二氧化碳（CO₂）是植物进行光合作用制造有机物质的重要原料，大气中CO₂浓度升高（eCO₂）会导致植物的光合作用增强，提高生产率，这就是指二氧化碳的施肥效应。长期以来，eCO₂的施肥效应一直被视为未来全球粮食安全有效保障之一。然而，CO₂施肥效应容易受土壤养分胁迫影响。例如前人发现长期高CO₂条件下自然生态系统中土壤氮 (N)发生明显下降，导致eCO₂对植物的施肥效应逐渐下降甚至消失。目前，eCO₂对土壤磷循环的研究相对较少，且在不同的生态系统、培养条件和时间尺度上的结论不一。自然生态系统中更多是增加或维持土壤磷的有效性；农田生态系统零星研究发现，eCO₂会减少旱地土壤磷的有效性以及有机磷含量。这些已有研究基本基于中短期试验，目前尚缺少十年以上长时间尺度的FACE（Free-Air  CO₂Enrichment）试验，极大地限制了未来陆地生态系统磷循环的精准预测。

图1. 不同生态系统中eCO₂对土壤磷有效性的影响

水稻是我国主要粮食作物，其生产过程中的养分优化管理对粮食安全和水体环境保护有着重要影响。因此，研究稻田土壤磷循环对大气CO₂浓度升高的响应及机制，构建气候韧性农业的磷施肥战略成为环境土壤领域前沿的问题，具有重要的理论价值和现实战略需求意义。

针对该问题，我室王慎强研究员课题组的汪玉副研究员与朱春梧研究员课题组合作，在FACE条件下，开展了从短期到长期不同时间尺度的试验研究。联用土壤磷连续化学提取法、固相/液相磷-31核磁共振等技术，从分子层面定量解析了土壤固相中有机磷及无机磷形态动态变化规律及其转化机制，并进一步预测了全球尺度下稻田土壤中磷有效性的变化趋势及其对粮食产量和环境的影响，为碳中和背景下的磷施肥战略提供科学理论依据。

研究结果表明，长期CO₂ 浓度升高会导致稻田土壤磷有效性经历短期上升、长期显著下降，有机磷则呈现短期下降长期上升的趋势，且有效磷的显著降低与有机磷的增加趋势在高磷和低磷两个FACE试验中均得到证实。时间尺度上的差异性原因主要在于：初始阶段微生物作用增强了磷的净矿化作用，导致有机磷的消耗与有效磷的增加；土壤有效磷的源主要有两种途径，i）eCO₂显著增加作物产量与根的生物量导致有机磷库持续增加，部分有机磷通过矿化作用转化，ii）土壤中铁铝氧化物或钙质矿物结合态磷通过生物地球化学过程转化，但随着时间的延长，以上两种途径贡献的有效磷远不能弥补作物生长对磷的需求量，因此导致土壤有效磷的持续损耗。

图2 不同时间尺度上eCO₂对水稻FACE土壤磷库转化的影响概念图

基于长期FACE试验得到的有效磷显著降低结果，结合全球历史土壤磷平衡数据，我们进一步对未来CO₂升高背景下全球稻田土壤磷进行预测。研究发现，全球大部分稻田目前均处于磷亏损状态，约35%的稻田面积面临着极高的减产风险，约15%的稻田面积面临着磷流失面源污染风险。如果未来CO₂ 浓度持续升高，由于土壤有效磷降低导致的全球水稻减产风险的面积将会增至55%，低收入国家将面临着更大的减产风险（增至70%面积），中高收入国家由于相对较高的土壤累积态磷和磷肥资源，减产面积约为52%；同时全球稻田磷环境流失风险面积将降低至9%。总体而言，未来CO₂ 浓度升高对稻田磷循环的影响是一把“双刃剑”：缓解全球稻田的磷环境污染问题，但对粮食安全威胁更大。因此，研究认为保证全球稻田磷平衡是应对粮食安全亟需采取的重要措施之一。该研究为气候变化下全球磷肥的应对策略及生态环境效应评估提供了理论与科学依据，稻田磷的可持续管理也应纳入气候变化应对战略的重要内容。

