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      • 姜明

        所长

      • 王宗明

        党委书记
        副所长

      • 项尚

        纪委书记

      • 李向楠

        副所长

      • 李禄军

        副所长

      所长致辞
        中国科学院东北地理与农业生态研究所于2002年3月经中国科学院批准,由成立于1958年的中国科学院长春地理研究所和成立于1978年的中国科学院黑龙江农业现代化研究所整合组建而成,是中国科学院设立在东北地区的综合性地理学、农学、生态学、环境科学与技术研究机构和人才培养基地,2002进入中国科学院知识创新工程序列...
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        东北地理所现有各类职工500余人,80%以上具有研究生学历。历年入选中国工程院院士1人,双聘院士7人,国家百千万、杰青、优青等国家级人才计划10余人,院级人才计划30余人。国家“973计划”、国家重点研发计划、国家科技基础性工作专项、科技基础资源调查专项、国家科技支撑计划等项目首席科学家10余人,国务院政府特殊津贴获得者60余人。
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    • 概要
        60年的耕耘,东北地理所取得了累累的科研硕果。创建了我国湿地学科理论体系,揭示我国湿地形成与发育规律、土壤关键过程与生态功能,研发退化沼泽近自然综合恢复关键技术、湿地植被快速恢复技术和湿地苇-蟹/鱼-稻复合生态模式。阐明了黑土演化过程与驱动机制,揭示了黑土退化特征和肥力调控机理,研发了黑土地肥沃耕层构建关键技术、作物高光效新型种植模式、侵蚀黑土综合防治技术、合作研发了“梨树模式”等黑土保护与利用关键核心技术,支撑“黑土粮仓”科技会战。首次克隆了控制大豆开花期的最大位点基因E1以及控制大豆长青春期性状的经典基因J,在国际上率先建立大豆分子设计育种理论体系和最大容量的大豆突变体库;研发和...
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      • 黑龙江三江国家级自然保护区管理局党组书记、局长于小东一行调研东北地理所并签署合作协议
      • 兴安盟行政公署副盟长何伟利一行调研东北地理所
      • 东北地理所与吉林省松原市长岭县签署战略合作协议
      国际交流
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      • 姜明参加地球观测组织(GEO)2023年会议周及部长级峰会
      • 中国科学院国际杰出学者Damià Barceló教授访问东北地理所
      • 姜明率团访问俄罗斯远东地区科研机构
      • 俄罗斯联邦科学水稻中心一行到东北地理所开展合作交流
      • 中美土壤学会“快速进化中的黑土地科学”研讨会在长春顺利召开
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    • 概况
        东北地理所是1978年恢复学位制度后,第一批硕士学位授予单位。现有环境科学与工程、地理学、生态学和农业资源与环境四个一级学科博士后流动站...
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      • 东北地理所举行中科院第十七届公众科学日活动
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      • 【科学大院】2022年中国新补充10343个物种,其中最多的是……
      • 【科学大院】灌木“步步入侵”,草原“何去何从”
      • 【中科院之声】野火对于野草,是敌是友?
      • 【科学大院】亮如白昼的夜里,有些植物处境艰
      • 【科学大院】如何保护黑土?有一个“偷懒”的办法
      科普图片/视频
      • 【哔哩哔哩直播2023中科院跨年演讲】邹文秀:“龙江模式”——保护黑土地 共筑大粮仓
      • 关义新-“用好养好”东北黑土
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科普文章

什么?植物多掉几片叶子也能导致全球变暖?

来源:蒋磊 指导老师:宋艳宇

来源:蒋磊 指导老师:宋艳宇   |  发布时间:2020-07-08   |  【 大  中  小 】

  全球变暖相信大家都再熟悉不过了吧,极端天气,冰川融化,海平面上升都与全球变暖有着脱不了的干系。我们都知道,人类活动引起的CO2浓度升高是导致全球变暖的重要“元凶”之一。但很少有人知道,CO2浓度升高其实还和土壤里一个普遍存在而又鲜为人知的现象——激发效应,有着重要联系。那究竟什么是激发效应呢?

1.什么是激发效应?

  当植物的枯枝落叶、根系分泌物及凋落物中的易分解物质进入土壤后,会在短时间内促进或者抑制土壤中原有有机碳的矿化并释放CO2,这一现象便是激发效应。其中,促进土壤原有有机碳矿化并释放CO2的过程叫做“正激发效应”,抑制原有有机碳矿化的过程叫做“负激发效应”。也就是说,在一些情况下,一片小小的叶子掉落到土壤中,就能使土壤受到刺激,使原土壤释放出更多的CO2,从而促进全球变暖。

  当然,大自然有它自己的调节能力,能够保持CO2吸收和释放之间的平衡。但是,在全球气候变化背景下,植物落叶会增加,而落叶引发的正激发效应会加速土壤中的碳损失,打破土壤碳输入和输出之间的平衡,使大气中的CO2浓度增加,进而加剧全球变暖。因此,激发效应与全球变暖有着“剪不断,理还乱”的“爱恨纠葛”。

图1:全球气候变化背景下根际地球化学循环示意图(图片来源:参考文献1)

图2:根际、碎屑周际和动物通道是土壤激发效应发生的最主要部位。

(图片来源:参考文献2)

 

  所以,研究土壤激发效应的方向和强度,对于了解全球变化来说就显得尤为重要。然而,激发效应却是一个“磨人的小妖精”,当落叶等中的易分解有机质进入土壤后,它时而引发正激发效应,时而又引发负激发效应。脾气古怪,令人难以捉摸。那么产生激发效应的机制又是什么呢?

