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土壤分子生态学课题组在土壤/作物微生物组研究中取得系列进展
土壤微生物是全球生物多样性的重要组成部分，在土壤有机物分解、元素生物地球化学循环、污染物转化、地上植物多样性和生态系统生产力维持等方面起着重要作用。近来，土壤分子生态学课题组在土壤微生物组结构和功能、微生物-植物相互作用、环境响应和生态效应等研究中取得系列进展，相关成果陆续发表于Microbiome, Journal of Hazardous Materials, New Phytologist, Soil Biology and Biochemistry, Environmental Microbiology和Science of The Total Environment等期刊上。
原生生物是土壤微生物组中的重要组成部分，处于食物网的中间营养级地位，通过食物网的交互作用直接或间接影响着土壤生物多样性及其生态系统功能。因受研究方法的影响，限制了对原生生物多样性及其功能的认识。课题组通过方法比较和摸索，采用高通量测序技术解析了我国3种典型旱地农田土壤（黑土、潮土和红壤）中的微生物组（细菌、真菌、原生生物）对不同施肥处理措施的响应。发现连续两年施氮肥处理对土壤细菌和真菌的alpha多样性和群落组成无显著影响，但显著降低了原生生物群落的alpha多样性并改变了其群落结构。同时，施氮肥处理显著降低了原生生物在微生物网络关系中的节点比例，使得土壤微生物互作网络关系更加紧密（图1）。
图1 施肥对土壤微生物组群落多样性和微生物网络互作关系的影响
通过对微生物组物种信息进行功能注释，结合功能基因定量、磷脂脂肪酸分析和功能微生物活性分析等，进一步发现施肥对土壤微生物组潜在功能的影响在不同类型土壤中表现不同；但施氮肥处理可显著降低3种类型土壤中吞噬型原生生物的相对丰度，这与氮肥施用导致的硝态氮累积和土壤pH降低密切相关。以上研究较系统地揭示了短期施肥处理下，原生生物比真菌和细菌群落更加敏感地响应施氮肥产生的影响，进而导致微生物网络互作关系和潜在的生态功能发生明显变化，进一步证实了原生生物是土壤微生物组中的关键生物类群，也为更好地理解农业施肥对地下生物多样性、功能及其与生态系统稳定性之间的关系提供了新的视角。以上结果发表于Microbiome（Zhao et al., 2019）和Soil Biology & Biogeochemistry(Zhao et al., 2020)期刊上。
除土壤外，植物各个部位（如根、茎、叶等）也栖居着大量高度多样的微生物，构成植物的第二基因组，在促进植物养分吸收、维护植物健康和适应环境胁迫等起着重要作用。基于课题组在河南许昌（潮土）和云南曲靖（红壤）开展的旱地农田减氮增效长期定位试验，我们研究了玉米-小麦/大麦轮作下土壤及植物不同部位所代表的生态位中细菌和真菌的群落组成和构建机制。结果表明，在土壤-植物连续体上，细菌和真菌群落构建主要由宿主选择(即作物种类和生态位)决定，地域和地域所代表的土壤和气候因子，以及不同施肥措施仅对非根际土壤微生物群落有显著影响，对植物不同部位的微生物群落影响较小。溯源分析表明作物微生物组主要来自土壤环境并逐步被不同植物部位进行富集和过滤。从土壤到植物表面再到植物内部，宿主选择效应逐渐增加，环境效应逐渐减弱，同时，微生物多样性及网络复杂度相应降低（图2）。
图2 土壤-植物连续体上微生物群落构建示意图（左）和真菌稀有物种在微生物网络互作关系中的重要作用（右）
无论是土壤还是植物不同部位，细菌和真菌群落主要由少量优势类群主导（在每个样品中相对丰度≥1%的 ZOTUs），而其群落多样性主要由稀有物种（相对丰度<0.01%的ZOTUs）所代表。植物不同部位中，真菌群落的丰富物种主要由随机性过程主导，而稀有物种对宿主选择更敏感并且主要由确定性过程主导。此外，我们还发现真菌稀有物种在微生物网络互作及生态系统功能维持（如作物产量及土壤酶活）中发挥着重要作用。这些研究系统刻画了土壤-植物连续体上微生物的组成特征，揭示了宿主选择和环境效应对土壤和作物微生物组群落构建的相对贡献，以及稀有物种在维持微生物组稳定性及生态系统功能中的重要作用，丰富了宿主微生物组群落构建的生态进化理论，并为未来基于土壤、作物微生物组精准调控的农业可持续管理提供了重要信息。以上结果发表于New Phytologist（Xiong et al., 2020）和Environmental Microbiology (Xiong et al., 2020)期刊上。
