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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(41571130051和41771251)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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    2026 - 10 - 23
    土壤胞外聚合物是细菌、真菌、古菌等微生物分泌到胞外的高分子凝胶状混合物,包裹微生物细胞,弥散在土壤孔隙中,被称为微生物的“房子 + 保护膜 + 胶水”。在碳汇、土壤退化、农田地力修复、重金属污染修复领域都是重点研究对象。一、什么是EPS1. 主要组分多糖(最主要)、蛋白质、核酸(胞外 DNA)、腐殖类物质、脂质等;区分:不是微生物菌体本身,是分泌到细胞外面的物质;形态:凝胶状、黏液状,可溶解在土壤溶液,也可吸附在矿物颗粒表面。2. 土壤 EPS 的来源①活微生物主动分泌(饥饿、干旱、重金属胁迫时分泌量会升高,自我保护);②微生物细胞裂解死亡后释放的胞内大分子;③少量植物根系分泌物贡献(注意区分根分泌物和微生物 EPS)。3. 存在位置:土壤孔隙表面、矿物颗粒表面、团聚体内部、生物膜中。二、土壤 EPS 有哪些核心生态功能1. 土壤结构塑造:土壤颗粒的“胶水”1.1 黏结土壤微颗粒,促进土壤团聚体形成与稳定;1.2 有机质、腐殖质是长效胶结剂,EPS 属于活性胶结物质,周转更快。2. 土壤碳循环与固碳潜力2.1 EPS 属于活性有机碳库:周转时间短,但贡献不可忽视;2.2 一部分 EPS 可以被矿物吸附保护,长期封存,是土壤稳定碳汇的重要组分;2.3 延伸:农田、森林、草地不同生态系统 EPS 碳差异;土地利用变化如何影响 EPS 固碳。3. 微生物生存的 “微环境”3.1 缓冲外界胁迫:干旱时保水;重金属、有毒污染物结合固定,降低毒性;3.2 富集养分:吸附土壤溶液里 N、P、离子,储存在生物膜内,缓慢供给微生物;3.3 维持生物膜结构,促进微生物间物质交换、基因水平转移。三、实验方法四、数据示例(胞外聚合物-蛋白)
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    2026 - 10 - 23
    文献信息:原名:Microbial community assembly mediated by soil organic carbon stability in aggregates under long-term enclosure alpine meadows译名:长期围封高寒草甸团聚体中土壤有机碳稳定性介导的微生物群落构建期刊:Ecological IndicatorsIF:8.7发表日期:2026.8第一作者:郑陈风 愚广灵 新疆农业大学资源与环境学院通讯作者:周建勤副教授(新疆农业大学贾宏涛教授团队)背景:高寒草甸因低温环境和生态脆弱性,对维持区域碳平衡至关重要,但极易受过度放牧和气候变化影响而退化。围封是恢复退化草地和增加SOC储量的关键策略,但团聚体尺度上SOC稳定性的微生物机制尚不清楚。团聚体结构的改善,特别是大团聚体比例的增加,改变了SOC组分在这些微生境中的空间分布。具体而言,大团聚体通常富集易氧化有机碳(F1)和易氧化有机碳(F2),这些组分容易分解,是SOC周转的“热点”;而微团聚体主要为难氧化有机碳(F3)和氧化抗性有机碳(F4)提供物理保护,促进长期碳保留。土壤微生物是SOC转化的核心驱动者,其群落构建受确定性和随机性过程调控。然而,围封引起的SOC组分变化、微生物构建过程和共现网络属性如何共同驱动团聚体微生境中的碳固存,仍不清楚。科学问题:(1)长期围封对SOC及其组分动态的影响。(2)围封引起的团聚体微生境变化对微生物群落结构、多样性、构建过程和网络的影响。(3)关键SOC组分、微生物构建过程和网络属性对团聚体内SOC稳定性的共同调控机制。材料与方法:(1)研究地点:新疆巴音布鲁克高寒草原(海拔约2500 m,年均温4.8°C,土壤为粉砂质黏土,分类为Mat-Cryic Cambisol / Boroll)。(2)实验设计:依托中...
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    2026 - 10 - 10
    原名:Grassland degradation-induced soil organic carbon loss associated with micro-food web simplification译名:草地退化引起的土壤有机碳损失与微食物网简化相关期刊:Soil Biology and BiochemistryIF:12.2发表日期:2025.2第一作者:胡洋 新疆农业大学资源与环境学院,西北农林科技大学资源环境学院;寇天乐 新疆农业大学资源与环境学院背景:草地储存了全球约20%的土壤有机碳(SOC),但当前SOC储量因人为压力和气候诱导的草地退化而持续下降。理解草地退化过程中SOC损失的机制,对于制定减缓CO₂排放的策略至关重要。土壤中栖息着大量生物,形成了复杂的微食物网。土壤微食物网通过个体生物的活动和相互作用,在维持土壤碳循环和碳储量方面发挥着至关重要的作用。一般认为,复杂的微食物网与稳定的微生物介导碳动态相关,有利于碳固存。然而,草地退化过程中微食物网的变化及其与SOC动态的关系仍不清楚,限制了草地生态系统SOC动态的预测。科学问题:(1)研究草地退化对多营养级多样性的影响;(2)评估多营养级生物间的相互作用如何响应草地退化;(3)阐明土壤微食物网、微生物残体积累与微生物代谢效率之间的关系。材料与方法:(1)研究地点:新疆巴音布鲁克高寒草地(82°59′-84°35′E,42°40′-43°00′N),海拔2300-3042 m,年均降水273 mm,年均温-6.6°C。(2)实验设计:采用空间代替时间方法,在高寒草甸和高寒草原分别建立退化梯度样带。共40个样地(2种草型×4个退化梯度×5个重复),每个样地设置3个1×1 m子样方。采用草地退化指数(GDI)综合植物和土壤属性将...
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    文献信息原名:Global patterns and drivers of soil microbial nitrogen and phosphorus use efficiency译名:土壤微生物氮磷利用效率的全球格局与驱动因子期刊:Nature CommunicationsIF:18.1发表日期:2026年3月17日(在线发表)第一作者:高德才(中国科学院地理科学与资源研究所)背景氮(N)和磷(P)是限制陆地生态系统生产力的两大营养元素。为了应对养分限制,植物和土壤微生物进化出了多种策略来提高N和P的利用效率(NUE, nitrogen use efficiency; PUE, phosphorus use efficiency)。微生物NUE和PUE代表了微生物将同化的N和P分配给生物合成(主要是生长)与矿化途径的比例,反映了养分同化与潜在矿化之间的代谢投资策略。尽管NUE和PUE是关键的微生物功能性状,但其全球格局此前缺乏系统的量化评估。这限制了将微生物性状整合到基于微生物过程的土壤碳和养分循环模型中。鉴于气候变化和土地利用变化等人为活动对全球养分循环的干扰日益加剧,这一知识空白显得尤为紧迫。科学问题(1)评估全球尺度上土壤微生物氮利用效率(NUE)和磷利用效率(PUE)的分布格局,以及不同生物群系之间的差异;(2)量化气候、植被和土壤因子对微生物NUE和PUE的相对重要性,识别调控其全球格局的主导驱动因子。材料与方法(1)数据来源:从Web of Science和Google Scholar数据库提取截至2022年发表的同行评审文献,搜索关键词为“extracellular enzyme” 、 “enzymatic activity” 和“soil enzyme activity”。数据筛选后纳入213篇文献,获得2012个NUE观测值和3419个PUE观测值。(...
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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。
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案例名称: 孵化中心流程
说明:
2017 - 07 - 17
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