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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 - 09 - 28
    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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    2026 - 09 - 17
    全氟及多氟烷基物质(PFAS)是一类人工合成的含氟有机物。其碳氟键高度稳定,使这类物质具备耐热、耐腐蚀、抗氧化、疏水疏油及表面活性等性能,因而被广泛用于不粘锅、食品包装、防水纺织品和消防泡沫等。也正因结构稳定,PFAS难以在环境中自然降解,被称为“永久性化学物质”。目前,PFAS已在全球多种环境介质中被检出,并能随水流、大气和生物活动远距离迁移,经饮水、食物、空气和皮肤接触等途径进入人体,成为广受关注的环境健康问题。土壤是PFAS在陆地环境中的重要蓄积介质,也可能成为其向地下水、农作物和食物链迁移的起点。因此,PFAS的测定和研究,对污染筛查和风险管控具有重要意义。如下土壤中全氟化合物的液相色谱-三重四极杆质谱测定方法。一、仪器和设备采样容器(不含氟聚合物材质容器)、液相色谱-三重四极杆质谱仪、冷冻干燥仪、提取装置(水平振荡仪或其他性能相当的设备)、离心机、涡旋振荡混匀器、固相萃取装置。二、测定方法样品前处理:称取自然阴干或冷冻干燥的样品1.0g于离心管,加10ng提取内标,涡旋混匀,静置30min。加15mL氨水-甲醇,混匀,振荡1h,离心,收集上清液。继续用10ml、5mL氨水-甲醇各重复提取一次,合并3次上清液。浓缩至约4mL,加40mL水,用氨水或乙酸调节pH6~7。固相萃取净化:分别用氨水-甲醇、甲醇、水活化弱阴离子交换固相萃取柱,上样,分别用水、乙酸铵缓冲液淋洗柱子,弃去以上流出液。氮气吹干小柱,分别用甲醇、氨水-甲醇洗脱,收集洗脱液,浓缩至近干,加10ng进样内标,用甲醇定容至1.0mL,过0.22µm有机滤膜,待测。三、标准曲线绘制分别取适量标准标准溶液、提取内标及进样内标溶液,用甲醇定容至1mL,配制成目标物质量浓度为:1.0ng/mL、2.0ng/mL、5.0ng/mL、10ng/mL、20ng/mL、50ng/mL、100ng/mL,提取内标...
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    2026 - 09 - 17
    即日起至2026年12月31日,凡在栢晖测定FTICR-MS,三维荧光光谱(EEM),CT扫描,PY-GCMS,13C-NMR,X射线衍射(XRD),即可免费获取相关指标数据分析处理、图谱绘制等服务。01FTICR-MS基础服务:包括分子组成分析、Van Krevelen plots、Kendrick plots、NOSC图、DBE-O图等增值服务:复现文献中的相关图片和分析。分子组成分析可视化02三维荧光光谱(EEM)预处理:扣除空白水样,矫正内滤效应,去除瑞丽散射与拉曼散射,进行拉曼归一化处理基础服务:包括三维荧光指数表,各组分最大荧光强度、Ex载荷和Em载荷,各区域的荧光积分表等三维荧光指数计算:生物指数(BIX)、荧光指数(FI)、腐殖化指数(HIX)03CT扫描基础服务:包括土柱三维图、空隙提取,连通空隙、孤立空隙提取等,各指标计算表格04PY-GCMS基础服务:包括分子结构、基于化学结构分类等0513C-NMR基础服务:包括各碳种类的相对丰度等06X射线衍射(XRD)基础服务:包括获取物相和PDF卡片,绘制相关图
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    2026 - 09 - 11
    CUE / 18O-H2O示踪法微生物碳利用效率是指微生物分配给生长的碳量占吸收总碳量的比率,它反映了微生物合成代谢和分解代谢之间的平衡。影响土壤CUE的因素是多方面的,包括非生物因素(如pH、温度、水分和土壤质地等)和生物因素(如微生物群落结构、微生物多样性和生物量等)。这些因素通过复杂的相互作用影响CUE,从而影响土壤碳循环和生态系统功能。实验流程计算公式NUE / 15N同位素稀释法微生物氮利用效率是指微生物将获得的有机氮分配到生物量形成过程中的效率,相对于超过氮素矿化释放的微生物需氮量。土壤微生物NUE 受多重因素耦合调控,可划分为非生物因素(温度、水分、pH、土壤质地、养分化学计量比等)与生物因素(微生物群落结构、多样性、生物量及代谢途径等)。各因素通过交互作用调控微生物氮代谢过程,改变NUE水平,进而影响土壤氮循环效率与生态系统氮素平衡。实验流程计算公式CAE / 13C-葡萄糖标记法在 ¹³C‑葡萄糖添加培养实验下,外源底物碳经过微生物转化后,保留在土壤体系内的碳占总输入底物碳的比例;用来表征土壤微生物碳泵框架下,微生物将活性底物转化、留存为微生物源碳的综合转化积累效率。实验流程计算公式
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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:
2017 - 07 - 17
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