图3 对未来CO₂ 浓度持续升高下粮食产量和磷污染的全球预测

以上研究成果在发表于《Nature Geoscience》，汪玉副研究员为第一作者，澳大利亚CSIRO海洋大气研究所黄元元研究员为同等第一作者，宋练博士为第三作者，朱春梧研究员为通讯作者。该成果得到国家重点研发项目（2021YFD1700802）、中科院0-1原创项目 （ZDBS-LY-DQC020）、国家自然科学基金（42277026，32001191）、广东省重点领域研发计划项目 （2020B0202010006）等资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-022-01105-y

城市绿地包括城市森林和草坪，在很多情况下是城市居民与大自然的唯一接触点，健康、可持续的城市绿地生态系统是维持人们健康和活力的基础。城市绿地除了为人们提供娱乐休闲场所，减少噪音和污染，调节水文，缓解气候变化等功能外，还包涵土壤养分循环、植物-土壤互惠关系、植物生产力等在内的多种生态系统功能。生物多样性对生态系统多功能性的贡献已在自然生态系统中得到广泛证实，但在人为扰动频繁的城市绿地生态系统中，地上-地下生物多样性与生态系统多功能性之间的关系却尚未可知。随着全球城市人口的增加和人们对气候变化的日益关注，解析地上-地下生物多样性维持城市绿地生态系统功能和服务的生态机制，发掘与生态系统功能和服务密切关联的环境因子和管理实践对于实现城市绿地的可持续性发展尤为重要。

由此，我室褚海燕研究员团队联合西班牙塞维利亚自然资源与农业生物研究所、西班牙巴勃罗·德·奥拉维德大学等研究单位，对分布于六大洲17个国家的56个城市的绿地进行了标准化调查，研究地上植物多样性和地下土壤生物多样性(包括土壤细菌、真菌、原生生物和无脊椎动物的多样性，以及基于宏基因组学的菌群功能特性多样性)与涵盖18种生态系统功能的9种关键生态系统服务（微生物驱动的碳库、有机质分解、植物生产力、养分循环、水分调节、植物-土壤互惠共生、植物病原菌控制和抗生素抗性基因调控）的关系。研究发现，土壤生物多样性（分类多样性和功能特性多样性）与生态系统功能呈显著正相关，包括生态系统多功能性、生态系统功能的多个阈值、生态系统功能的多个维度、以及关键生态系统服务。与土壤稀有生物多样性相比，土壤优势生物多样性对支撑城市绿地生态系统多功能性方面具有更显著作用。与细菌、真菌、原生生物相比，体型相对较大且处于高营养级的土壤无脊椎动物与更多城市绿地生态系统功能密切关联。在同时考虑空间尺度、气候因素、环境变量、管理措施等条件下，土壤生物多样性与城市绿地生态系统多功能性之间仍然存在稳定的关联。

相反，研究发现地上植物多样性对城市绿地生态系统功能和服务的贡献较弱，植物多样性仅通过调控土壤生物多样性以及土壤性状间接影响城市绿地生态系统的多功能性。由于城市绿地中的植物往往是非本地物种，人们选择这些植物大多是因为它们的园艺价值，而不是它们改善表层土壤的能力，这些植物与当地气候、环境、土壤生物等在短期时间内不能形成共进化作用，从而减弱了它们对生态系统功能的积极响应。然而，植物多样性对于其它不可测量的生态系统服务，如空气净化、降温、娱乐和城市美化等是不可或缺的，因此，植物多样性仍然是城市绿地的重要组成部分。这项研究工作为保护城市绿地生态系统土壤生物多样性和生态系统功能提供重要参考，对全球变化背景下和城市化进程中维持城市环境的可持续发展和人类福祉至关重要。

该研究成果发表在Nature Ecology and Evolution上，特别研究助理范坤坤为论文第一作者，褚海燕研究员与Manuel Delgado-Baquerizo教授为论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41559-022-01935-4

图1.六大洲17个国家56个被调查城市的地理位置以及它们的城市绿地景观图。

图2. 城市绿地土壤生物多样性对生态系统功能的贡献。（A）土壤生物多样性、植物多样性、空间尺度、环境因子等对生态系统功能的解释率。(B) 空间尺度、环境因素、植物多样性和土壤生物多样性对生态系统多功能性的直接和间接影响。