国内土壤科研进展（2019年第19期）|研究

土壤观察

导读
华中农大在生物炭与土壤修复研究取得新进展；中科院地理资源所何念鹏研究团队发展了SOM分解对温度响应的新培养和测定模式；中科院南京土壤所在探地雷达识别土体构型及功能方面取得进展。

来源：根据华中农业大学资环学院、中科院地理科学与资源研究所、土壤与农业可持续发展国家重点实验室等单位网站近期相关报道整理

华中农大在生物炭与土壤修复研究取得新进展

目前，中国土壤重金属污染问题日益突出，其中重金属镉污染现象尤为严重。有研究表明，即使在相对少量的情况下，镉也能造成人体肾功能和肝功能紊乱，危害人体健康。生物炭因其发达的孔隙结构和丰富的表面含氧官能团，在土壤重金属钝化方面取得了很好的效果。然而，生物炭对土壤中镉的钝化固定机制较为复杂，有物理吸附作用，有以化学反应为主的离子交换和络合反应，有分子间或离子间的静电引力作用，还有生物炭胶体在固定重金属后的团聚沉降等行为。迄今为止，对生物炭固定重金属机理的研究主要集中在孔径，pH和含氧官能团上，关于生物炭表面负电荷对土壤重金属固定的作用仍然未知。

资环学院积极开展生物炭与土壤修复研究，以镉污染土壤（采自湖南省岳阳市临湘县忠防镇双港村）为对象。在镉污染土壤中分别添加不同条件制备的秸秆生物炭，通过多种手段（XPS、FTIR、Zeta potential analysis等）分析了生物炭表面负电荷的产生原因以及土壤镉固定的影响。研究发现，影响生物炭表面负电荷的因素是灰分、pH、含氧官能团、极性基团和氢键等。其中，pH、含氧官能团和极性基团对表面负电荷具有正效应，而氢键可以减少表面负电荷，而起决定作用的是生物炭表面的羟基含量。上述研究首次探讨了生物炭表面负电荷与土壤中重金属镉的固定关系，对于深入理解土壤中重金属的钝化和去除机制、开发高吸附性的重金属去除材料具有十分重要的意义。

2019年以来，在生物炭与土壤修复研究取得一系列研究成果，其中在环境领域top期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering（IF：6.970）发表2篇（硕士生刘利云和袁胜男分别为论文第一作者，谭中欣教授为唯一通讯作者）；Journal of Hazardous Materials（IF：7.650）发表1篇（谭中欣教授为论文第一和唯一通讯作者）；Journal of Cleaner Production（IF：6.395）发表1篇（硕士生叶志雄为论文第一作者，谭中欣教授为唯一通讯作者）；Science of the Total Environment（IF：5.589）发表1篇（硕士生龚华波为论文第一作者，谭中欣教授为唯一通讯作者）。这些研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。

影响生物炭表面负电荷的因素

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030438941931324X

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719336666

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b03098

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S09565261932955

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b04253

中科院地理资源所何念鹏研究团队发展了SOM分解对温度响应的新培养和测定模式

土壤有机质(SOM)对温度变化的响应，不仅影响土壤养分循环、还影响陆地生态系统碳源/汇效应。土壤有机质分解的温度敏感性（Q10）不仅是生态学和土壤学研究的核心科学问题之一，也是全球变化生态学研究的热点领域。国内外学者对Q10的影响因素或机制开展了大量卓有成效的研究工作，并有不少相关的综述或展望；然而，迄今为止有关培养与测定模式的探讨却非常少。

传统上，科研人员广泛采用了恒温培养+间断测定模式（CDM模式）；即通过设置3~6个恒定温度对土壤进行培养（如5、10、15、20、25 oC等），然后在天、周、月间隔，测定土壤有机碳分解速率（Rs）；在测试方法上，大多采用碱液吸收法或气相色谱法进行测定，然后再利用所测定的Rs和对应温度计算Q10。后来，也有人在此基础上提出将土壤培养改良为连续变温的模式，即连续变温培养+间段测试模式（VDM模式）。这两种经典模式极大地推动了SOM分解对温度响应的研究，但却无法从理论、算法、操作上克服其固有的问题（详见原文讨论）。

为了克服CDM和VDM模式的弊端，在总结前人相关研究基础上，中科院地理资源所何念鹏研究团队发展了连续变温培养结合连续–高频土壤微生物呼吸速率的测定装置与技术（PRI-8800），并发展了Q10研究的连续变温培养+连续自动测试的新模式（图, VCM模式）。VCM模式充分利用连续变温培养+连续–高频土壤微生物呼吸测定装置联用的优势，实现了对土壤样品连续变温培养，基本克服了CDM模式中土壤微生物对特定培养温度的适应性和底物消耗不均的重要缺陷。VCM模式通过开发连续–高频土壤微生物呼吸测定系统，可结合培养过程的温度特征，在升/降温过程中对每个样品进行连续的、高频度的测试。通过测定更多温度下土壤微生物呼吸速率，从而提高Q10的拟合精度。同时，在新设备支持下，VCM模式的培养与测试过程非常简单快捷，有利于开展大量样品测试或大尺度联网研究。