病毒是地球上数量最多、种类最丰富的生物实体。以往的研究表明，病毒在海洋环境中有着十分重要的生态功能，但目前土壤病毒生态学研究还处于初步发展阶段。课题组通过荧光显微计数和宏病毒组学的方法，结合生物信息学分析，探究了我国典型红壤地区玉米地不同施肥措施下根际与非根际土壤病毒的丰度、物种组成以及潜在的生态功能。结果表明土壤病毒丰度在玉米根际与非根际土壤之间没有显著差异。根际与非根际土壤病毒组共注释到57个病毒科，其中长尾噬菌体科相对丰度最高。有尾噬菌体目是农田土壤主要的病毒类群，通过其terL基因的系统发育分析发现，有尾噬菌体目在土壤中的多样性较高，含有3个新的病毒类群。不同施肥处理间病毒群落组成差异不显著，但根际与非根际之间病毒群落组成差异显著。进一步通过与dbCAN2数据库比对碳水化合物活性酶（CAZymes），共注释到48个CAZymes，分别属于3个CAZyme家族，包括碳水化合物结合模块、碳水化合物酯酶和糖苷水解酶，其中糖苷水解酶的丰度最高（图3）。病毒可能通过碳代谢相关基因的表达影响宿主碳代谢过程，从而影响农田生态系统中碳元素的生物地球化学循环。这一研究结果揭示了农田土壤病毒组相关特征，加深了我们对于植物-土壤-病毒系统相互作用的理解。以上结果发表于Environmental Microbiology (Bi et al., 2020)期刊上。
图3 玉米根际与非根际土壤病毒组群落结构及其对土壤生物地球化学循环的潜在影响
抗生素抗性基因组（Antibiotic resistome）在环境中广泛存在，对人体健康及生态环境具有一定的风险。大量研究已证明，抗生素的滥用和误用是产生抗生素抗性的重要选择性压力，导致环境中ARGs的蓄积。通过对湖南省长株潭地区长期重金属污染的土壤样品，以及大尺度范围上农田和草地土壤样品的调查研究，发现在自然条件下，长期As、Cd污染会显著改变环境抗性基因的分布；在农田生态系统中，人为活动，包括肥料、农药和地膜使用等是影响农田土壤ARGs大尺度空间分布的主控因素；而在我国北方典型草原和荒漠草原土壤中，ARGs的丰度不受放牧强度的影响。以上研究充分阐释了农田土壤中ARGs污染风险，解析了人为的农业管理措施对于土壤ARGs分布特征的重要性，为形成农业优化管理和缓解ARGs传播风险提供了理论依据。相关研究成果分别在Journal of Hazardous Materials（Zhao et al., 2020），Science of the Total Environment（Du et al., 2020），Applied Soil Ecology（Du et al., 2020）等杂志上发表。
以上研究得到了中国科学院战略性先导专项B (XDB15020200)、国家重点研发计划项目（2017YFD0200600和2017YFD0801500）、国家自然科学基金项目（41771289 和41571248）和中科院青年创新促进会等项目的资助。
论文链接：
论文1. https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0647-0
论文2. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720301607
论文3. https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.16890
论文4. https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15262
论文5. https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1462-2920.15010?af=R
论文6. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389419317923
论文7. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719364149
论文8. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0929139319312521
土壤环境科学实验室
2020年10月7日
2020-10-09
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傅伯杰研究组揭示近千年来黄土高原社会-生态系统演变过程及效应
中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室傅伯杰研究组在黄土高原社会-生态系统演变研究方面取得新进展，发展了根据社会-生态系统要素相互作用变化识别系统演变阶段的方法，揭示了近千年来黄土高原社会-生态系统的演变阶段及效应。这一研究成果近期发表在国际著名学术期刊Science Advances。
社会-生态系统的动态演变是复合生态系统研究的核心内容，是生态学和地理学研究的前沿科学问题。稳态转换是指系统的结构和功能发生巨大、突然和持续的变化，是理解社会-生态系统变化的重要视角。识别长时间尺度社会-生态系统的演变阶段、驱动因素和效应对未来的系统管理十分重要。现有的稳态转换研究主要基于社会或生态要素时间序列的突变点识别，对系统要素间相互作用关注较少，而对稳态转换影响效应的研究主要集中在局地尺度，对其跨尺度的溢出效应研究有限。
