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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 - 10 - 10
    13C固体核磁共振方法简述为了提高固体核磁共振测定的精确度,土壤样品在进行核磁共振分析前先用氢氟酸(HF)进行预处理。预处理方法如下:称量8克土壤样品于100mL塑料离心管中,加50mLHF(体积分数10%)溶液,摇床上振荡1h(25℃,200r/min),离心机上3800 r/min离心5min,弃去上清液,残余物继续用HF溶液处理。共重复处理8次,摇床时间依次是:第1-4次1h,第5-7次12h,最后1次24h。处理过后的残余物用蒸馏水清洗后以除去其中的HF溶液,方法如下:加50mL蒸馏水,振荡10min,离心5min(3800r/min),去掉上清液,整个过程重复4次。残余物在40℃的烘箱中烘干,过60目筛后置于密室袋中,备NMR上机测定。数据示例点击放大查看红外光谱方法简述土壤样品的光谱特征使用傅立叶变换红外吸收光谱进行分析。将干燥的样品与干燥的KBr(样品:KBr = 1:80的比例)在玛瑙研钵中汇合均匀并研磨至粉末状(粒度 < 2 μm),压成透明薄片。用傅立叶变换红外光谱仪(Spectrum 100; PerkinElmer, MA, USA)扫描测定并记录其光谱。光谱数据进一步用Omnic 8.3软件(Thermo Nicolet Corporation, USA)分析。根据前人的研究,我们选择了4个波峰区域来分析土壤C官能团特征并计算峰面积比:alkyl-C(2985 - 2820 cm-1);aromatic C=C(1800 - 1525 cm-1); O-alkyl-C(1185 - 915 cm-1) and aromatic CH(855 - 740 cm-1)(Pengerud et al., 2013)。基于峰面积比,我们计算了土壤SOM的疏水性指数(HI,alkyl-C/SOC)和芳香度指数(AI,alkyl-C/O-alkyl-...
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    2025 - 09 - 29
    BAIHUI文献解读原名:Heavy metal contamination threats carbon sequestration of paddy soils with an attenuated microbial anabolism.译名:重金属污染威胁水稻土壤的碳封存,微生物分解代谢减弱。期刊:GeodermaIF:6.6发表日期:2025.8第一作者:熊丽 江西省农业科学院土壤与肥料及资源环境研究所(熊丽课题组)01背景耕地中的土壤有机碳(SOC)不仅是土壤肥力和生产力的基础,更在缓解气候变化中发挥着重要作用——仅表层1米的土壤中就储存着全球SOC总量的近10%。SOC的生态功能主要取决于其循环转化与长期存留能力,而这些过程极易受到重金属污染等环境压力因素的显著影响。近百年来人类活动的密集开发,使农田土壤重金属污染日益严重,已成为威胁土壤健康和粮食安全的全球性问题。作为土壤碳循环的主要调控者, 微生物如同“针眼”般精准调控着有机质碳的转化过程,且对重金属具有高度敏感性。因此,重金属污染对微生物介导SOC转化的影响正引发学界越来越多的关注。图1:研究区及沿县岔河13个采样点位置示意图02科学问题(1)重金属污染会降低微生物可利用碳元素(CUE)并加速生物量周转;(2)微生物合成代谢能力减弱将显著影响污染稻田土壤中有机碳的变化。03材料与方法(1)本次实地考察在自1934年开采至2020年关闭的小龙钨矿周边展开。属亚热带季风气候区,年均气温18.6℃,年均降水量1726毫米。 (2)水稻种植是该地区最主要的农业类型,采用典型的早稻-晚稻轮作制度。 (3)在河流上下游13个采样点采集土壤样本 (图1),每个采样点选取三块相邻的稻田作为三重复样本。每块稻田内设置五个2×2米样方,每个样方从表层(0-20厘米)随机采集五个直径2.5厘米的土...
