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土壤有机碳时空变异模拟研究取得进展

日期: 2018-11-22
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土壤有机碳时空变异模拟研究取得进展


土壤有机碳时空变异模拟研究取得进展

土壤有机碳时空变异模拟研究取得进展

       

受限于土壤样点的时间维属性,一般的土壤制图只能获得固定时间的“静态”土壤图,描述目前或过去状态的格局。但是,土壤在不同土地利用条件下未来如何演变,在不同的气候变化情景下呈现怎样的时空变化特征?这是土壤时空变化预测的重要主题。

中国科学院南京土壤研究所张甘霖课题组副研究员宋效东以土地利用变化频繁的太湖周边地区为例,深入研究了土壤有机碳含量空间变异的主导因素,提出了基于土壤发生理论的启发式元胞自动机模型,模拟土壤有机碳含量在土地利用与气候变化条件下未来60年内的时空变异特征。有别于常规的元胞自动机模型,该方法不仅能够有效集成影响土壤有机碳含量的静态/动态环境变量,还能够根据土地利用类型(旱地/水田)动态地度量有机碳富集对临近区域有机碳水平迁移的影响范围。鉴于土地利用类型的重要性,根据历史土地利用图层制作了研究区未来60年的土地利用变化图。模拟结果表明:研究区土壤表层有机碳含量在未来60年内随着气温、降雨的升高与城镇化进程的推进将呈现持续上升的趋势。研究提出的预测模型为土壤属性的时空变异模拟提供了新的解决方案与思路。

该研究成果发表在Agriculture, Ecosystems and Environment上。研究得到国家重点研发计划(2017YFA0603002)、科技基础性工作专项(2008FY110600)、国家自然科学基金(4157113005141771251)的资助。(来源:中国科学院南京土壤研究所)

 

Heuristic cellular automaton model for simulating soil organic carbon under land use and climate change: A case study in eastern China

 

Abstract  The concentration of soil organic carbon (SOC) is one of the most important soil properties, and its spatio-temporal variability greatly affects the global climate and agroecology. To investigate the effects of land use and climate change on SOC, a heuristic cellular automaton (HCA) model was proposed and applied to a plains area in eastern China with a high population density and rapid urbanization rate. The HCA model was designed to simulate the geographical variation in SOC dynamics over the long term (2080), and lateral carbon (C) migration is represented by revised neighbourhood variables at the macro scale. Three widely used soil mapping techniques were applied for comparison: multiple linear regression (MLR), support vector machine (SVM) and kriging with external drift (KED). The HCA model enhanced the accuracy of the predicted SOC by 15.27% over MLR, 12.31% over SVM and 10.98% over KED. Future land use maps were produced using legacy land use data and artificial neural network-based cellular automata (CA), and the simulation results showed the rapid urbanization of this area, where the percentage of cropland declined by 23.75% and that of village/urban areas increased by 22.90% from 2010 to 2080. The overall SOC concentrations are anticipated to increase by 2080 given the rising mean annual air temperature and mean annual precipitation. Our results also suggested that land use change clearly influenced the change in soil C, with village/urban areas exhibiting higher SOC than cropland. To provide stakeholders with accurate soil information, it is important to understand the comprehensive impacts of land use and climate change on soil evolution; this study illustrates the value of integrating pedogenetic information in soil C simulation models.