针对这些问题，傅伯杰研究组提出了根据系统要素相互作用变化识别社会-生态系统稳态转换，同时关注其驱动因素和本地与溢出效应的研究框架，并以黄土高原社会-生态系统近千年的演变为案例证明了该框架的适用性。框架假设在一个演变阶段（稳态）内，社会-生态系统要素之间的相互作用保持不变，而要素之间相互作用的变化则表示系统从一个阶段演变到另一个阶段。人类活动和气候变化等驱动因素决定了社会-生态系统要素之间的相互作用，进而对本地和远程的系统产生影响和效应。
通过整合统计调查数据、历史时期重建数据和相关文献资料，该研究分析了黄土高原近千年来人口、耕地面积和森林覆盖率等要素的关系变化，将其社会-生态系统演变划分为5个阶段：“耕种快速扩张”（1100-1750年代）、“耕种持续扩张”（1750-1950年代）、“农田工程以增加粮食生产”（1950-1970年代）、“从粮食生产向生态保护转型”（1980-1990年代）、“植被恢复以保护生态环境”（2000年代至今）。研究还建立了黄土高原社会-生态系统状态与政策、气候、社会经济等驱动因素和本地粮食生产、黄河输沙量、径流量、三角洲面积、下游自然决堤次数等本地与溢出效应的经验联系。研究发现前三个阶段对粮食生产的追求破坏了当地生态环境，加剧了土壤侵蚀，对黄河下游和三角洲产生影响，而退耕还林还草等生态恢复和水土保持措施的实施减少了黄土高原土壤侵蚀和黄河泥沙，但同时也带来了径流减少、黄河三角洲蚀退等新的问题。
该研究为社会-生态系统的动态演变研究提供了新的视角，可为世界其他区域的相关研究提供借鉴。黄土高原案例分析表明，社会-生态系统管理需要从系统与综合的角度，实现从追求单一目标到考虑要素相互作用，从关注局地到关注跨区域影响的转型，这对社会-生态系统的长期管理和政策制定具有重要意义。
该研究得到了国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点研究计划项目和国际合作项目等项目的资助。
论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc0276
图1：黄土高原社会-生态系统演变阶段
城市与区域生态国家重点实验室
2020年10月8日
2020-10-08
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祝贵兵研究组揭示空气污染会加剧大气中抗生素抗性基因的传播
抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes, ARGs）作为一种新兴环境污染物，普遍存在于现代环境和微生物中，极大地影响抗生素的治疗效果，严重威胁人类健康。人类滥用抗生素，使得陆地表层系统成为ARGs的重要库。在陆地上，ARGs在小范围内进行传播。陆地上的ARGs以生物气溶胶的形式进入到大气中，之后通过雨雪等湿沉降返回至地表，使得ARGs污染传播至全球范围，并构成ARGs循环。近年来，冬季湿沉降，尤其是降雪，往往伴随着大气污染问题，因此我们推测大气ARGs的存在与传播与大气污染有关。
为了验证这一猜想，中科院生态环境研究中心祝贵兵团队与大气物理研究所王自发研究员、城市环境研究所朱永官研究员合作，历时四年，采集了国内外13000km、共48个样点的新鲜降雪样品，利用高通量定量PCR（High-throughput quantitative PCR,HT-qPCR）检测降雪中的ARGs的丰度和组成，发现ARGs的丰度与空气质量污染指数（Air Quality Index，AQI）和PM2.5显著正相关，从而证明ARGs的存在与传播和大气污染有关，而且大气污染还可以增加ARGs的丰富度。
结合大气动力学分析，从大尺度和小尺度两个方面，证明大气污染能够引起ARGs的积累与传播。在距离13000km，海拔高500m的整个采样点纵切面内，大气中的ARGs未表现出明显差异，说明ARGs通过大气水平和垂直运动已经混合均匀；在4000km的小尺度内，ARGs的相似性随着距离的增加而降低，而微生物群落的相似性与地理距离没有显著关系，说明ARGs不完全依赖于微生物而存在，小尺度内污染颗粒物的存在将有助于其在大气中的传播。例如大气环境状况良好时，气流垂向尺度运动会造成ARGs的衰减，纵向上存在气流的上下运动，ARGs传播能力较弱。而当存在颗粒物污染的时候，气流转而只向下运动，导致ARGs的积累。此外，研究得到了用于估计其他共现ARGs、总ARGs丰度以及大气污染程度的指示基因。
这项研究工作的意义在于，揭示了作为人类生存必要条件的空气中不仅存在PM2.5等非生物污染，还有抗生素抗性基因污染，且会在其他污染的作用下加剧，威胁人类的生命与健康。并且为衡量人类百年尺度上的影响与“人类世”定年提供了新的思路。该成果发表于国际微生物生态学权威杂志《The ISME Journal》。