在理论上深入探讨三种模式优缺点的基础上，研究团队结合三种模式开展了多点的对比性案例研究，有关VCM模式优缺点和应用前景的相关论文近期在土壤学领域国际著名期刊《Soil Biology & Biochemistry》正式在线发表。该论文是团队前期大量研究的延续，为今后国内外开展SOM分解对温度变化响应的相关研究提供了可借鉴的方法学。

相关研究受到国家自然科学基金项目（31770655,41571130043）、国家重点研发计划项目（2016YFC0500102）、生态系统观测与模拟重点实验室青年团队项目（LENOM2016Q0005）等项目的资助。

SOM分解对温度变化响应的连续变温培养+连续测定模式（VCM模式）

相关研究论文

1． Liu Y, He NP, Xu L, et al. 2019. A new incubation and measurement approach to estimate the temperature response of soil organic matter decomposition. Soil Biology & Biochemistry, 138, 107596. (原文：www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071719302603)

2． Liu Y, He NP, Wen XF, et al., 2018. The optimum temperature of soil microbial respiration: Patterns and controls. Soil Biology and Biochemistry, 121: 35-42.

3． Liu Y, Wen XF, He NP. Widespread asymmetric response of soil heterotrophic respiration to warming and cooling. Science of Total Environment, 635: 423-431.

4． Wang Q, He NP, Xu L, et al., 2018. Important interaction of chemicals, microbial biomass and dissolved substrates in the diel hysteresis loop of soil heterotrophic respiration. Plant and Soil, 428: 279-290.

5． Wang Q, He NP, Xu L, et al., 2018. Microbial properties regulate spatial variation in the differences in heterotrophic respiration and its temperature sensitivity between primary and secondary forests from tropical to cold-temperate zones. Agriculture and Forest Meteorology, 262, 81-88.

6． Li J, He NP, Xu L, et al., 2017. Asymmetric responses of soil heterotrophic respiration to rising and decreasing temperatures. Soil Biology & Biochemistry, 106: 18-27.

7． Liu Y, He NP, Xu L, et al., 2017. Regional variation in the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition in China’s forests and grasslands. Global Change Biology, 23: 3393-3402.

8． Wang Q, He NP, Liu Y, et al., 2016. Strong pulse effects of precipitation event on soil microbial respiration in temperate forests. Geoderma, 275: 67-73.

9． Wang Q, He NP, Yu GR, et al., 2016. Soil microbial respiration rate and temperature sensitivity along a north-south forest transect in eastern China: Patterns and influencing factors. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 121: 399-410.

10. He NP, Wang RM, Dai JZ, et al., 2013. Changes in the temperature sensitivity of SOM decomposition with grassland succession: Implications for soil C sequestration. Ecology and Evolution, 3: 5045-5054.

中科院南京土壤所在探地雷达识别土体构型及功能方面取得进展

精准获取土体构型信息对地力提升、土地整治以及数字化农业具有十分重要的意义。不同于传统费时费力的土钻或挖剖面等破坏性取样，以探地雷达为代表的地球物理方法被认为在快速获取较大尺度上土体构型定量化信息具有非常大的应用潜力。最近，土壤与农业可持续发展国家重点实验室张佳宝研究员团队经过多年的努力，联合国内外同行，开发了基于多通道原理的高精度同步识别反射层厚度和含水量的探地雷达反演方法以及耦合雷达观测和水文模型的水力参数反演方法，并在封丘农业生态实验站附近复垦农田开展了验证工作，研究成果最近在国际著名期刊Hydrology and Earth System sciences上发表。

随着探地雷达硬件技术和相关算法快速发展，应用探地雷达高精度识别土层结构和含水量的能力在过去的近20年中得到了显著提高。该研究在利用多通道探地雷达获取田块尺度土体构型结构和含水量动态信息的基础上，进一步开发了相应的快速识别土体构型水力功能参数的方法。未来进一步开展不同土体构型的探地雷达高精度识别方法，可望进一步拓宽其在土壤学中的应用，从而提高土壤信息数字化快速获取的能力。

该系列工作由中德两国同行科学家合作完成。土壤与农业可持续发展国家重点实验室潘喜才研究员为论文第一作者和通讯作者，研究工作得到了中国国家基金委面上项目的资助。

Pan XC, Jaumann S, Zhang JB, Roth K. Efficient estimation of effetive hydraulic properties of stratal undulating surface layer using time-lapse multi-channel GPR. Hydrol. Earth Syst. Sci., 2019, 23: 3653-3663

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