我室在“多水体复杂农业流域面源污染模拟”方面取得进展
由于灌溉的需要，农业流域往往分布有大量的沟渠、池塘、溪流等小微水体，这些水体虽然面积小，但是对于营养物质（N、P、S等）传输和消纳影响极大。以美国东北一个小流域为例，小型池塘对氮、磷的消纳量占总流失量的34%和69%。我们在江苏一个典型多水体农业小流域研究表明，小微水体对氮素的消纳量占负荷量的83.4%。除此以外，小微水体还改变了营养物质的迁移路径，增加了营养物质/面源污染过程的复杂性，最终影响了面源污染负荷分布的空间格局。
当前对于流域营养物质的消纳与传输量分布式模拟主要有2种方案：一种是过程模型，考虑营养元素的迁移转化过程，但是参数众多，往往直接忽略小微水体或者合并成一个大型水体进行模拟；另外一种是基于“源-流-汇”的景观格局模型，考虑景观之间的结构、连通性、地理指数等，但是对于小微水体的空间位置和动态连通性难以充分考虑，导致模拟结果有很大的不确定性。我们前期构建了考虑小微水体空间位置的概念模型，量化了水体空间位置和面积对于营养物质迁移和消纳的重要性。但是模型对于不同类型水体的拓扑关系和网络结构考虑还有欠缺，难以实现流域尺度营养物质负荷量与消纳量分布式模拟。
图1 营养物质消纳与传输量分布式模拟新框架
针对上述实际情况，本研究以图文理论和拓扑关系为基础，提出了2种动态连通性指数计算新方法（图1）：（1）基于“源→汇”迁移路径的沿程线状水体（沟、河）和面状水体（塘、库）表征方法，（2）基于“汇→源”拓扑结构的土地利用之间连通性和包含关系表征方法。上述新方法不仅考虑了源强大小、数字高程特征、水体类型、水体面积/长度、水体位置，以及汇-源之间与汇-汇之间的拓扑关系，而且将景观单元的空间网络结构与生物地球化学过程联系在一起。将上述方法进一步与营养物质流失量的空间分布耦合，就可以实现多水体农业流域营养物质/面源污染（如氮、磷、农药等）负荷量与消纳量分布式模拟（图2和图3）。该方法所需参数少、操作简单、模拟结果可靠，尤其适合多水体农业复杂流域，实现了流域面源污染流失量-消纳量-负荷量“三量”分布式模拟。
图2 基于“源→汇”迁移路径的营养物质传输量分布式模拟
图3 基于“汇→源”拓扑结构的营养物质消纳量分布式模拟
目前该模型方法以工具条形式已经在ArcGIS平台上通过编译，并申请流域面源污染模拟、评价、管理平台[NutriShed SAMT] 软著，为流域面源污染的智慧管理如生态湿地选址、农场选址、污染物路径追踪、减排策略分析、风险评估、水质目标实现等提供新的途径。
以下是该软件应用中的一些典型案例
（2）肥料减量对水质负荷的影响：确定不同减肥情景下面源污染对水质负荷的影响。
（3）污染物路径识别：不同位置的污染源，同样的排放量，由于路径的差异，最终水质负荷不一样，因此减排优先级也不一样。
（4）农场选址：在同等污染物排放条件下，优先选择在对水质负荷小的区域。
（5）生态湿地选址：同样的修复效率，优先布置在消纳效果最大的区域。
（6）水质目标实现途径：各区域达到预期目标（如减少负荷10%）所需要规划的湿地面积/长度是多少。
（7）种植业结构调整：如何保证农民收益不受影响条件下，调整种植业的空间结构和组成结构，实现农业面源污染减排。
通过上述研究，我们从概念模型构建、理论框架设计、模型软件应用等最终实现多水体复杂农业流域面源污染决策支持。该成果得到国家自然基金（U19A2050, 42177401）和中科院南京土壤研究所“十四五”领域前沿项目支持（ISSASIP2203）。
Yongqiu Xia, Xiaoyuan Yan. How Variations in Constructed Wetlands Geography Affect Nutrient Discharge. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences. 2020. https://doi.org/10.1029/2019JG005610
