导 读
揭示土壤微生物对土地利用变化和土壤资源可利用性的响应特征等8则进展。
来源:根据中国科学院网站、中国科学报、工人日报近期相关报道整理
地表土壤水分动态变化监测方法研究取得进展
近日，中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室副研究员曾江源等基于最新的L波段SMAP辐射计亮温数据，发展了一种全新的微波土壤水分指数（SMI）用来捕捉土壤水分的动态变化趋势。该研究成果发表在国际期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上。
土壤水分是连接陆地水、能量和碳循环的关键水文变量，获取准确的土壤水分动态变化信息对于许多水文气象应用至关重要。在全球大尺度的土壤水分监测上，能够全天时、全天候工作的被动微波遥感被认为是目前最有效的手段。
然而，由于植被、地表粗糙度及其耦合作用的影响，使得利用被动微波亮温反演土壤水分仍面临很大的挑战。以往的土壤水分反演算法或者指数对于植被和地表粗糙度影响的校正上主要存在两个问题：1）在植被影响的校正上，往往需要引入光学辅助参数如NDVI、LAI等，一方面光学植被指数存在容易信号饱和的问题，另一方面光学观测容易受云雾的影响，降低了算法的实用性；2）在地表粗糙度影响的校正上，通常将其假设为不随时间变化的固定值，这与实际自然情况明显不符，因此会不可避免地带来误差。
微波土壤水分指数（如图1所示）的提出基于以下两个明确的物理机理：1）植被和地表粗糙度对微波辐射具有“去极化效应”（随着这两个参量的增加，微波极化差异变小），而土壤水分则增强了微波极化差异；2）植被、地表粗糙度与地表发射率呈正相关（两者值越大，地表发射率越大），而土壤水分与地表发射率为负相关关系，发射率随着土壤水分的增加而减少。基于这两个物理机理，可以在不依赖植被类型和地表粗糙度条件下，在二维空间中将土壤水分与植被及地表粗糙度的影响进行分离。
为了检验新发展的微波土壤水分指数在捕捉土壤水分动态变化上的准确性，研究采用了在全球覆盖不同地表及气候条件的五个土壤水分密集观测网的实测数据对该指数进行了验证，并在粗尺度分辨率(~36 km)及中等尺度分辨率(~9 km)下与国际主流的土壤水分产品进行了对比，包括粗尺度下的NASA SMAP被动与ESA CCI产品，以及中等尺度下的NASA SMAP增强被动及JAXA AMSR2产品。
结果表明，新发展的微波土壤水分指数能够很好地同时捕捉粗尺度及中等尺度分辨率下地表土壤水分的动态变化趋势，其与地表土壤水分的平均相关系数分别为0.87和0.84，优于SMAP被动(0.80)、SMAP增强被动(0.77)、ESA CCI (0.69)和JAXA AMSR2 (0.53)。进一步利用CDF匹配技术进行偏差校正后，SMI在36 km与9 km下整个观测期内的RMSE分别为0.028 m3m-3 与0.032 m3m-3，优于其他卫星产品（图2）。
新发展的微波土壤水分指数具有以下三个方面的独特优势：1）SMI是一个基于物理、无量纲的简单的指数，计算时不需要任何的经验系数；2）除了地表温度以外（可由模型获取），SMI不需要其他辅助参数如光学的NDVI或者LAI等；3）SMI中考虑了植被和地表粗糙度的动态变化特性而不需要假设其不随时间变化。因此，新发展的微波土壤水分指数在全球尺度上具有非常好的应用潜力。
该项研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金及中科院青年创新促进会项目等资助。
论文链接
https://ieeexplore.ieee.org/document/8935349
图1. 新的微波土壤水分指数SMI的概念示意图
图2. 经过CDF匹配技术偏差校正后的SMI与实测土壤水分在五个密集观测网的时序对比结果（36 km）。图中蓝色线代表实测土壤水分，黄褐色散点代表SMI，灰色阴影表示土壤冻结时期
华南植物园揭示碳源输入方式改变对土壤生物群落结构与功能的影响
土壤有机碳主要来自植物的地上凋落物和地下根系输入。植物碳分配方式的改变会显著影响土壤有机碳的积累，进而影响土壤生物群落的结构与功能。但是科研人员对植物地上和地下碳输入对土壤有机碳积累的相对贡献及其对土壤生物群落的潜在影响的了解非常有限。