图1. ARGs环境循环示意图
该研究得到了国家自然科学基金（No. 41322012，41671471和91851204），广东珠江人才计划地方创新研究团队计划（2017BT01Z176），国家重点研发计划（2016YFA0602303）和环境模拟与污染控制国家重点联合实验室（中国科学院生态环境研究中心）专项资金（18Z02ESPCR）的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-020-00780-2
环境水质学国家重点实验室
2020年9月24日
2020-09-24
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室在颗粒物毒理方面取得进展
中科院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘思金研究组通过多方合作在颗粒物的环境过程、毒理与转化等研究中取得新进展，相关研究成果陆续发表于Small (Xu et al. 2020, 2003691), Nano Today (Chen et al. 2020, 100976)和NPG Asia Materials (Chen et al. 2020, 12, 56)等期刊上。
在自然环境场景下，颗粒物会发生复杂的环境转化过程，最终决定颗粒物的环境归趋与健康风险。该研究组发现，水环境条件的变化(如pH值、离子强度、有机分子组分)，会引起银纳米颗粒(AgNPs)发生溶解、重结晶、聚集等多种转化过程，进而作用于多种重要的生物功能大分子(如GST和ERα)，进而导致氧化应激损伤、细胞代谢紊乱和细胞死亡等(Particle and Fibre Toxicology 2019, 16, 46; Nanotoxicology 2020, 14, 740-756，图一)。在大气环境中，臭氧则会加速颗粒物的老化，改变其表面含氧化学基团与性质，影响颗粒物的红细胞与巨噬细胞毒性(Environmental Science: Nano 2020, 7, 1633-1641)。
图一. 银纳米颗粒诱发细胞毒性机制的示意图
在纳米颗粒表面，生态大分子(如NOM、EPS、蛋白)会发生复杂的吸附过程，并形成环境冠(environmental corona)的界面结构，显著地影响纳米颗粒的环境行为与生物效应。针对上述科学问题，该团队系统地回顾并综述了纳米颗粒的环境冠界面特征、对纳米颗粒环境行为与生物效应的影响、环境冠影响纳米—生物界面作用的主要机理，并提出了未来该领域研究所面临的主要问题与挑战(Small 2020, 2003691，图二)。
图二. 水环境中纳米颗粒表面形成“环境冠”的主要特征示意图
在上述环境毒理研究的基础上，开展了纳米材料抗病原微生物的转化毒理研究。该团队与复旦大学蔡启良教授合作发现，AgNPs能够更有效的诱导病毒感染细胞发生自噬，并通过直接破坏病毒颗粒以阻断其复制，从而抑制其集落形成(Cell Death & Disease 2019, 10, 392)。同时，该研究组也对新型纳米制剂抗病原微生物的治疗策略与方法进行了评述与展望 (Nano Today 2020, 100976)。该研究组与厦门大学郑南峰教授合作，基于理论模型分析，设计并制备了具有高抑菌活性的新型银纳米团簇(AgNCs)。AgNCs通过类过氧化物酶活性增强活性氧自由基产生、破坏氧化呼吸链电子传递、降低细菌运动能力、抑制生物膜形成，高效地杀灭耐药性铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)，这个研究工作为解决P. aeruginosa耐药性问题提出新思路(NPG Asia Materials 2020, 12, 56，图三)。
以上研究工作得到了国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委以及中科院国际合作项目的支持。
图三. 双亲性银纳米团簇抗多耐药细菌的作用机制示意图
论文链接1：https://link.springer.com/article/10.1186/s12989-019-0322-4
论文链接2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202003691
论文链接3：https://www.nature.com/articles/s41427-020-00239-y
论文链接4：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220301456?dgcid=author
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2020年9月23日