Yongqiu Xia, Di Zhao, Xing Yan, Wei Hu, Jie Qiu, Xiaoyuan Yan, A new framework to model the distributed transfer and retention of nutrients by incorporating topology structure of small water bodies, Water Research, 2023, 119991, https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119991
夏永秋，颜晓元，流域面源污染模拟、评价、管理平台[NutriShed SAMT]，软件编号：2020SR1213032
论文链接：
https://doi.org/10.1029/2019JG005610 ；
https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119991
国家重点研发计划项目“稻田碳汇提升和甲烷减排技术研发与集成示范”启动会召开
2023年4月12日，由中国科学院南京土壤研究所承担的“十四五”国家重点研发计划项目“稻田碳汇提升和甲烷减排技术研发与集成示范（2022YFD2300300）”启动会在南京召开。农业农村部科技发展中心项目管理三处张凯副处长以及沈阳农业大学陈温福院士、中科院南京土壤研究所张佳宝院士、南京农业大学沈其荣院士、南京师范大学蔡祖聪教授、扬州大学杨建昌教授等项目专家组成员和项目全体骨干共60余人出席会议。
会议由颜晓元副所长主持。他首先代表项目牵头单位致辞，感谢各领导专家对项目的支持和指导，表示将加强项目组织管理，确保项目顺利实施。张凯副处长先祝贺项目通过公开竞争成功立项，再从加强团队协作、规范财务管理、凝炼标志性成果等几方面对项目管理实施提出了建议，并希望大家在项目实施过程中与产业部门划定的示范区紧密结合，做好技术示范推广。项目负责人颜晓元研究员对项目科技问题与研究思路、研究内容及技术路线、任务分解和研究方案、研究团队及工作基础、预期成果与时间安排等进行了详细汇报。项目各课题组长也就每个课题的研究目标、实施方案及预期成果等分别进行了详细汇报。各专家组成员就课题的实施目标和方案进行了具体的指导，建议以水稻丰产优质高效为前提，厘清减排效益阈值，针对重点区域集成可行的增碳减排技术，加强技术的落地应用并进一步核算碳交易指标，推动进入碳交易市场，最终促进水稻生产可持续发展。
会议现场
我室在微生物调控秸秆残体化学组成的演替研究方面取得进展
提高土壤有机碳储量是促进碳中和的重要措施。在农田土壤中，匹配合理农艺管理下的秸秆还田是提高土壤有机碳含量的主要措施。有机碳的固持途径及其稳定性与植物残体的化学组成息息相关，因此需要进一步分析植物残体腐解过程中化学组成的演替规律及其最终产物的化学组成。关于植物残体分解最终产物的化学组成，学术界存在两种相反的观点，传统观点认为不同植物残体在不同环境中的最终腐解产物趋于相似；而另一些研究认为，不同植物残体，在不同环境下被不同的微生物群落腐解后的化学组成存在显著差异。微生物双重代谢理论认为，植物残体可以通过微生物的体内同化转化为微生物残体碳，也可以通过微生物分泌的胞外酶（体外修饰）降解为植物残体碳。当微生物体内同化过程占主导时，腐解后植物残体的化学组成趋同，而当微生物体外修饰占主导时，植物残体腐解后的化学组成趋异。但是上述理论缺乏相关的试验证据。并且长期秸秆腐解过程中，在不同的腐解阶段，微生物同化和体外修饰的相对贡献大小是否存在差异仍不清楚；并且主导体外修饰过程和体内同化过程的关键微生物仍有待明确。