中国科学院华南植物园恢复生态学团队（PI：刘占锋研究员）基于凋落物和根系去除野外控制实验平台，以南亚热带人工林（尾叶桉林和厚荚相思林）为研究对象，研究了长期凋落物和根系去除对土壤有机碳库和土壤生物群落的影响。研究发现：（1）持续去除凋落物（6年）显著降低了表层土壤（0-10cm）的有机碳含量，但是根系去除对土壤有机碳的效应不明显；（2）凋落物去除显著降低了表栖类蚯蚓（Amynthas sp.）和内栖类蚯蚓（Pontoscolex corethrurus）的密度和生物量，但是根系去除对两类蚯蚓影响不显著。研究结果表明，凋落物在调控土壤有机碳积累和土壤生物群落结构方面发挥的作用整体上要比根系大。研究结果不仅为揭示凋落物在亚热带人工林中生态功能提供了重要的实验证据，对于人工林的可持续管理也具有重要的实践指导意义。
相关研究结果已发表在国际土壤学和环境科学刊物Soil Biology and Biochemistry（《土壤生物学与生物化学》）和Science of Total Environment（《全环境科学》）上。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广州市科技计划项目资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071720300742?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719353331?via%3Dihub
图1. 凋落物和根系去除对土壤有机碳的影响
图2. 凋落物和根系去除对表栖类（左）和内栖类（右）蚯蚓生物量的影响
东北地理所在利用土壤种子库开展沼泽湿地恢复的理论与技术研究领域取得系列进展
沼泽湿地是自然界最富生物多样性的生态景观之一，具有极为重要的生态功能。近半个多世纪以来，人类大规模高强度的农业垦殖活动造成沼泽湿地面积急剧减少，功能丧失。为加强湿地保护，我国《湿地保护修复制度方案》提出坚持自然恢复为主、与人工修复相结合的方式。从2014年开始，中央财政支持启动了退耕还湿、湿地生态效益补偿试点工作，在黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古四个省区先行开展退耕还湿试点。然而，由于起步较晚，我国沼泽湿地生态恢复领域尚缺乏科学完善的理论和切实可行的技术支撑，目前的退耕还湿地存在植物群落结构简化、功能群变化、原有优势类群消失、植物多样性难以恢复的问题（Wang et al., 2019）。为解决上述问题，中国科学院东北地理与农业生态研究所科研人员以我国东北内陆典型淡水沼泽湿地为研究对象，开展了长期的科技攻关，在沼泽湿地生态恢复基础理论研究和技术研发示范领域取得系列进展。
在沼泽湿地生态恢复理论研究方面，系统揭示了沼泽湿地土壤种子库的结构和规模特征，发现沼泽湿地土壤种子库具有非常高的物种多样性（>50种物种），在生态恢复中具有十分重要的作用。明确了水深和开垦年限是影响土壤种子库的关键限制性环境因素（Wang et al., 2015）。发现沼泽湿地开垦后，随着开垦年限的增加，土壤种子库结构和规模发生变化，湿地物种丰富度及种子密度呈现指数函数快速下降趋势，而非湿地物种维持在一个稳定的低水平。首次提出基于种源限制的沼泽湿地植被恢复的开垦年限阈值（15-20年），并结合植物功能群（莎草、禾草、非禾草、灌木）变化对退耕地植被自然恢复潜力进行“高—中—低”三级划分，为退化沼泽湿地植被恢复技术优化和物种选择提供科学依据（Wang et al., 2017）。目前该成果已被国内外多家著名的湿地生态恢复科研团队采用，作为制定流域尺度湿地生态恢复方案的关键参数。
在沼泽湿地生态恢复技术研发方面，基于前期沼泽湿地土壤种子库理论研究，采用土壤种源中沼泽湿地物种数、优势种种子密度、湿地/非湿地物种比重三项指标，结合退耕地环境因子适宜性评估，发明了一种在大面积退耕地沼泽湿地植被恢复中选择自然恢复或人工恢复技术的判定方法，克服了目前我国大面积退耕还湿过程中沼泽湿地植被恢复措施的选择缺乏科学依据的问题（专利号：201610018928.1）。针对莎草类等恢复难度较大的典型优势植物功能群，发明了一种浮毯式沼泽湿地构建装置，克服了因退耕地种源缺乏和水位难以控制引起的目标物种难以恢复的难题，快速构建莎草类等沼泽植物类群发达稳定的根系系统，并不断发育扩张，形成具有自身稳定浮力作用的浮毯式沼泽湿地系统，最终通过无性繁殖的手段快速恢复沼泽湿地优势植被（专利号：201711230044.3）。
