土壤有機(jī)質(zhì)礦化研究獲系列進(jìn)展；中國(guó)農(nóng)大呂貽忠教授課題組在利用改性生物炭修復(fù)重金鎘污染機(jī)制方面取得重要進(jìn)展。
來(lái)源：根據(jù)中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位網(wǎng)站近期相關(guān)報(bào)道整理
土壤有機(jī)質(zhì)礦化研究獲系列進(jìn)展
中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所海外特聘研究員項(xiàng)目旨在鼓勵(lì)加強(qiáng)學(xué)科組與國(guó)外杰出科研工作者的合作研究。自2017年，受東北地理所海外特聘研究員項(xiàng)目資助，土壤物質(zhì)循環(huán)學(xué)科組與加州大學(xué)戴維斯分校教授William R. Horwath團(tuán)隊(duì)合作在土壤有機(jī)質(zhì)礦化等方面取得了系列研究進(jìn)展，加強(qiáng)了學(xué)科組的科研成果產(chǎn)出，研究成果分別發(fā)表在土壤學(xué)刊物European Journal of Soil Science，Soil Biology & Biochemistry 和Soil Science Society of America Journal上。
有機(jī)物質(zhì)輸入被認(rèn)為是維持和提升土壤有機(jī)碳的重要措施。然而，外源有機(jī)物質(zhì)輸入未必一定提升土壤有機(jī)碳含量。土壤有機(jī)碳庫(kù)的大小取決于碳輸入和碳輸出的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，其中，聯(lián)系碳輸入和碳輸出的一個(gè)重要過(guò)程是外源有機(jī)物質(zhì)對(duì)原有土壤有機(jī)質(zhì)的激發(fā)效應(yīng)（Priming effect）。激發(fā)效應(yīng)指外源有機(jī)物料的投入使土壤中原有有機(jī)質(zhì)的礦化速率發(fā)生改變的現(xiàn)象。關(guān)于有機(jī)質(zhì)激發(fā)效應(yīng)的研究盡管開展了很多，但其內(nèi)在機(jī)制還不明確。土壤微生物量占土壤總碳和總氮比例較小，盡管如此，土壤微生物對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)及其動(dòng)態(tài)變化具有重要影響。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，耕作、施肥等人為活動(dòng)會(huì)顯著改變土壤微生物量以及氮素有效性，然而，微生物量以及氮素有效性的變化對(duì)植物殘?bào)w分解和土壤有機(jī)質(zhì)礦化的影響依然不明確。該項(xiàng)目選擇來(lái)源于同一土壤類型但具有不同碳含量的農(nóng)田和草地土壤，通過(guò)人為改變土壤微生物量的大小以及氮素有效性，利用同位素示蹤技術(shù)，研究了土壤初始微生物量和氮素有效性的變化對(duì)植物殘?bào)w分解、土壤有機(jī)質(zhì)礦化以及植物殘?bào)w碳對(duì)土壤活性碳組分的貢獻(xiàn)。
研究顯示，氮素添加顯著抑制了黑麥草的分解，而土壤微生物量大小的變化對(duì)黑麥草的分解沒(méi)有影響。黑麥草添加對(duì)土壤有機(jī)碳的礦化造成了正激發(fā)效應(yīng)；氮添加則顯著降低了激發(fā)效應(yīng)。而微生物量大小的變化對(duì)激發(fā)效應(yīng)的影響因土壤而異。研究認(rèn)為，土壤微生物量的大小和土壤碳含量共同影響土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的大小和方向，同時(shí)還受氮素有效性的影響。研究結(jié)果于2018年發(fā)表在Soil Biology & Biochemistry。
另外，黑麥草添加激發(fā)了來(lái)源于土壤有機(jī)質(zhì)的可溶性有機(jī)碳和微生物量碳。植物殘?bào)w質(zhì)量顯著影響農(nóng)田土壤中來(lái)源于植物殘?bào)w的可溶性有機(jī)碳。氮素添加減少了植物殘?bào)w碳對(duì)草地土壤可溶性有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，而顯著促進(jìn)了植物殘?bào)w在農(nóng)田土壤微生物量中的同化。研究認(rèn)為，土壤初始微生物量和氮素有效性顯著影響植物殘?bào)w碳在土壤可溶性有機(jī)碳中的分配以及在土壤微生物量中的同化。研究成果于2019年發(fā)表在Soil Science Society of America Journal。
土壤團(tuán)聚體保護(hù)是土壤有機(jī)碳重要的保護(hù)機(jī)制之一，而不同團(tuán)聚體粒級(jí)包裹的土壤有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量影響土壤有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)。該項(xiàng)目通過(guò)人為破壞的方式將具有完整團(tuán)聚體的土壤與大粒級(jí)團(tuán)聚體減少到微團(tuán)聚體大小的土壤進(jìn)行比較，探討了土壤團(tuán)聚體減少對(duì)土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程，團(tuán)聚體粒級(jí)減小沒(méi)有顯著影響土壤有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)。研究認(rèn)為，激發(fā)效應(yīng)是土壤的固有特征，與團(tuán)聚體粒級(jí)中有機(jī)碳相比，受可利用有機(jī)碳的影響更大。研究成果于2019年發(fā)表在European Journal of Soil Science。
以上研究也得到國(guó)家自然科學(xué)基金（41571285, 41601235）、國(guó)家留學(xué)基金委、東北地理所優(yōu)秀青年基金（DLSYQ13001）和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2014205）等的聯(lián)合資助。論文信息如下：
1. Li LJ, Zhu-Barker X*, Ye R, Doane TA, Horwath WR*. 2018. Soil microbial biomass size and soil carbon influence the priming effect from carbon inputs depending on nitrogen availability. Soil Biology and Biochemistry. 119, 41-49.
