联系我们
意见反馈

关注公众号

获得最新科研资讯

Fan Ding's Lab

Intro block We know more about the movement of celestial bodies than about the soil underfoot!

Share
Introduction to the laboratory

Our group mainly focus on the soil C cycling process and mechanism (Fig 1) , and Ecological and environmental effects of plastic film mulching.

             Fig 1 soil C cycling process and mechanism 

沈农老师赴英国参加GCRF微塑料项目会议

 7月3至4日,沈阳农业大学汪景宽教授和丁凡副教授赴英国伦敦帝国理工大学参加了全球挑战基金(GCRF)中英微塑料项目学术交流会。GCRF微塑料项目由全球挑战研究基金(Global Challenge Research Fund, GCRF)资助,参加单位包括中国、英国、印度、埃及、越南和斯里兰卡。该项目成立以来,各方建立并保持了良好的沟通和合作,定期组织线上交流会议,并取得了阶段性突破性进展。本次交流会大力推动了项目进展,主要探讨不同国情下地膜应用效果及其残留导致的环境效应。参会国家依次阐述了相关工作进展及工作成果。各单位专家对项目影响力、全球和中国农膜使用现状、大/微塑料污染问题、如何建立有效地膜回收机制、中国地膜使用和回收经验等话题开展讨论,并友好地交流了各方意见。

会议上,项目组中方团队成员丁凡副教授汇报了长期地膜覆盖试验及塑料残留环境效应的研究工作,中国农业大学资源与环境学院刘学军教授介绍了项目总体进展及基于项目内容组织《农业科学与工程前沿(FASE)》农用地膜和微塑料专刊工作,王锴副教授详细介绍了华北平原地区大气微塑料研究进展及成果,任思洋博士介绍了中国农田土壤塑料残留及微塑料污染现状,以及实地采样,数据分析及模型计算等工作,中国农科院农业环境与可持续发展研究所崔吉晓博士介绍了我国不同地区地膜覆盖适宜性评价系统。

图1.  项目组中方团队参会成员合影

图2. 丁凡做“Plastic accumulation in mulched land and its environmental consequences” 的报告

会议期间,丁凡副教授接受了英国雷丁大学Henny Osbahr教授的专访,介绍中国地膜使用和残留的情况,以及沈阳农业大学长期覆膜定位试验的结果,专访视频将放到国际网站上传播。

, 

图3. 丁凡接受英国采访Henny Osbahr教授的采访

会后,刘学军、王锴、汪景宽、丁凡等人受邀前往班戈大学参观大气和土壤分析实验室,同位素实验室以及泥炭土壤碳减排模拟实验装置 。 

              cg.jpg

图4. 中方团队参会人员参观Dave Jones实验室开展的泥炭土碳减排模拟实验

除了沈阳农业大学汪景宽教授和丁凡副教授之外,中国农业大学资源与环境学院刘学军教授、王锴副教授,中国农科院农业环境与可持续发展研究所刘琪副研究员、崔吉晓博士,英国班戈大学Davey Jones教授、Dave Chadwick教授及其团队成员,英国雷丁大学Henny Osbahr教授、英国布里斯托大学Michaela Reay博士、德国于利希研究中心Roland Bol教授、越南土肥所Tran Minh Tien副教授、越南农业环境研究所Tran Van The研究员、印度土壤所Tapan Adhikari博士、斯里兰卡佩拉德尼亚大学Mojith Ariyaratne博士、Anurudda Karunarathna博士、埃及曼苏拉大学的Ahmed Mosa教授和Hazem Kassem教授、中英联合培养博士生张金瑞和任思洋同学以及相关项目成员参加了本次交流会。

hy.jpg

图5. GCRF微塑料项目会议参会会成员合影

 

 

沈阳农大老师参加全球挑战基金微塑料项目调研和交流活动

 

(一)全球挑战基金微塑料项目介绍

       该项目由英国环境研究委员会(NERC)的全球挑战基金资助,题目为“Do agricultural microplastics undermine food security and sustainable development in developing countries?“,研究时间为2021~2025。研究目的是探究农用微塑料如何影响全球发展中国家的农业生产和可持续发展,并提出降低农业微塑料危害的策略和办法。项目编号:NE/V005871/1。项目主持人是英国班戈大学的Davey Jones教授,Co-PI包括英国、中国、越南、埃及、印度、斯里兰卡等六个国家的人员。英国的研究单位包括班戈大学、雷丁大学、布里斯托大学,中国包括中国农业大学、中国农科院环发所、宁波大学、和沈阳农业大学。

