草地）对松嫩碱化草地土壤质量的影响。结果表明，各土地利用方式下，土壤有机碳主要以极不稳定有机碳组分为主，其占总有机碳的比例均超过40%。草地恢复提高了土壤中活性有机碳组分的含量和土壤酶的活性。与玉米地相比，苜蓿地、羊草割草地、羊草地和自然恢复草地中0~20cm土层土壤活性碳的几何平均数分别提高了37.00%、22.00%、13.00%和30.00%；而土壤酶活性的几何平均数分别提高了69.27%、46.35%、50.00%和56.77%。 进一步的研究表明，松嫩碱化草地土壤质量评价的最小数据集中包括蔗糖酶活性、N:P、可溶性有机碳含量和不稳定有机碳含量4个土壤指标。4个土壤质量指数均能准确地反应出土地利用方式对土壤质量的影响，但由于SQI-NLWA在不同土地利用方式间的差异更明显，变异性更大，能更敏感地反映出土地管理措施的影响，因此更适合研究区内土壤质量的评价。苜蓿地、羊草地和自然恢复草地中土壤质量指数均较高，表明草地恢复显著改善了研究区内的土壤质量。 上述研究工作得到了国家自然科学基金和黑土重点实验室开放基金项目的资助，相关研究成果发表在农学和生态学领域国际期刊Agriculture, Ecosystems and Environment、Science of The Total Environment 和Ecological Indicators 上。东北地理所工程师禹朴家为论文的第一作者。 论文信息： 1. Yu Pujia, Liu Shiwei, Zhang Liang, Li Qiang, Zhou Daowei. Selecting the minimum data set and quantitative soil quality indexing of Alkali soils under different land uses in northeastern China. Science of the Total Environment, 2018, 616-617: 564-571.? 2. Yu Pujia, Liu Shiwei, Yang Hongtao, Fan Gaohua, Zhou Daowei. Short-term land use conversions influence the profile distribution of soil salinity and sodicity in northeastern China. Ecological Indicators, 2018, 88: 79-87. ? 3. Yu Pujia, Liu Shiwei, Han Kexin, Guan Shengchao, Zhou Daowei. Conversion of cropland to forage land and grassland increases soil labile carbon and enzyme activities in northeastern China. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2017, 245: 83-91. ? 4. Yu Pujia, Han Kexin, Li Qiang, Zhou Daowei. Soil orgnaic cabron fractions are affected by differnet land uses in an agro-pastoral transitional zone in Northeast China. Ecological Indicators, 2017, 73: 331-337.?
图：不同土地利用方式下的土壤质量指数?
土壤氮（N）素的有效性是植物生长的主要制约因素，因而对陆地生态系统碳（C）收支平衡起着至关重要的作用。土地利用方式的改变，尤其是农田向人工造林地的转变能大幅增加土壤中有机C的储存，减缓温室效应。然而，随着人工造林下植被生物量的增加和有机C的固持，N素的限制作用越来越突出。未施肥土壤中90%以上的N以有机形态存在，因而土壤有机质中N的释放通常决定着生态系统中N的有效性。然而，在造林系统中，土壤有机N的周转状况如何，土壤有机质中N素的供应能否满足造林下C固持增加的需求，这些问题仍不十分清楚。因而对土地利用变化下有机氮周转状况进行研究对于理解气候变化背景下C的收支平衡状况具有十分重要的现实意义。 中国科学院武汉植物园土壤生态学学科组博士后冯娇在研究员程晓莉的指导下，以丹江口库区农田、灌丛和森林为对象，测定土壤团聚体中N含量、δ15N同位素以及酶活性的变化。研究结果表明，造林显著增加土壤全N的储量，增加土壤N水解酶活性，但是却降低稳定态N占全N的比例以及土壤δ15N值。土壤全N储量与土壤有机C储量之间呈显著的正相关；类似地，土壤N水解酶活性与C水解酶活性也呈显著的正相关。总体上，研究结果表明，造林地N对C固持的限制能通过以下途径得以缓解：包括1）增加土壤N水解酶活性；2）降低稳定态N占全N的比例；3）维持稳定的C:N酶计量比例；造成整体上N和C循环的紧密耦合（如图）。 该研究得到国家自然科学基金 (31470557, 31770563, 31700461)和中科院战略先导专项B(XDB15010200)的资助，相关研究成果以Stimulation of nitrogen-hydrolyzing enzymes in soil aggregates mitigates nitrogen constraint for carbon sequestration following afforestation in subtropical China 为题发表在国际期刊Soil Biology and Biochemistry上。
编辑：Athena |