针对该问题，我室孙波研究员课题组基于土壤置换平台，开展了为期9年的秸秆长期腐解试验。利用高通量测序、13C核磁共振和热裂解气象色谱质谱等技术，研究了小麦和玉米秸秆腐解过程秸秆残体化学组成和微生物群落结构的协同演替规律，揭示了关键微生物通过影响微生物的体外修饰和体内同化作用调控秸秆残体化学组成的机制。研究结果表明，长期腐解过程中，秸秆腐解残体的化学组成表现出在快速分解其趋异，而后在慢速腐解期趋同的趋势。在快速腐解期，关键微生物（α–变形菌纲的根瘤菌）通过调控胞外酶活性，提高微生物体外修饰作用，使秸秆残体化学组成趋异。而在腐解9年后，以毛壳属真菌为关键微生物的微生物同化作用的贡献提高，使秸秆残体的化学组成趋同。该研究揭示了三个气候带下长期腐解过程中秸秆残体化学组成演替的微生物机制，为优化不同农区秸秆还田调控措施提供了理论依据。
以上研究成果发表在ISME上。该成果得到了国家重点研发项目，中科院战略先导专项，国家自然科学基金和所创新基金的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-023-01384-2
图1 秸秆腐解过程中秸秆残体化学组成的演替规律
图2 不同腐解时期关键微生物
《城市土壤演变及其生态环境效应》专著出版
城市是一个独特的生态系统，人类活动成为影响城市生态系统的主导力量。不断提升的城市化水平给全球资源、生态和环境带来深刻的改变。城市虽仅占地球陆地总表面的2%，却消耗着全球2/3以上的能源和主要原料。城市生态系统物质循环的强度大大超过自然和农业系统，城市废弃物直接或间接进入城市及其周边环境，由此带来了严重的环境问题。城市土壤是指在城市和城郊地区，受多种方式人为活动的强烈影响，原有继承性质得到强烈改变的土壤的总称，是城市生态系统的核心构成。城市土壤为城市园林植物生长提供介质和养分，是城市污染物的汇，但也可能是源，它直接关系到城市生态环境质量和人类健康。随着城市化水平的提高，城市人口增加，人为活动加剧，人类活动与城市土壤之间的联系愈加紧密。长期以来，由于对城市土壤特征和功能认识的不足，它在土壤科学和相关学科中并未得到应有的重视。
1998年，国际土壤学会首次设立了城市、工业、交通和矿区土壤工作组（SUITMA WG），于2000年在德国埃森召开了第一次城市土壤的国际学术研讨会。20世纪90年代后期至本世纪初，张甘霖研究员团队在国内较早开启了城市土壤的系统研究，在国家自然科学基金重点项目“城市土壤质量演变及其生态环境效应”和中国科学院知识创新工程方向性项目“长三角洲地区城市化过程对土壤资源的影响与生态环境效应”等支持下，围绕城市土壤的演变及其生态环境效应取得了创新成果。
《城市土壤演变及其生态环境效应》是一本关于城市土壤基础研究的专著，由张甘霖研究员和团队曾经参与城市土壤研究工作的9位博士（杨金玲、赵玉国、卢瑛、胡雪峰、袁大刚、阮心玲、何跃、吴运金、郭龙）共同完成。本书在中国代表性城市的深入研究和国内外进展总结的基础上，主要依靠第一手资料，系统呈现了城市土壤的基本特性、形成演变过程及其对生态环境的影响。本书共有10章，内容主要包括城市土壤的物质组成、形成与分类、物理特性、污染特性、磁学特性和关键元素循环、城市人类活动的土壤记录、城市土壤的时空变异表征、城市土壤生态服务、城市土壤利用与管理等。从新的视角来认识城市环境下土壤的特征和演变，城市土壤的功能和对城市生态环境的贡献。
《城市土壤演变及其生态环境效应》最近由上海科学技术出版社出版。中国科学院院士、中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员为本书作序。本书的出版获得国家科学技术学术著作出版基金和上海科技专著出版基金资助，属于《科学专著：前沿研究》系列专著。本书可供土壤学和城市环境管理相关领域，包括城市生态环境、城市规划、园林设计、城市农业等科研、教学、管理和工程技术人员参考。
宁波大学葛体达教授来我室访问
我室在全国水稻氮肥用量优化研究方面取得进展
“民以食为天，食以米为先”，水稻是我国三粮之首，年产超2亿吨，其生产事关国计民生。过去农户常以“水大肥勤不问人”作为水稻种植的金科玉律，导致“化肥依赖症”越来越重。我国水稻氮肥年投入630万吨，占全球水稻氮肥消耗总量1/3，活性氮排放超过169万吨，对空气质量和水体环境等造成的负面影响高达氮肥增产收益的52%，严重威胁环境安全和公众健康。因此，如何实现既保证水稻增产，又能最大限度降低其环境成本，是实现我国水稻绿色可持续生产的必然要求，而建立一套高产、高效与环保等多目标并重、简单易推广的施氮量优化技术是解决这一问题的关键环节。