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    2025 - 09 - 09
    原名:Aggregate size mediates the stability and temperature sensitivity of soil organic carbon in response to decadal biochar and straw amendments译名:团聚体尺寸调控长期生物炭与秸秆添加下土壤有机碳的稳定性及温度敏感性期刊:Soil Biology & BiochemistryIF:10.3发表日期:2025年9月3日BAIHUI ORGANISMS作者简介第一作者:陈雅兰,北京师范大学环境学院励耘博士后,师从孙可教授。主要从事生物炭环境地球化学行为及环境效应的研究。以第一作者在GCB、SBB、EST、CEE等期刊上发表学术论文19篇(含共一3篇),1篇封面文章,1篇入选ESI高被引论文,引用800次,H指数17。主持国家自然科学基金青年项目、博士后基金站中特别资助、博士后基金面上项目。曾获宝钢优秀学生特等奖、北京市优秀毕业生、北师大优秀博士学位论文等荣誉。通讯作者:孙可,北京师范大学环境学院教授、博士生导师,国家杰出青年基金、国家优秀青年科学基金和北京市杰出青年基金获得者。主要从事生物炭环境地球化学行为及环境效应的研究。在GCB、SBB、EST等期刊上发表高质量SCI论文130余篇,他引7000余次,H指数51,5篇论文入选ESI高引论文。高群,北京师范大学环境学院副教授,主要从事土壤微生物学研究。相关研究成果在PNAS、Nature Communications(2篇)等国际期刊发表高质量SCI论文40篇,引用1200余次,H指数21。授权国家专利2项。荣获中国微生物生态青年科技创新优秀奖,入选中国科协青年人才托举工程及中国科协“未来女科学家计划”。01背景土壤有机碳(SOC)的温度敏感性(Q10)是调控土壤-气候反馈的关键...
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    2025 - 09 - 04
    土壤中隐藏着一种特殊的"身份证"——氨基糖,它能准确告诉我们土壤中微生物的活动痕迹。栢晖作为一家专业检测团队,我们每天都要处理几十份土壤样品,很多科研工作者对氨基糖检测有一些疑问。今天我们就一起看看吧~为什么氨基糖检测如此重要?土壤氨基糖是一类含有氨基和羟基的糖类化合物,主要来源于微生物细胞壁的残留物。它们就像微生物在土壤中留下的"指纹",具有三大独特价值:稳定性高:能在土壤中长期保存,不易降解来源明确:不同氨基糖代表不同微生物来源(如真菌/细菌)指示性强:通过各组分的比值能反映微生物群落变化常见的四种氨基糖各司其职:氨基葡萄糖:主要来自真菌氨基半乳糖:细菌和部分真菌来源胞壁酸:细菌特有标志物氨基甘露糖:辅助判断微生物群落结构解密GC-MS检测全流程在栢晖实验室,我们采用气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)进行氨基糖检测,整个过程犹如一场精密的"分子侦探"行动:第一步:酸水解破壁称取0.5-1.0g土样,加入6mol/L盐酸,在105℃烘箱中水解8小时。这个步骤就像打开微生物的"保险箱",将结合态的氨基糖释放出来。第二步:多重净化除杂通过旋蒸、pH调节、离心等步骤去除干扰物。特别是采用甲醇溶解和氮吹浓缩,确保目标物质纯度。这个阶段堪称实验成败的关键,我们的技术员需要像"分子厨师"一样精准把控每个参数。第三步:衍生化处理加入衍生试剂后,在80℃水浴中进行两步衍生反应。这一步让氨基糖"穿上检测外衣",变得容易被仪器识别。实验记录显示,衍生时间相差5分钟就可能导致10%以上的结果偏差。第四步:GC-MS分析将处理好的样品注入气相色谱-质谱联用仪,通过保留时间和特征离子进行定性与定量分析。我们的仪器可以检测到ppb级别的氨基糖含量,灵敏度堪比"分子显微镜...
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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
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