(二)项目组成员在兰州对地膜使用和回收进行调研

      4月21-23日,项目组成员Davey Jones(英国班戈大学)、Dave Chadwick(英国班戈大学)、Michaela Reay (英国布里斯托大学)、严昌荣(中国农科院环发所)、王锴(中国农业大学)和丁凡(沈阳农业大学)一行来到兰州。4月22日上午,大家来到兰州金土地塑料总公司,参观地膜的生产和回收工艺,项目组对金土地公司地膜回收再利用的生产工艺很赞叹。下午大家来到了兰州市渝中区观摩了当地农民使用地膜和回收地膜的现场,稍后去兰州大学与熊有才教授进行了学术交流。       

                                                                                                                                                            

图1    项目组成员参观兰州金土地塑料总公司地膜的生产和回收工艺

图2    项目组在兰州市渝中区观摩当地农民使用地膜和回收地膜的现场

图3   项目组来兰州大学与熊有才教授课题组进行学术交流

图4   沈阳农业大学丁凡副教授在兰州大学作报告

 

(三)项目组成员在北京中国农大进行项目研讨

       4月23日至24日,项目组成员从兰州来到北京,在中国农大资环学院进行了项目研讨, 除了赴兰州考察的人员外,中国农大刘学军教授和沈阳农大汪景宽教授也加入了研讨会。会上讨论了全球挑战基金微塑料项目开展至今在中国的影响力,并商讨了项目组7月份在英国开会的事宜。

图5   项目组成员在中国农大进行项目研讨

图6   项目组成员丁凡副教授在研讨会上发言

图7   全球挑战基金微塑料项目成员在中国农大合影

 

 

 

课题组受邀参加2024年新污染物环境健康风险防控与预警治理大会

       2024年新污染物环境健康风险防控与预警治理大会于2024年4月25日-4月26日在安徽合肥举办。本次会议由北京市国际生态经济协会主办。大会的主题为“加强新污染物科技支撑---建设美丽健康中国”,围绕新污染物领域设置59个专题论坛,邀请领域科学家分别做大会报告和专题论坛报告600余场。

      受“土壤微塑料的赋存特征及生态效益”专场分会场邀请,课题组博士生李诗彤到现场做报告,主要内容包括:1)传统地膜(微)塑料残留2)土壤环境与作物生长响应。3)土壤-玉米对地膜塑料的老化-尺寸响应规律。  报告主要结论为:1)传统覆膜土壤中,地膜对微塑料的贡献为33%-56%,微塑料在土壤中可以向下迁移到深层土壤。2)长期(33年)覆膜(微)塑料残留对土壤地力、玉米生长和产量没有负面效应。3)与老化塑料相比,新鲜塑料对土壤-玉米系统有更强烈的抑制作用。

      此次会议探讨新污染物环境健康风险的防控与预警治理,寻求创新技术和解决方案,提出新污染物标本兼治新视角,推动多维度生态环境质量改善,为美丽中国和健康中国建设贡献力量。  感谢主办方创造 “2024年新污染物环境健康风险防控与预警治理大会”这一学术交流盛宴!

分会场合影

 

 

编辑:李诗彤

审核:丁凡

GCB文章:化学计量学示踪土壤有机质来源方法的优化

       清楚地了解植物和微生物对土壤矿质结合态有机质(MAOM)形成的贡献对于了解土壤有机质的动态和稳定性至关重要。然而,现存的方法,包括微生物生物标识物分析,分子指纹和数学建模等,均存在一定的局限性。目前为止,关于植物和微生物对于MAOM的相对贡献的认识尚未达成共识。基于我们先前在GCB上发表的利用化学计量学二元混合模型估算MAOM来源的文章(Chang et al., GCB (2024)),Liu和Chen (2024)向我们的文章表示了肯定,提出了两点担忧并提出了开发一个贝叶斯混合模型框架,去更加细致地量化植物和微生物对MAOM贡献的想法。我们感谢Liu和Chen (2024)对我们方法的肯定和深思熟虑的评论,支持其以我们的方法为基础,去开发此模型,并期待其模型检验的结果。同时,我们对于Liu和Chen (2024)的担忧,提出了两点澄清。