2.产生激发效应的机制是什么呢?

  虽然激发效应令人难以捉摸,但是,这些都难不倒我们聪明的科学家们。经过科学家们的潜心研究,最终发现影响土壤激发效应的“幕后黑手”原来是土壤微生物。

图3:土壤微生物

(图片来源于网络,从左到右依次是:细菌、真菌、放线菌)

  土壤微生物是生态系统的主要分解者,土壤有机碳矿化释放CO2的过程就是这些微生物为获取营养和能量,满足自身生长繁殖和新陈代谢需求引起的。落叶等中的易分解有机质进入土壤后,会增加土壤微生物的食物来源,从而作用于土壤有机质的分解过程。

图4:土壤激发效应的机制(图片来源:参考文献1)

  通常来讲,对激发效应微生物机制的解释有两种,一种是“协同代谢”机制,一种是“碳矿化”机制。

  “协同代谢”(co-metab-olism)机制

  在解释“协同代谢”机制前,我们必须明确两个概念:“r生存策略微生物”和“K生存策略微生物”。r生存策略微生物(主要为细菌)一般只“吃”落叶等中的易分解有机碳;K生存策略微生物(主要为真菌)既可以“吃”落叶中的易分解有机碳,又可以“吃”土壤中原有的难分解有机碳。

  “协同代谢”机制就是当植物落叶等中的易分解有机碳进入土壤后,r生存策略微生物首先利用这些碳源合成一些酶等物质,使土壤有机质中的难分解物质聚合,促进K生存策略微生物“吃掉”这些难分解有机碳,从而形成激发效应,释放CO2。换句话说,“协同代谢”机制就是“r”和“K”这两个好兄弟分头觅食,密切合作的过程。

图5:“协同代谢”机制示意图(图片来源:参考文献3)

  “氮矿化”(N-mining)机制

  当植物落叶等中的易分解有机碳进入土壤后,微生物以这部分碳为食,但是总是吃碳使微生物有点儿营养不良,需要补充氮等其他营养元素,于是微生物转而分解土壤中的原有有机质来释放氮等营养元素,从而满足自身对氮的需要,因此引发了正激发效应,促进了土壤原有有机碳的矿化和CO2的释放。

图6:“碳矿化”机制示意图(图片来源:参考文献3)

3. 激发效应受什么影响呢?

  在大自然中,许多因素都能够影响土壤激发效应的方向和强度。这些因素主要有:植物、土壤动物、土壤团粒结构、养分状况、水分含量、pH等。那我们接下来就看看它们是如何影响的吧。

  植物会通过改变根系分泌物的组成和数量来影响激发效应。

图7:植物根系分泌物影响激发效应(图片来源:参考文献4)

  土壤动物(原生动物、节肢动物、线虫等)通过释放分泌物、啃食植物根系、捕食根际微生物影响微生物与植物对养分的竞争等来影响激发效应。

图8:土壤动物(图片来源于网络)

  土壤团粒结构也会对激发效应的方向产生影响。科学家在1-2 mm大小团粒中观察到了正激发效应,而在0.25-1 mm的团粒中观察到了负激发效应。

图9:土壤团粒结构(图片来源于网络)

  土壤养分,特别是氮元素,可以直接影响土壤微生物的活性及根系与微生物对养分的竞争,从而影响激发效应。另外,氮的形态(氨氮或硝氮)也会影响激发效应的强度和方向。

图10:氮对激发效应的影响(图片来源:参考文献5)

  土壤水分可以直接改变微生物活性和植物的生长状况。通常较高的土壤含水量能够产生更强烈的激发效应,但是水分过多或者过少都不利于微生物分解利用土壤有机质。水分过少会限制矿质元素和有机质的溶解,而水分过多又会形成厌氧的淹水环境,抑制多种氧化酶和好氧微生物的活性。

  土壤pH可以通过影响微生物的组成、植物根系的生长和伸长、菌根的共生等影响激发效应的大小。一般土壤pH为5-8时微生物和胞外酶具有较高的活性,易于产生较强的激发效应。

图11:土壤激发效应与pH(图片来源:参考文献5)

  关于土壤激发效应的更多秘密科学家们还在不断地探索当中。经过这篇文章的介绍,相信聪明的你一定会对土壤激发效应有所了解。小小的几片落叶竟也能促进全球变暖,可见,生活中我们需要时刻保护生态环境,爱护花草,共同守护我们美好的地球家园!

(作者:蒋磊 指导老师:宋艳宇)

 

  参考文献

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  5.Wang X J, Tang C X. The role of rhizosphere pH in regulating the rhizosphere priming effect and implications for the availability of soil-derived nitrogen to plants[J]. Annals of Botany, 2018, 121(1): 143-151.


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