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    2025 - 06 - 13
    原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-025-60036-5 如有检测相关需求欢迎so栢晖生物了解更多~
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    2025 - 06 - 05
    根系分泌物的研究是理解土壤-植物-微生物互作的核心环节,是破解土壤“黑箱”的钥匙。对生态理论(如植物-微生物共进化)、应用实践(智能农业、生态修复)均具深远意义。01土壤生态系统的“隐形语言”根系分泌物是植物与土壤环境沟通的化学信号,包含有机酸、糖类、氨基酸、酚类、酶等数千种化合物。它们如同植物的“代谢指纹”,动态响应环境变化(如干旱、养分胁迫或病原体攻击),并调控周围土壤生物的活性。研究这些物质能揭示植物如何主动塑造其根际微环境,而非被动适应。02驱动土壤养分循环的关键引擎养分活化:例如,植物在缺磷时分泌柠檬酸、苹果酸等有机酸,溶解土壤中固定的磷酸盐;缺铁时分泌酚类化合物(如禾本科植物的麦根酸)螯合铁离子。碳分配策略:根系分泌物占植物光合产物的5%-40%,是土壤微生物的主要能源。其化学组成直接影响微生物介导的碳氮磷循环效率,进而决定土壤肥力。03超微生物群落的“指挥棒”选择性招募:植物通过分泌物招募互利菌群(如固氮根瘤菌、菌根真菌),或抑制病原菌(如分泌抗菌酚类)。例如,豆科植物分泌黄酮类物质诱导根瘤菌结瘤基因表达。群落结构调控:分泌物组成差异会导致根际微生物α/β多样性变化,影响生态功能(如抑病型微生物组的形成)。04应对全球变化的潜在杠杆气候适应性:高温或CO₂升高可能改变分泌物量与成分(如增加糖类分泌),进而反馈于土壤碳封存潜力。理解这一机制有助于预测生态系统碳平衡。污染修复:某些分泌物(如紫苏酮)能激活根际降解菌,加速石油烃、农药等污染物的分解,为植物-微生物联合修复提供策略。05农业可持续性的突破口精准施肥:解析作物品种的分泌物特征可指导微生物菌剂开发,减少化肥依赖(如利用磷solubilizing 细菌)。抗逆育种:筛选分泌物中关键抗逆物质(如干旱诱导的脱落酸类似物),可为抗性品种选育提供分子标记。连作障碍缓解:阐明分泌物积累导致的土传病原菌富集机制(如黄瓜...
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    2025 - 05 - 30
    在生态土壤研究中,土壤铁铝氧化物和铁结合态有机碳是两类不同的组分,它们在形成机制、生态功能及研究意义上存在显著差异。铁铝氧化物和铁结合态有机碳在有机碳固存中的双向作用:铁结合有机碳(OC-Fe)是MAOC的重要组成部分,通过形成Fe-有机复合物在SOC的积累和保存中起着至关重要的作用。Fe通过三种主要机制促进SOC的积累:促进土壤团聚体的形成、与溶解有机碳的吸附和共沉淀以及改变微生物活动。同样,Al可以吸附到活性表面位点或与土壤固相共沉淀,从而增强SOC的稳定性。因此, Fe- Al氧化物可以加速OC- Fe的积累并在SOC封存中发挥关键作用。编辑搜图以下是两者的主要区别: 1. 定义与组成 铁铝氧化物化学本质:主要是铁(Fe)和铝(Al)的氧化物、氢氧化物及其水合矿物,如赤铁矿(Fe₂O₃)、针铁矿(FeOOH)、三水铝石(Al(OH)₃)等。来源:由原生矿物风化或次生矿物形成,受土壤pH、氧化还原条件及气候影响。特点:无机矿物相,具有高比表面积和可变电荷,对磷、重金属等有强吸附能力。铁结合态有机碳化学本质:有机碳(如腐殖酸、多糖等)通过吸附、共沉淀或配位键与铁氧化物结合形成的复合体。来源:有机质与铁铝氧化物的相互作用,常见于厌氧-有氧交替环境(如湿地、水稻土)。特点:有机-无机复合体,是土壤碳库的重要稳定形式。 ------------- 2. 形成机制 铁铝氧化物通过化学风化(如硅酸盐矿物分解)或氧化还原过程(如Fe²⁺氧化为Fe³⁺)形成。受土壤pH和Eh(氧化还原电位)调控,酸性或厌氧条件促进溶解,中性/好氧条件促进沉淀。铁结合态有机碳吸附作用:有机碳通过静电或配体交换吸附在铁氧化物表面。共沉淀:有机质与铁离子共同沉淀形成混合相(如铁-有机胶体)。微团聚体保护:铁铝氧化物作为...
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    2025 - 05 - 22
    文献解读原名:Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide译名:土壤有机碳阈值控制肥料对全球农田碳积累的影响  期刊:Nature CommunicationsIF:14.7发表日期:2025.3第一作者:凌俊  中国农业大学资源与环境科学学院养分利用与管理国家重点实验室# 背景恢复土壤肥力和缓解全球变暖的举措在于重建土壤有机碳(SOC)。氮(N) 肥对作物产量至关重要,由于颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)对氮肥施用的响应不同,氮肥施用对土壤碳积累的影响难以预测。为了阐明这些影响,我们通过全球荟萃分析与大陆规模的田间试验相结合,研究初始SOC含量如何与氮肥相互作用来影响全球农田土壤的SOC积累。# 假设(1)氮肥施用促进了植物生产力和大团聚体的形成,从而增加了POC的积累和稳定;(2)在土壤SOC匮乏的土壤中,资源化学计量和微生物养分需求之间的不平衡阻碍了微生物残体碳(MBC)的形成和POC的分解,从而削弱了MAOC的积累;(3)较高的微生物代谢效率和微生物残体量,再加上矿物保护,增加了富含SOC土壤中MAOC的含量。# 材料与方法(1)为了确定初始SOC含量是否影响POC和MAOC响应氮肥的全球变化,我们编制了一个数据库,包括来自全球118个野外站点的609个POC和MAOC变化的配对观察值(图1),涵盖了非常广泛的初始SOC含量范围(0.79~46.1g kg-1);图1研究地点的全球分布(2)中国四个试验地点位于曲周(QZ,9.49 g kg-1)、长武(CW,9.51 g kg-1)、四平(SP,16.3 g kg-1)和雅安(YA,17.4 g kg...
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案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
说明:
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