       首先,Liu & Chen (2024)认为,我们将颗粒态有机质(POM)作为MAOM的单一植物来源,忽略了可以通过直接吸附作为植物源有机质贡献于MAOM的可溶性有机质(DOM)的作用。我们完全同意在区分植物和微生物对土壤有机质贡献时考虑通常被忽视的有机物(尤其是DOM)是很重要的。实际上,我们已经测试了我们的方法在包含植物DOM存在时微生物对MAOM贡献的敏感性,且我们的主要结果是稳健的(见Chang et al., GCB (2024);图S3),但我们需要承认更多的数据(例如:DOM和POM分别对MAOM中植物源有机质贡献的比例,DOM有多少被微生物利用,又有多少直接被矿物吸附),将有助于进一步了解DOM在有机质形成过程中的作用。

       其次,Liu和Chen(2024)强调,我们的模型使用了恒定的植物和微生物的C/N,而植物凋落物和微生物的C/N会随时间而发生变化。我们承认凋落物C/N在分解过程中确实发生变化。然而,由于植物凋落物在形成MAOM之前主要会首先分解为POM (Cotrufo & Lavallee, 2022)。因此,我们使用POM(而不是新鲜植物凋落物)的C/N作为植物对MAOM贡献的端元,会避免高估MAOM中植物源有机质的C/N,进而最终低估植物对MAOM的贡献的情况。我们目前也尚未发现有研究显示POM C/N随时间发生明显变化。此外,由于化学计量学的内稳态机制,土壤微生物生物量C/N也通常保持相对稳定(Cleveland & Liptzin, 2007;Spohn, 2016),因此对我们估算结果的影响不大。但是我们也需要承认,如果未来可以获得植物凋落物在分解过程中的C/N变化的有效数据,将有助于对于我们化学计量学二元混合模型的改善。

      最后,我们需要明确,虽然我们的研究结果估计微生物对MAOM的平均贡献为34-47%,但这并不意味着微生物对MAOM的贡献普遍低于植物的贡献。实际上,基于Chang et al., GCB (2024)的结果,我们发现微生物对MAOM的贡献取决于生态系统类型、土壤性质和气候因素(图1)。微生物的贡献随着土层深度、黏粒含量、年平均温度和年平均降雨量的增加而增加。草地土壤中微生物对MAOM的贡献低于森林和农田土壤(图1)。

     随着这一话题的深入研究,我们强调,必须了解每种定量方法的优势和局限性,并进一步开发和比较多种方法,以为更清楚地了解MAOM在什么情况下以及在多大程度上由直接或间接(通过微生物“漏斗”)植物输入形成提供更加稳健的答案。                                                                                                                                                                                  

图1. 植物和微生物对MAOM的贡献取决于生态系统类型、土壤性质和气候因素。(在Chang et al., (2024)中图4和图5基础上进行的修改;MAP:年平均降水量;MAT:年平均温度)

 

该文于2024年6月3日以“Refining stoichiometric approaches to trace soil organic matter sources”为题被全球变化生物学领域国际顶级期刊Global Change Biology(5年影响因子12.3)接收。沈阳农业大学博士研究生常艺为第一作者,丁凡副教授为通讯作者,共同作者包括沈阳农业大学的博士生吉德昌,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Noah W. Sokol助理研究员,英国埃克塞特大学的Kees Jan van Groenigen副教授,耶鲁大学的Mark. A. Bradford教授,苏黎世联邦理工学院的Thomas W. Crowther教授,中国科学院沈阳应用生态研究所的梁超研究员,康奈尔大学的骆亦其教授,哥廷根大学的Yakov Kuzyakov教授。本研究得到了国家自然科学基金项目(42071069和32241037)、国家重点研发计划项目(2021YFD1500200)以及美国能源部OBER(contract# DE-AC52-07NA27344, award #SCW1632)的资助。