现行施氮量优化途径有两类：一是通过土壤和/或植株测试直接确定满足作物所需的适宜施氮量，但由于我国以小农户种植和分散经营为主，田块小而多，复种指数高茬口紧，该途径耗时耗力，投入较高，当前较难大面积推行；二是以产量/施氮量田间试验为基础，确定边际效应最大化的平均适宜施氮量作为区域推荐，具有纲举目张、简便易掌握的特点和优点，但多以产量或经济效益为施氮量确定依据，忽略了环境效益，不符合水稻可持续生产的新时代要求。另外，小农户种植模式下，田块间的产量表现不尽相同，同一稻区统一氮肥优化管理仍会带来小农户田间产量的波动。因此，动员数以千万计的小农户氮肥减施是一项巨大挑战，也需要对小农户氮肥优化面临的减产风险和环境影响进行权衡分析，以达到满足社会、经济和环境效益多目标协同。对此，我室与美国加州大学、马里兰大学以及中国农大等开展合作研究，构建了不同稻区水稻产量/活性氮排放与施氮量定量关系模型，建立了以经济和环境经济指标为优化依据的适宜氮量分区确定方法，通过大范围田间试验验证其可行性，分析产量、经济和环境经济效益变异，多角度评估了氮量优化的有效性，最后提出了以区域适宜施氮量为核心，可持续生产为目标的我国水稻氮肥分区控制新策略。
研究提出以氮肥减施的环境收益和区域产量经济损失上限对比作为稻区推荐施氮量确定方法，在东北和华南稻区采用更偏重经济收益，而华东、华中等活性氮排放热区更重视环境收益，通过全盘规划实现经济和环境效益双赢目标。区域施氮量优化技术可保障国家2030年2.18亿吨水稻总产能需求下，减少氮肥投入10-27%，减排活性氮7-24%。田块变异分析表明，区域氮量优化可在85-90%的点位上实现水稻基本平产或增产，90-92%点位上做到收益大体持平或增加，93-95%点位上实现环境经济效益无明显降低或提高，同时提高氮肥利用率30-36%。最后，作者从科技、管理、政策三个层面提出了构建全国尺度大范围田块产量-施氮量动态监测试验网和“控氮”决策智能管理系统，建立适度规模经营下的氮肥配额管理与实名购买定额使用制度，出台面向全体种植户的优化氮量激励补贴等建议，可有效降低土壤、品种、栽培、管理等生产条件变化造成的田块时空异质性，实现优化施氮量的动态调整，提高准确度和适用性，以最低的技术推广成本，确保科学精准实施氮肥分区宏观调控，达到区域效益的最大化。该方法还可与其他优化施氮技术相结合，进一步完善科学施肥。
该项研究可为全国范围内水稻优化施氮提供轻简高效途径，同时，也为政府推动节氮增效减排与农业绿色发展提供决策参考。相关内容近期发表于Nature，我室常熟农业生态实验站蔡思源博士生、赵旭研究员为论文第一作者，赵旭研究员、颜晓元研究员为论文通讯作者，美国加州大学戴维斯分校Cameron M. Pittelkow副教授 、马里兰大学环境科学中心张鑫副教授、以及中国农大资源与环境学院范明生教授为论文合作者。该研究得到中科院青促会优秀会员基金（Y201956）、国家基金委国际合作交流项目（42061124001）、“十三五”重点研发计划项目课题（2017YFD0200104）等支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05678-x
图1 水稻优化氮量构建技术与氮肥分区控制策略
图2 主要稻区经济与环境优化氮量（ON和EON）下的水稻产量、氮投入及活性氮排放
图3 主要稻区经济与环境优化氮量（ON和EON）下对生态可持续性、粮食安全和经济可持续性指标的影响
张佳宝院士获2022年度何梁何利基金科学与技术进步奖
2月17日，何梁何利基金2021和2022年度颁奖大会在北京钓鱼台国宾馆隆重举行，国务院副总理刘鹤、全国人大常委会副委员长吉炳轩、全国政协副主席万钢以及科技部部长王志刚、中国科学院院长侯建国、中国工程院院长李晓红等出席大会并为获奖者颁奖，刘鹤副总理在大会上发表了重要讲话。我室张佳宝院士荣获何梁何利基金“科学与技术进步奖”。