2020-09-23
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宋茂勇研究组在四溴双酚A的胚胎发育毒性研究中取得新进展
中国科学院生态环境研究中心环境纳米技术与健康效应重点实验室宋茂勇组利用活体成像技术和转基因标记斑马鱼研究了四溴双酚A在斑马鱼胚胎血液发生过程中的毒性效应和甲状腺激素信号通路在毒性机制中发挥的作用，为评估四溴双酚A对水生动物的生态风险奠定了基础。研究结果以封面文章发表在Environmental Science & Technology（DOI：10.1021/acs.est.0c02934）。
四溴双酚A是目前全球使用最广泛的溴代阻燃剂。四溴双酚A容易在水生动物体内特别是在其卵和胚胎中累积，因而其对水生动物带来不可忽视的生态风险。过去多个研究组报道了四溴双酚A暴露可引起斑马鱼胚胎尾部的血红细胞淤积，但是对该缺陷的发生过程和毒性机制仍不明确。本研究组利用活体成像技术，发现红细胞淤积发生在在胚胎血液循环建立的起始阶段（24-26 hpf），主要表现为尾部静脉的扩张。研究组进一步利用转基因标定斑马鱼的成像和流式细胞定量分析，发现四溴双酚A诱导起初级造血组织内细胞团（ICM）的扩张导致了尾静脉形成粗壮的结节状导管，而不是形成编织状静脉血管丛。该研究揭示了四溴双酚A干扰初级红系发生是其发育毒性的起始因素，进而干扰血液循环的正常建立，使得回流至心脏的血液减少，造成血液循环损伤。红系造血发生受到包括甲状腺激素信号通路在内的多个信号通路影响。通过药物拯救实验，研究组发现甲状腺激素拮抗剂胺碘酮几乎能完全拯救四溴双酚A造成的尾部血岛发育缺陷，暗示了四溴双酚A的甲状腺激素干扰活性和甲状腺激素受体信号通路在毒性机制中起到重要作用。
以上研究工作得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划支持。
论文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c02934
环境纳米技术与健康效应重点实验室
2020年9月21日
2020-09-21
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室在转化毒理学方面取得进展
中科院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室杜宇国研究组与刘思金研究组通过多方合作在转化毒理学方面取得新进展，相关研究成果近期以研究论文陆续发表于National Science Review (Wang, et al. 2020, DOI: 10.1093/nsr/nwaa226)，Advanced Science(Ma, et al. 2020, 7, 2000609)和Journal of Nanobiotechnology (Wang, et al. 2020, 18, 84)。
免疫系统的调控紊乱与多种疾病的发生发展密切相关。目前KRN7000是一种被广泛认可并具有成药潜力的α-GalCer类Th1型免疫反应激活剂。但是由于α-GalCer对Th1型和Th2型免疫反应的选择特异性不强，限制了其临床应用。该团队成功合成了多手性的糖脂类化合物α-GalCer-diol，细胞和动物实验证实α-GalCer-diol能直接诱导树突状细胞和经典CD1d-iNKT轴的激活，其与CD1d受体的结合力显著强于经典的KRN7000化合物（图1）。同时发现，α-GalCer-diol能诱发小鼠体内CD11b阳性细胞数量增加，并活化表达Th1型炎性因子，二者共同作用，显著提高α-GalCer-diol诱导的机体Th1型免疫反应，并在小鼠黑色素瘤模型试验中呈现出显著的抗肿瘤转移活性。该研究克服了α-GalCer在应用中非选择性诱导抗炎/促炎症反应因子表达的缺点，对新型抗肿瘤药物的研发具有指导意义，相关结果发表在Advanced Science。
图1. 新合成α-GalCer-diol选择性提高Th1型免疫反应的作用机制
肿瘤和退行性疾病等已成为影响人类健康的重要危害因素。该团队与厦门大学郑南峰教授合作，制备了单分散性钯纳米片（PdPL），以目前严重危害女性健康的转移性乳腺癌为研究对象，在原位以及肺转移肿瘤模型上证实PdPL可以有效靶向原位肿瘤和肺转移瘤，并且单独PdPL特别是协同光热治疗可有效抑制乳腺癌肺转移。进一步通过转录组测序、生物信息学分析和生物化学与分子生物学研究发现在非毒性暴露剂量下，PdPL通过阻断TGF-β所驱动的上皮-间充质转化（EMT）信号通路来抑制乳腺癌肺转移（图2）。此发现为揭示PdPL等纳米材料的肿瘤治疗机制提供了新的策略与依据。相关成果在线发表于National Science Review。同时，该团队在纳米药物促进骨折愈合方面取得重要进展，相关成果发表于Journal of Nanobiotechnology。