2. Li LJ*, Ye R*, Zhu-Barker X, Horwath WR. 2019. Soil microbial biomass size and nitrogen availability regulate the incorporation of residue carbon into dissolved organic pool and microbial biomass. Soil Science Society of America Journal. Doi:10.2136/sssaj2018.11.0446.
3. You MY, Han XZ, Chen X, Yan J, Li N, Zou WX*, Lu XC, Li Y. Horwath WR. 2019. Effect of reduction of aggregate size on the priming effect in a Mollisol under different soil managements. European Journal of Soil Science. 70, 765-775.
圖：土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)源CO2（CO2-SOC），外源有機(jī)物質(zhì)來(lái)源CO2（CO2-Addition），激發(fā)效應(yīng)（PE）與土壤活性碳組分（MBC，DOC）的主成分分析
中國(guó)農(nóng)大呂貽忠教授課題組在利用改性生物炭修復(fù)重金鎘污染機(jī)制方面取得重要進(jìn)展
8月17日，資環(huán)學(xué)院呂貽忠教授課題組在《Journal of Hazardous Materials》（5年IF=7.336）在線發(fā)表了題為“Key factors and microscopic mechanisms controlling adsorption of cadmium by surface oxidized and aminated biochars”的研究論文。該研究識(shí)別了表面氨基化和表面氧化生物炭吸附鎘的關(guān)鍵因素，并揭示了微觀吸附機(jī)制。
該研究通過(guò)碳酸鉀改性制備了多孔生物炭并對(duì)其進(jìn)行了表面氨基化和氧化，并對(duì)其吸附鎘（Cd）的微觀機(jī)制進(jìn)行了考察。研究發(fā)現(xiàn)，在改性生物炭對(duì)Cd的吸附過(guò)程中，物理化學(xué)吸附和顆粒內(nèi)擴(kuò)散均有發(fā)生，通過(guò)PCA（主成分分析）建立了連接生物炭理化性質(zhì)和吸附性能的綜合評(píng)價(jià)方法，發(fā)現(xiàn)決定表面性質(zhì)的官能團(tuán)組成是控制生物炭固定Cd的關(guān)鍵因素。Langmuir模型表明，改性生物炭對(duì)Cd的吸附滿足PBC<OPBC<APBC。通過(guò)FTIR、SEM-EDS、XPS和DFT（密度泛函理論）分別從分子和電子尺度研究了Cd在改性生物炭上的微觀吸附機(jī)理。通過(guò)常規(guī)表征獲得了吸附前后改性生物炭表面分子結(jié)構(gòu)變化，并通過(guò)DFT計(jì)算獲得改性后模擬生物炭分子等電子密度面的靜電勢(shì)分布。研究發(fā)現(xiàn)生物炭中富含π電子、孤對(duì)電子和給電子基團(tuán)的區(qū)域是改性生物炭固定Cd的主要位點(diǎn)。羧基主導(dǎo)了表面氧化生物炭對(duì)Cd的吸附，卻有可能抑制了Cd2 -π相互作用。具有孤對(duì)電子的氨基主導(dǎo)了表面氨基化生物炭對(duì)Cd的吸附，氨基的引入對(duì)π電子密度的影響很小，Cd2 -π相互作用未受明顯抑制。該研究為制備功能化生物炭提供了理論依據(jù)，對(duì)揭示生物炭分子結(jié)構(gòu)與吸附性能的內(nèi)在關(guān)系具有重要理論意義。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院的碩士畢業(yè)生祝凌和在讀博士生仝利紅為該論文的共同第一作者，呂貽忠教授為論文的通訊作者，論文合作單位包括同濟(jì)大學(xué)、中山大學(xué)和日本九州大學(xué)。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的資助。
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