在沼泽湿地生态恢复示范推广方面，受黑龙江省湿地保护管理中心和黑龙江省七星河国家级自然保护区管理局委托，主持开展了中央财政支持的黑龙江省七星河国家级自然保护区湿地生态效益补偿试点项目（国投资金：2000万）的实施方案编制设计工作，完成了退耕还湿、水鸟迁徙通道粮食补偿、湿地信息化系统设计、生态环境治理四大类工程项目实施方案的设计。其中，退耕还湿工程作为本项目的核心工程，充分采用前述发明专利技术，通过土壤种子库快速研判，科学选用自然恢复和人工修复相结合的方式进行沼泽湿地植被恢复，并结合生境岛、生态廊道、生态沟渠构建和水文连通工程，开展水文-植被-栖息地多途径协同恢复，退耕还湿面积达1284.5亩。该实施方案顺利通过由湿地国际-中国办事处、保尔森基金会、北京师范大学、东北林业大学、黑龙江省科学院、哈尔滨湿地研究院等单位专家组成的专家评审会评审。目前该项目工程实施已基本完成，取得了预期的生态效益。同时，相关恢复技术已推广应用于三江、挠力河等国家级自然保护区开展的大规模“退耕还湿”生态工程，成为东北地区乃至全国湿地生态恢复领域产学研相结合的成功案例。
该成果由东北地理所副研究员王国栋（论文、专利、技术方案第一负责人）、研究员姜明、吕宪国等共同完成，得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、东北地理所优秀青年人才基金项目等共同资助。
学术论文
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925857419301090?via%3Dihub
https://www.nature.com/articles/s41598-017-11429-0
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925857415000622?via%3Dihub
沼泽湿地土壤种子库与环境因子的关系 退耕地沼泽植物多样性自然恢复潜力分级
沼泽湿地土壤种子库物种丰富度和种子密度随开垦年限变化特征
七星河保护区退耕还湿地沼泽湿地植被恢复效果（左图：恢复前；右图：恢复后）
华南植物园揭示氮沉降背景下森林土壤生物群落组成的维持机制
氮沉降对森林生态系统群落组成具有显著影响，而传统模拟氮沉降研究一般基于林下直接施氮，忽略了林冠过程的截留作用。考虑到林冠可以截留和利用相当一部分氮素（例如叶片可以直接吸收利用氮素），从而改变植物对土壤食物网的资源输入，将对直接利用凋落物和根系分泌物的土壤生物群落产生影响。土壤生物群落是陆地生态系统重要的分解者，参与维持森林生态系统的结构和功能。因此，在全球氮沉降增加的背景下，研究林冠过程如何影响土壤生物群落组成具有重要意义。
中国科学院华南植物园恢复生态学团队（PI：刘占锋研究员）利用河南鸡公山林冠氮沉降平台，系统研究了林冠施氮和林下施氮在两种施氮浓度下对穿透雨、植物资源输入、土壤理化性质和土壤生物群落组成的影响。发现林冠对25kg N ha-1 yr-1和50kg N ha-1 yr-1氮沉降的截留率分别达到了52%和44%；传统林下施氮对土壤线虫数量和多样性产生了明显的抑制作用，而林冠施氮对土壤线虫群落未产生明显影响。研究表明林冠在维持森林土壤生物群落方面发挥重要作用，这对于揭示全球变化背景下生物多样性的维持机制具有重要意义。此外，该研究还量化了自然状态下林冠对氮沉降（湿沉降）的截留效应，为以后的氮沉降研究提供了新思路。
相关研究结果已发表在国际土壤学期刊Soil Biology & Biochemistry（《土壤生物学与生物化学》）上。该研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州市科技计划和中科院青年创新促进会优秀会员项目等资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071720300304?via%3Dihub
图1. 氮沉降背景下森林土壤生物群落组成的维持机制