图2. PdPL通过阻断TGF-β驱动的EMT通路来抑制乳腺癌转移机制
以上研究工作得到了国家自然科学基金委项目、北京市自然科学基金委项目和中科院国际合作项目等的支持。
相关论文链接：
论文1：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000609
论文2：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa226/5900996
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2020年9月4日
2020-09-04
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刘景富研究组在原位拉曼光谱溯源二氧化碳电催化还原选择性方面取得进展
中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘景富研究组利用原位表面增强拉曼光谱技术研究了二氧化碳电催化还原，在拉曼低波数段识别了二氧化碳还原的两种初步中间产物*COOH和*OCO-，并确认其为调控液相产物选择性的关键靶点，为高选择性催化剂的设计奠定了基础。研究结果最近发表在ACS Nano （DOI: 10.1021/acsnano.0c03534）。
利用可再生电能催化还原二氧化碳生成高附加值化学品，可实现碳资源的循环再利用。传统的块体金属催化剂具有较低的液相产物选择性，且对调控二氧化碳还原选择性关键靶点的认识不足限制了高选择性催化剂的设计。原位表面增强拉曼光谱可以实时高灵敏识别材料基底表面吸附的分子，因而被用于研究二氧化碳电还原过程机理。拉曼低波数段信号（＜1000cm-1）可以提供与金属催化剂直接相连的化学键振动信息，有助于理解反应初期反应物在电极催化剂表面的吸附及反应过程。借助原位表面增强拉曼光谱技术对初期反应机理的深入认识为追溯二氧化碳还原选择性的根源提供了可能。
图 A)原位表面增强拉曼光谱监控反应过程及在纳孔银上电沉积金属铜或钯示意图；电极材料SEM，XPS及电化学表征；B)二氧化碳还原随电压变化原位拉曼光谱图；C)13C同位素实验；DFT理论计算振动频率；二氧化碳还原初始反应路径示意图；D)沉积金属铜或钯的原位拉曼谱；中间产物*COOH和*OCO-拉曼谱峰面积比随电压的变化；液相产物法拉第效率及其和拉曼谱峰面积比的关系。
刘景富研究组利用原位表面增强拉曼光谱技术监测了二氧化碳电还原过程（图A），结合13C同位素实验以及DFT理论计算在低波数段识别了分别通过一个碳原子和两个氧原子吸附在纳孔银表面的反应初期中间产物及*COOH和*OCO-图B, C）。这两种不同吸附构型的中间产物分别处于二氧化碳还原的两条初始反应路径上（图C），暗示*COOH和*OCO-在二氧化碳还原产物选择性方面扮演着很重要的角色。该研究进一步将金属铜和钯分别电沉积在纳孔银表面进行二氧化碳电还原，并原位拉曼监控反应过程。中间产物*COOH和*OCO-拉曼谱峰面积比因沉积了不同金属而发生了改变，生成的液相产物的法拉第效率也随之发生变化（图D）。当沉积金属铜时，*OCO-与*COOH拉曼谱峰面积比较纳孔银增大，液相产物甲酸的选择性升高；当沉积金属钯时，*OCO-与*COOH拉曼谱峰面积比较纳孔银减小，液相产物乙醇的选择性升高。由此可见，电极表面中间产物*OCO-的累积有利于甲酸的生成，而中间产物*COOH的累积则有利于乙醇的生成。对两种中间产物吸附在不同电极表面的吉布斯自由能的计算发现，金属铜或钯的引入改变了*OCO-与*COOH在电极表面的吸附行为，进而影响了二氧化碳还原的反应路径选择性，因此液相产物选择性发生变化。
研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。
文章链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03534
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2020年8月20日
2020-08-20
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吕永龙主编的《环黄渤海滨海带生态环境状况综合调查图集》正式出版
环黄渤海地区是我国经济社会快速发展的区域，在人口激增、经济开发诸多压力下，环境污染与生态退化问题不断出现，亟需开展环黄渤海滨海带生态环境基本状况综合调查，为当前甚至今后相当长一段时间滨海带经济社会的可持续发展提供重要的基础科学数据支撑。