原文链接:https://doi.org/10.1111/gcb.17385

编辑 | 常艺

审核 | 丁凡

GCB文章:化学计量学二元混合模型来揭示矿质结合态有机质中植物源和微生物源的贡献

土壤矿质结合态有机质(MAOM)是陆地生态系统中最大的土壤碳库之一。和一般的有机碳库不同,它通过各种物理化学作用与土壤黏/粉粒紧密结合,周转较慢,是相对惰性的碳库,因此其在土壤碳固存方面的重要性不言而喻。有机质存在两个来源,植物源(陆源)和微生物源。植物源是指这部分有机质主要是植物破碎分解产生的,主要携带了植物的诸多特征,比如木质素、纤维素等,一般来说碳氮比较大,分子质量较高;而微生物源主要是植物被微生物直接吃掉继而形成微生物死体(Microbial necromass),所以微生物源的有机质分子质量较小,比如氨基酸、多糖、脂类等,与土壤结合后相对植物源有机质可能更难分解。中科院沈阳生态所梁超曾将这两种路径总结为微生物的胞外修饰和胞内周转,并借鉴海洋碳泵理论提出了土壤中的微生物碳泵概念(Liang et al., 2017, Nature Microbiology)。

厘清这两种来源对MAOM的相对贡献是多少以及影响相对贡献的环境因素是什么对于管理和模拟土壤碳对环境变化的响应至关重要,这将有助于我们进一步对全球变化下的碳循环过程进行建模和预测,也有利于陆地生态系统碳管理和决策。当前土壤有机质领域的研究者普遍认为,MAOM主要来源于微生物残体,植物源贡献较低。想想粉黏粒具有的超大比表面积和遍布的吸附位点,故而应该能结合大量的小分子化合物形成有机无机复合体,这种观点自然获得大多数拥趸。然而,这种认识缺乏令人信服的定量证据。微生物生物标识物,特别是氨基糖,是用于估计微生物与植物对MAOM贡献的主要方法,但是这种方法也存在不足,比如:氨基糖仅为微生物细胞壁的组成成分,利用氨基糖标识物转化微生物残体的转化系数是在室内纯培养条件下获得的,这种转化系数在实际环境中存在较大不确定性,进而会导致依据此系数计算微生物残体的数量估算变异较大。另如,分子指纹图谱方法,包括核磁共振、py-GC/MS等等,也存在一些问题(Whalen et al., 2017, Global Change Biology)。因此,亟需其他独立的证据来研究MAOM中,植物与微生物对MAOM的相对贡献。

化学计量学是一个古老而年轻的话题。从无机化学到经济计量学,许多事物都存在着规律的计量关系,在生态学中亦是如此。例如,经典的海洋浮游生物Redfield 比值C:N:P稳定在106:16:1,营养级之间的能量比约为1:10,土壤碳氮比总在10:1~12:1之间徘徊,无不令人着迷。笔者导师,也是文章的通讯作者丁凡副教授在土壤-作物化学计量学领域深耕多年,摸清了长期施肥-覆膜等农艺措施对土壤元素周转和玉米养分吸收的C:N:P化学计量关系, 并最早在2018年产生了利用化学计量学解决植物源与微生物源对MAOM贡献难题的想法,假设:如果能证明MOAM的C/N等于微生物C/N,就证明了MAOM中微生物源的主导地位。

说干就干,我们首先假设微生物生物量C/N与微生物残体的C/N接近,假如MAOM和微生物生物量的C/N无明显差异,则支持MAOM主要是由微生物残体形成的假设。若两者差异显著,则说明MAOM不仅来源于微生物残体,还来源于植物残体。我们也假设以POM代替植物残体C/N,因为若植物残体可以进入MAOM,首先形成颗粒有机质(POM,由未分解或半分解的植物残体组成)(图1)。借鉴同位素混合模型的思想(公式1),我们利用POM(植物残体)和微生物生物量(微生物残体)的N丰度(N/(C+N))作为端元,去定量微生物和植物残体对MAOM的贡献(f)(公式2,图1)。

 

fδB+(1-f)δA=δ        (公式1)

f × [N/(C+N)]Microbe + (1-f) × [N/(C+N)]POM = [N/(C+N)]MAOM     (公式2)

 