图2. 林冠施氮和林下施氮对土壤线虫多样性的影响
沈阳生态所揭示植物修复多环芳烃-重金属复合污染土壤的根际作用机制
多环芳烃（PAHs）污染土壤是一个普遍存在的环境问题，对人类生命和生态系统构成了严重威胁。通常，多环芳烃与重金属可通过污水灌溉、固体废物处理、交通运输以及工业活动等途径进入到土壤中，通过积累而形成复合污染。多环芳烃和重金属具有致癌性、致突变性和致畸性，并且可在土壤中持久留存。近几十年来，我国土壤中多环芳烃和重金属的复合污染问题迅速加剧，因此引起了人们的广泛关注。植物修复技术具有成本低、无二次污染、应用范围广等优点，是人们公认的一种利用植物降解、同化、代谢或解毒重金属和有机污染的低成本高效技术。植物根际某些具有特殊功能的微生物会参与土壤污染物的降解过程，对根际污染物的降解具有重要影响。不同类型污染物共存可能会影响植物的修复潜力，因为污染物的存在会对植物与其根际微生物间复杂的相互作用产生影响。深入了解植物与微生物的相互作用，将为提高植物修复的效率提供依据。
中国科学院沈阳应用生态研究所污染生态与环境生态工程研究中心刘睿团队通过在生长室中进行盆栽试验，研究了修复植物火凤凰（一种羊茅）对多环芳烃-镉（PAH-Cd）复合污染土壤的修复效果和根际调控机制。研究测定了植物生物量、PAH和Cd的去除率、土壤酶活性和土壤细菌群落。种植150天后，低PAH复合污染土壤（104.79~144.87 mg·kg-1）中4种PAHs和Cd的去除率分别为64.57%和40.93%，高PAH复合污染土壤（169.17~197.44 mg·kg-1）中4种PAHs和Cd的去除率分别为68.29%和25.40%。种植了火凤凰的土壤中多酚氧化酶（PPO）活性降低，而脱氢酶（DHO）活性变化与低PAH土壤中PAHs和Cd的去除率具有显著的正相关关系 [r=0.862（P < 0.006）和0.913（P < 0.002）]。同时，使用16S rRNA的高通量454 Gs-FLX焦磷酸测序技术检测到细菌群落的连续变化，这些变化在PAH浓度低的复合污染土壤中尤为明显。火凤凰可以促进分枝杆菌Mycobacterium、Dokdonella、Gordonia 和Kaistobacter的生长，它们在PAHs降解或Cd耗散中起重要作用。结果表明，火凤凰能有效地激发土壤酶和细菌群落，增强PAH-Cd复合污染土壤的植物修复潜力。
该成果以Fire Phoenix facilitates phytoremediation of PAH-Cd co-contaminated soil through promotion of beneficial rhizosphere bacterial communities 为题发表于期刊Environment International。在读博士研究生代元元为第一作者，研究员刘睿为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金的支持。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412019341443?via%3Dihub
图1.本研究技术路线示意图
图2.污染土壤群落细菌DNA序列的属级分类
版纳植物园揭示土壤微生物对土地利用变化和土壤资源可利用性的响应特征
土壤是陆地生态系统的重要组成部分，它直接贡献了诸多生态服务功能，包括净初级生产力、气候和水分调节、养分循环与碳封存等，这种服务功能从根本上取决于地上植物群落、地下土壤微生物的多功能性发挥程度。因此，对地下土壤微生物过程的深入认知，将有助于制定合理有效的土地利用和管理措施、充分发挥生态系统的服务功能。然而，对干旱热带环境下土地利用变化导致的土壤生物响应尚不明确。