从2013年开始，先后在国家重点科技基础性工作专项“黄渤海滨海带环境污染与生态系统状况综合调查”、国家重点研发计划项目“城市化与区域生态耦合及调控机制”和中国科学院重点部署项目“区域典型污染物生态环境效应与管理”等支持下，在环黄渤海地区开展了大量的生态环境调查与分析工作，经过近6年的野外样品采集、室内实验分析、数据处理、图集编纂工作，由发展中国家科学院（TWAS）院士、欧洲科学院（AE）外籍院士、中国科学院生态环境研究中心吕永龙研究员主编的《环黄渤海滨海带生态环境状况综合调查图集》正式出版（中国环境出版集团，2019.10）。来自中国科学院生态环境研究中心、中国环境科学研究院、中国科学院海洋研究所、中国科学院沈阳生态研究所、北京大学城市与环境学院、国家基础地理信息中心等单位的中青年学者参与了研究与图集的编撰工作。
《环黄渤海滨海带生态环境状况综合调查图集》集中体现了环黄渤海滨海带的生态状况及其典型污染物的空间分布格局与污染态势，主要包括黄渤海滨海带土地利用状况、氮、磷、重金属、有机氯农药（OCPs）、多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PAHs）、多溴联苯醚（PBDEs）、全氟化合物（PFASs）、六溴环十二烷（HBCDs）、景观类型分布状况、淡水生物多样性、近海海水理化性质及生物分布状况等。本图集可为了解环黄渤海地区多介质污染状况提供基础性数据，可为加强该地区环境生态风险管控提供重要的决策支持服务，可为全国广泛开展海岸带地区生态环境调查起到示范作用，也可广泛服务于土地、环保、海洋、农业、卫生等部门。
城市与区域生态国家重点实验室
2020年8月5日
2020-08-05
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生态模型与全球变化研究组在农业生态系统温室气体排放、高寒植被碳固定以及高寒河流水环境遥感研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室生态模型与全球变化研究组在农业生态系统温室气体排放、高寒植被生态系统碳过程以及高寒河流水环境遥感研究方面取得重要进展，相关研究成果分别发表在Global Change Biology，Agricultural and Forest Meteorology, Journal of Geophysical Research, Remote Sensing等杂志上。
农业生态系统是气候变化的承受者，也是温室气体（GHG）的重要排放源，对自然变化和人类活动非常敏感。在全球变化背景下，要确保粮食安全和生态环境平衡，需要更好地了解和量化多个环境变化因子及其相互作用对作物温室气体排放强度（单位作物产量的温室气体排放量）的影响。课题组使用改进的农业生态系统模型（DLEM-AG2.0）及包含172个野外温室气体排放实验的meta分析，对1949年至2012年中国小麦、玉米和水稻的温室气体排放强度的时空变化率、主要贡献因子及其影响进行了国家尺度的最新评估。结果表明，1949-2012年，农田的温室气体排放强度平均为0.10~1.31 kg CO2‐eq kg‐1，增长率为1.84~3.58×10‐3 kg CO2‐eq kg‐1 yr‐1。2000年以来，氮肥是导致中国北方温室气体排放强度增加的主要因素，对南方的影响也有所增加。温室气体排放强度的增加意味着过度施肥不仅没有显著促进作物增产，反而加剧了土壤温室气体排放。本研究发现，超过60%的过度施肥主要位于华北平原的冬小麦-夏玉米轮作区，长江中下游和西南地区的冬小麦-水稻轮作区，以及南方大部分的双稻轮作区。模拟结果表明，“过度施肥”地区当前的氮肥施用水平减少约1/3，不会显著影响作物产量，但会使土壤温室气体排放减少29.60%~32.50%，温室气体排放强度减少0.13~0.25 kg CO2‐eq kg‐1。这分别相当于中国和世界农业土壤温室气体排放总量的29%和5%。研究表明，提高氮肥利用效率将是减少温室气体排放、保障中国粮食安全的有效策略。研究结果可为我国发展温室气体友好型农业提供参考。
图1. DLEM-AG2.0估算的1949-2012年中国小麦、玉米和水稻的温室气体排放强度(a、d和g)、作物产量(b、w和h)和土壤温室气体排放(c、f和i)
高寒植被生态系统对气候变化非常敏感，然而，高寒植被在不同生长阶段碳交换及其碳通量对气候变化的响应机制尚不明确。我们利用遥感反演的长时间序列高寒植被总初级生产力（GPP）、净生态系统生产力（NEP），系统分析了1982-2015年以来青藏高原高寒草甸生态系统不同生长阶段碳交换、生产力及其对气候变化的响应关系。研究结果发现：青藏高原高寒草甸生产力在过去30多年均得到了持续的增加，但在不同的生长阶段高寒草甸会表现为不同的碳源和碳汇，同时不同气候因子对高寒草甸GPP、NEP的影响程度也不相同，表现为温度因子在整个植被生长阶段都起着重要的作用，控制着高寒草甸的碳固定能力。在植被枯萎前土壤水分对高寒草甸碳固定的作用日益重要，而空气饱和差、太阳短波辐射对高寒草甸碳固定的影响相对较弱。我们的研究也揭示了需要从高寒植被生长的各个阶段来分析气候变化与高寒植被生态系统碳过程的复杂关系，从而为更系统了解陆地生态系统对气候变化的响应机制提供了新的视野。