两个公式是不是很像?这里的N就类似稳定碳同位素计算外源碳占比里的13C数量,而C就相当于12C的数量。多么奇妙,但过程充满许多风险。一个典型例子是,有的人可能会问,为什么不用C/N,而用N/(C+N)表示呢?实际上我们一开始也是直接用的C/N,直到一位合作者——耶鲁大学的Mark Bradford教授提出用氮丰度可能更好一些。为什么会这样?我们经过推导发现,第一个公式的基础是建立在13C<<12C的条件上才成立的,但我们的C和N的差异不算大,如果用原来的思路会产生偏差!所以至此,我们的基础理论得以完善。

 

图1. 利用POM和微生物生物量组分氮丰度(N/(C+N))作为端元定量植物和微生物对MAOM贡献的示意图及一个示例

 

有了明确的方向,我们的工作较为顺利(PS:数据收集和分析过程中仍面对很多问题),利用学术谷歌和Web of Science,最终搜集到了36篇同时报道了POM、MAOM和微生物生物量C/N的文章,并搜集其对应的气候(年均温、平均降水量)和土壤(黏粒含量、pH、SOC、总氮、土壤C/N)因子,共获得了288组数据。通过对比MAOM和微生物生物量的C/N的差异,我们发现MAOM的C/N显著高于微生物生物量,并介于POM和微生物生物量之间(图2),且MAOM与POM和微生物生物量之间存在显著的正相关关系(图3)。这些结果表明微生物残体不是MAOM的单一来源,而是由植物和微生物残体共同形成的。

综合不同生态系统、土壤类型和土层深度,微生物残体对MAOM的贡献在34-47%之间,而植物残体对MAOM的贡献在53-66%之间,森林和农田中的微生物贡献高于草地生态系统(图4a, 5c)。微生物残体对MAOM的贡献随土层深度的增加而增加(图4b, 5b,d)。随机森林分析发现,黏粒含量是影响微生物残体对MAOM贡献的首要因子(图6),表明微生物残体对MAOM形成的贡献可能在黏土和壤土中尤为重要。

 

图2. 总数据集 (a), 森林 (b),草地 (c),农田 (d)中POM,MAOM以及微生物生物量碳氮比的比较

 

图3. 总数据集 (a), 森林 (b),草地 (c),农田 (d)中MAOM与微生物(红色点),MAOM与POM(蓝色点)C/N之间的回归关系

 

图4. 不同生态系统和土层中微生物残体对MAOM贡献 (不考虑DOM对植物源MAOM的直接贡献)

 

图5.假设DOM对植物源MAOM的直接贡献分别为10% (a, b)和50% (c, d)时,不同生态系统(a, c)和土层(b, d)中微生物残体对MAOM贡献

 

图6. 气候和土壤性质对微生物对MAOM贡献的相对重要性的随机森林分析

 

化学计量学方法的结果表明,在不同的生态系统背景下,微生物输入占MAOM的比例不超过50%。虽然我们的研究结果仍然强调微生物残体是MAOM的重要组成部分,尤其是在深层和黏粒含量高的土壤中,但它挑战了日益流行的微生物残体是MAOM的主要组成部分的观点。这一结果还强调未来仍需要其他独立的证据来定量区分植物和微生物对MAOM的贡献。虽然每种方法都有其局限性,但设计一套互补的方法(比如同时利用不同的生物标识物、同位素、C/N、化学组成等数据去定量同一土壤样本中微生物残体对MAOM的贡献)以便对植物和微生物对MAOM的贡献进行可靠的估计是至关重要的。这样的理解将有助于推进土壤有机碳动态的更可靠的理论阐释以及预测它们对气候变化的响应。

该文于2023年11月14日以“A stoichiometric approach to estimate sources of mineral-associated soil organic matter”为题被生态学领域期刊Global Change Biology(5年影响因子12.3)接收。沈阳农业大学博士研究生常艺为第一作者,丁凡副教授和汪景宽教授为共同通讯作者,共同作者包括美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Noah W. Sokol助理研究员、英国埃克塞特大学Kees Jan van Groenigen副教授、美国耶鲁大学Mark A. Bradford教授、沈阳农业大学博士生吉德昌、瑞士苏黎世联邦理工学院Thomas W. Crowther教授、中国科学院沈阳应用生态研究所梁超研究员、美国康奈尔大学骆亦其教授和德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.17092