为此，中国科学院西双版纳热带植物园生态水文研究组博士后Singh Ashutosh Kumar测定了干旱热带环境下土壤微生物指数随土地利用变化（自然林、轮歇地、农田）、季节更替、土壤资源（C、N、P）可利用性的响应特征。研究结果表明：1.土壤微生物量、二氧化碳释放量（Cefflux）、水解酶活性（磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、脱氢酶、荧光素二乙酸酯）对土地利用变化的反应非常敏感，敏感顺序是自然林> 农田> 轮歇地，这与农田较低的有机碳（SOC、OC、POC）、总氮和磷及耕作施肥引起的高无机氮和磷有关，而轮歇地较低的土壤微生物活动则与其较低的枯落物量和根系有关。2.氧化酶活性（酚氧化酶、过氧化物酶）则是农田> 自然林>轮歇地，这与农田耕作导致的土壤高氧化、高持续有机碳（NPOC）有关。3.季节变化对不同土地利用类型土壤微生物指数的影响大致相似，其中以自然林的变化最大，表明土壤微生物对多年生植物响应的重要性。4.在不同土地利用类型中，轮歇地的单位土壤微生物指数和微生物代谢率（qCO2）最高。以上结果表明，森林砍伐后土壤微生物受到的胁迫压力最大，而农业活动对土壤微生物活性的影响最显著。
相关结果以Biological indicators affected by land use change, soil resource availability and seasonality in dry tropics 为题，发表在期刊Ecological Indicators 上。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1470160X2030306X
土壤微生物对土地利用变化（LUC）的响应
南京农业大学证实粘细菌调控土壤微生物生态平衡
EGB菌株在黄瓜枯萎病防治中的两年田间表现
本报讯（记者李晨）近日，南京农业大学生命科学学院教授崔中利团队，揭示了粘细菌在土壤中向植物根部迁移的时空分布规律，提出并验证了粘细菌的捕食行为驱动土壤中作物有益微生物群落结构稳定，从而降低病害发生的研究假设。相关研究成果在线发表于《微生物组》。
在微生物群落中，粘细菌具有多细胞群体行为特征，是一种通才型捕食性微生物类群，被认为是高等的原核生物。科研人员通过粘细菌—黄瓜—土壤微生物互作关系研究发现，在根际分泌物的驱动下，粘细菌EGB对麦芽糖和麦芽糖醇具有较强的趋化作用，使其向根部定向迁移并定殖，并在迁移过程中通过捕食作用调控土壤微生物群落结构。研究还发现，粘细菌处理组土壤中，捕食性微生物的相对丰度显著高于其他处理组，而尖孢镰刀菌的数量明显下降，从而抑制病害的发生。
崔中利说，该项研究首次证明粘细菌对植物根际分泌物的响应机制，解析了粘细菌捕食行为的生态学功能，对于了解捕食性微生物—植物—土壤微生物互作关系具有重要的指导意义，并为植物病原菌的生物防控提供了新思路。
相关论文信息
https://doi.org/10.1186/s40168-020-00824-x
原文链接
http://paper.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/4/354788.shtm?id=354788
最新研究显示：秸秆还田过量对重金属超标土壤不利
水稻（Ri）和油菜（Ra）秸秆产生的溶解性有机碳过量，导致有机铁氧化物复合体（OFC）溶解，降低重金属Cr（铬）的固定量。中国农科院供图
工人日报客户端４月21日电 近日，《环境科学与技术》在线发表中国农科院农业环境与可持续发展研究所“退化及污染农田修复”创新团队最新研究成果——他们以我国土壤中典型的、具有高致毒性重金属铬（III）为例，在微观分子水平上揭示了秸秆还田对土壤重金属铬污染控制具有重要影响。该研究成果对于在铬超标农田秸秆还田管理，保障农田安全利用具有重要意义。
据该论文通讯作者杨建军研究员介绍，秸秆还田是我国农业废弃物资源化的重要途径，秸秆还田过程中如何保障重金属超标农田的安全利用尤为重要。
秸秆还田过程会释放溶解性有机碳，在秸秆还田量较低的条件下，溶解性有机碳释放量有限，不会影响土壤中有机铁氧化物复合体对铬（III）的固定，其环境风险低；但是一旦过量，溶解性有机碳会抑制土壤有机铁氧化物复合体形成，并显著降低土壤有机铁氧化物复合体对铬（III）的固定量，进而增加土壤铬的流失风险及其对食物链的污染风险。
该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目和大科学装置联合基金项目、中国农科院科技创新工程以及农业农村部农业环境重点实验室基础研究项目等项目资助。
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