张佳宝院士，第十四届中国土壤学会理事长，第二十二届国际土壤学联合会土壤工程与技术委员会主席，第二十三届国际土壤学联合会副主席，第三次全国土壤普查专家指导组组长。长期从事土壤物质循环规律、土壤信息快速获取、土壤改良及地力提升方面的研究。主持过包括2项国家973项目在内的20多项国家和省部级项目。针对我国中低产田土壤障碍多、地力水平低两大难题进行突破，创建了土壤障碍分类消减、内稳性地力提升、富养-激发式和相似增效型快速培肥地力、易涝渍农田水土联治等理论与技术体系，创新土壤参数探测技术与设备，牵头建立了我国农田试验站联网研究平台和土壤养分管理国家工程实验室，形成了新一代土壤改良保育的理论基础-核心技术-支撑设备-研发平台体系。科技支撑国家中低产田治理、高标准农田建设和地力提升行动，推动第三次全国土壤普查、国家黑土地保护与利用专项的实施。研究成果获国家科技进步二等奖3项、国家科技进步一等奖1项。发表期刊论文486篇，其中SCI收录191篇。获国家授权专利79件、软件著作权25项。
何梁何利基金是香港爱国金融实业家何善衡、梁銶琚、何添、利国伟共同捐资，于1994年3月30日设立的公益性科技奖励基金。何梁何利奖每年评奖一次，分设科学与技术成就奖、科学与技术进步奖、以及科学与技术创新奖，每年奖励50多名在我国科技领域取得杰出成就和重大创新的科学技术工作者。
我室在我国农业碳中和实现路径方面取得进展
我国作为世界上最大的农业生产国和温室气体排放国，承诺到2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和（“双碳”战略）。我国农业源温室气体排放约占全国温室气体总排放的14%，国家“双碳”战略给农业源温室气体减排带来很大的挑战。粮食作物生产是农业源温室气体排放的重要贡献源，而目前我国农田土壤平均有机碳固定速率低于全球平均水平。面临“排放高、固碳低”的困境，明确粮食作物生产的碳中和实现路径，对于实现我国“双碳”战略和缓解全球气候变化具有重要意义。围绕“我国粮食生产如何实现碳中和？”这一关键科技问题，我室颜晓元研究员团队联合中国农大、清华大学、昆士兰大学、康奈尔大学等国内外十余家研究单位，运用生命周期法结合大数据分析，评估了我国三大主粮作物生产过程的固碳减排潜力以及碳中和实现路径。
研究发现，2018年我国主粮作物生命周期生产过程的碳排放总量为6.7亿吨CO2当量。其中，稻田CH4排放占比38%，氮肥生产施用占比45%，土壤固碳仅能抵消总碳排放的8%。传统固碳减排措施的集成，比如增加秸秆还田比例+氮肥优化管理+稻田间歇灌溉，仅能够将总碳排放从6.7亿吨降低至5.6亿吨，主要原因在于稻田秸秆还田对CH4排放的促进效应远大于固碳效应。如果进一步将秸秆碳化为生物炭还田+氮肥优化管理+稻田间歇灌溉，能够将总碳排放从5.6亿吨降低至2.3亿吨，减排幅度高达66%，但仍然无法实现碳中和。为此，研究人员创建了一套“生物质热解多联产物”系统，将生物炭生产过程中的生物油和生物气纯化后发电（“能源捕获”），进行能源替代减排。在生物炭集合的基础上耦合能源捕获效应，我国主粮作物生产碳排放可以进一步实现从源（2.3亿吨）到汇（-0.4亿吨）的转变，实现碳中和；同时能够提高作物产量，降低活性氮和大气污染物排放。
该项研究为我国农田源温室气体减排以及未来农业碳中和的实现提供了新思路和新途径，相关成果近日发表在Nature Food上。我室夏龙龙博士和昆士兰大学曹亮博士为论文第一作者，颜晓元研究员与中国农业大学庄明浩副教授、清华大学鲁玺教授为论文通讯作者。该研究得到了中德博士后交流项目、国家自然科学基金、德国洪堡基金等项目的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s43016-023-00694-0
我国粮食作物生产实现碳中和的路径“生物炭施用耦合能源捕获模式”