编辑 | 常艺、吉德昌

审核 | 丁凡

Plant Soil文章:秸秆与其生物炭对团聚作用及碳氮闭蓄的影响对比

本文字数:1250字

阅读时间:4分钟

 

秸秆还田或施用生物炭是破解耕地土壤肥力降低难题的有效途径,评价秸秆和生物炭对不同有机质水平土壤的团聚作用和微生物活性等方面性能更好地指导耕地保育。然而,目前对于秸秆及其衍生生物炭在微生物量、土壤团聚以及团聚体内的碳氮周转状况的理解并不充分。因此,配对比较秸秆及其衍生生物炭在土壤团聚体内碳氮稳定性等方面的规律差异可增强我们对两者在耕地保育工作中的理论认识。

向土壤中添加13C和15N双标记的秸秆和生物炭,并进行600天的室内培养,量化溶解性有机质、微生物量、团聚体中的碳氮源于秸秆和生物炭的比例。这里,我们选择了有机物料的类型(秸秆和生物炭)、用量(相当于实际还田量的1倍和2倍)、土壤有机质含量(低和高有机质水平,分别从不施肥、32年施有机肥小区中采集)三个因素进行探究。

微生物量和溶解性有机质中的外源碳氮:秸秆来源的碳、氮对微生物生物量和溶解性有机质的贡献远高于生物炭(图1),支持了土壤有机质形成的“溶解性有机质-微生物”支路理论,即凋落物转化为土壤有机质部分是通过“溶解性有机质-微生物”途径完成的。此外,土壤有机质水平并非为决定外源碳氮进入微生物量和溶解性有机质中的关键因子。

图 1 培养第20天和200天时的外源碳氮占土壤微生物量碳氮、溶解性有机质碳氮的比例。注:Soil+1S和Soil+2S分别代表添加1倍和2倍秸秆处理,Soil+1B和Soil+2B分别代表添加1倍和2倍生物炭处理,下同。

团聚体数量及外源碳氮:与生物炭相比,100天内秸秆添加增加了土壤团聚体数量(图2,3)。秸秆添加量越大,更大比例的微团聚体转化为大团聚体(图2)。同时,秸秆来源的碳氮在土壤团聚体中的闭蓄量也远超生物炭(图4)。秸秆添加量越大,在各粒径团聚体中检测到的外源碳氮总量也越高(图4)。此外,秸秆或生物炭来源的C:N在团聚体中为5:1-20:1,并随团聚体粒径降低而降低(表2),表明较小粒径团聚体中的土壤有机质分解程度更高。就秸秆类型而言,尽管生物炭本身的C:N秸秆低(表1),添加生物炭的土壤团聚体中的外源C:N比秸秆大(表2)。这可能是因为秸秆添加后更多地形成团聚体的胶结剂,而生物炭添加后的团聚体主要通过生物炭表面与土壤颗粒之间的化学吸附相互作用形成。

图 2 培养600天内的土壤团聚体动态变化

图 3 培养600天内的土壤团聚体平均重量直径的动态变化

图 4 培养100天内进入土壤团聚体的外源碳氮数量

表 1 供试土壤、秸秆和生物炭基础性质

表 2 培养100天内进入土壤团聚体的外源C:N

玉米秸秆及其衍生生物炭对土壤微生物的碳氮同化以及团聚体形成影响相反。秸秆添加短期促进了土壤团聚,相比之下,由于生物炭的难降解性,生物炭对土壤团聚无显著影响。秸秆和生物炭进入土壤团聚体的碳、氮动态规律具有同步性。

该文于2023年9月26日以“Contrasting effects of maize straw and its biochar on aggregation and soil organic matter stabilization”为题被Plant Soil期刊接收。沈阳农业大学丁凡副教授为通讯作者,博士生吉德昌为第一作者,沈阳农业大学汪景宽教授、葛丽炜硕士、安婷婷与李双异副教授、澳大利亚大学新南威尔士基础产业部Lukas Van Zwieten教授、德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授为共同作者。

论文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-023-06313-y

编辑 | 吉德昌

审核 | 丁凡

 

 

 

 

visits:7442