（A） （B）
图2. 高寒草甸不同生长阶段（S1、S2和S3）GPP（A）和NEP（B）变化的主导气候因素的空间分布
随着全球气候变化和人类活动影响的加剧，高寒河流水环境受到了越来越严重的环境胁迫，而由于高寒河流所处区域气候恶劣、地形地貌条件复杂，如何有效地监测高寒河流水环境变得日益重要。我们从2016年起连续开展了雅江、金沙江、怒江、澜沧江等高寒河流的天空地一体化观测实验，首次建立了高寒河流水环境不同组分的遥感光谱库，而后基于空间对地观测信息协同，建立了河流水环境遥感机器深度学习识别与定量反演模型，生成了长时间序列高寒河流水环境数据集并系统分析了全球变化与人类活动影响下的高寒河流水环境变化的时空特征，最终形成了高原高寒河流水环境遥感监测系统，这将有助于提升高原寒区河流水环境遥感监测与预警的能力与水平。
图3. 三江并流区怒江（NJR）、澜沧江（LCR）和金沙江（JSR）季节性水体浑浊度空间分布
这些研究分别得到科技部国家重点研发计划重点专项（2018YFA0606001和2017YFA0604702）、中科院STS项目（No. KFJ-STS-ZDTP-0）和国家自然科学基金委重大研究计划等项目（No. 91547107和 41271426）的资助。系列论文链接如下：
https://doi.org/10.1111/gcb.15290
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192320301878
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JC015106
https://www.mdpi.com/2072-4292/11/24/3010
https://www.mdpi.com/2072-4292/11/11/1287
城市与区域生态国家重点实验室
2020年7月28日
2020-07-28
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傅伯杰团队在非洲生态系统变化与驱动机制研究中取得重要进展
非洲旱地生态系统主要由稀树草原和灌丛组成，草本与木本植物动态竞争，对气候变化和人类活动非常敏感。在全球变化背景下，生态系统结构和功能发生显著变化。课题组基于多源遥感数据，将光学NDVI和微波VOD互补，识别了非洲旱地生态系统近30年的动态演化，发现1993-2012年间，非洲旱地生态系统木本植物增加，土壤水分的变化是主要的驱动因素。此外，利用集合经验模态分解的方法分析了过去三十年东非植被的时空动态，划分了趋势变化的类型，识别了趋势转折的时间，结果表明植被由变绿到变棕是主要的变化趋势，转折时间集中在2000年前后。该项研究为大尺度植被动态监测及生态系统退化评价提供了科学方法。
火动态对于理解生态系统结构功能变化和全球气候变化有着重要的意义。一方面，全球变暖和干旱事件增加了火发生的潜在风险，另一方面人类活动特别是农田扩张抑制火的发生和传播。非洲火占全球火燃烧面积的70%，占全球火相关排放的50%，同时火在草本和木本植物竞争中扮演着重要角色。但目前关于气候因素和人类活动在多大程度上影响非洲火动态尚不清楚。课题组基于遥感数据，分析了2001-2016年间非洲火的非线性动态（图1）， 结果表明非洲北部火持续减少，主要原因是农田扩张；非洲南部火经历了由增加到减少的转折，主要受降水的控制。同时，研究指出降水-火关系存在时空异质性：短期降水与火呈负相关关系（降水抑制燃料的可燃性）， 前一两个雨季降水与火呈正相关关系（降水促进燃料的累积）。总体而言，干旱区降水与火呈正相关关系，湿润区降水与火呈负相关关系。该项研究对于理解植被-降水-火关系以及预测未来非洲火动态提供了科学依据。
图1: 非洲火的时空变化:（a）2004年,（b）2010年,（c）2016年,（d）2001-2016平均变化；
上述研究成果得到了国家重点研发计划项目“全球变化对生态系统服务的影响”（资助号：2017YFA0604701）和国家自然科学基金项目（资助号：41761144064）等支持，相关论文发表在Global Change Biology和Land Degradation & Development。系列文章链接如下。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.15190
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.3342
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.3017
城市与区域生态国家重点实验室
2020年6月24日
2020-06-24
