近期3则土壤科研进展|研究

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南京土壤所在应用X射线CT扫描技术研究土壤结构和生物活动的相互作用方面取得进展；亚热带生态所揭示磷肥施用和外源碳添加对水稻根际酶活热区范围的影响机制；武汉植物园在土地利用变化对土壤碳分解酶活性的影响研究中取得进展。

来源：根据中国科学院、中国科学院南京土壤研究所网站近期相关报道整理

南京土壤所在应用X射线CT扫描技术研究土壤结构和生物活动的相互作用方面取得进展

植物根系和蚯蚓等生物活动对土壤结构的形成和演变具有极其重要的作用，而土壤结构也可以显著影响根系生长和蚯蚓等土壤动物活动。围绕土壤结构和生物活动的相互作用，南京土壤所彭新华研究员课题组应用X射线CT技术开展了一系列的研究工作。

Bottinelli等（2017, Biol Fertil Soils, 53, 951–955）研究了两种生态类型的蚯蚓，内栖类（D. Sinica）和深栖类（Amynthas）分别对红壤和砂姜黑土土壤结构的影响，发现这两种不同生态类型的蚯蚓活动形成的洞穴在数量、角度和连通性等三维特征上存在差异显著。Amynthas蚯蚓洞的直径比Sinica的大，连接性好，并且分布更加垂直（图1）。Amynthas产生的连接土壤表面与底部的蚯蚓洞显著高于Sinica的蚯蚓洞，导致前者的饱和导水率也显著高于后者。该研究说明不同生态类型的蚯蚓对土壤结构及其水分运动的贡献差异显著。

张中彬等（2018, Plant Soil, 428, 453–467）为了排除耕作的影响，研究了不同施肥和土地利用方式对犁底层（20-30 cm）土壤生物性孔隙的影响。提出了区分生物性和非生物性孔隙的方法，发现了生物性孔隙在土壤大孔隙中占比超过50%以上；与种植玉米的旱地相比，水田土壤的生物性孔隙多垂直分布，平均体积和孔径较小，分支较少，这主要是玉米和水稻根系特征的差异导致的（图2）；施用有机肥增加旱地大孔径的生物性孔隙，增加了水田生物性孔隙的弯曲度，这可能是由于施用有机肥增加了蚯蚓等动物的活动。该研究表明尽管犁底层土壤较为紧实，但生物活动仍然可以影响土壤孔隙结构的形成与演变。利用方式和施用有机肥能够显著改变下层土壤生物性孔隙结构，这为通过合理的轮作和施肥措施改良犁底层土壤的压实状况提供了新思路。

房焕等（2018, Plant Soil, 430, 233-243）研究了水稻土物理结构和水分管理对水稻苗期根系特征的影响。结果表明容重相同的情况下，孔隙结构对水稻根系的生长有非常显著的影响，大孔隙的增加可以显著促进根系的长度和数量；与长期淹水相比，虽然干湿交替的穿透阻力增大4倍，但由于其产生了裂隙，大孔隙增多，促进了根系的生长，说明孔隙结构在根系生长的过程中发挥了更重要的作用。此研究对于改善水稻田物理结构和田间管理具有十分重要的启示意义。

这些研究是该课题组从土壤结构的定量化往土壤结构与功能的发展，提升了我们对土壤结构与生物活动相互作用的科学认识，对田间管理具有一定的实际指导意义。

文章链接：

1，https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00374-017-1235-8

2，https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11104-018-3689-3

3、https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11104-018-3715-5

亚热带生态所揭示磷肥施用和外源碳添加对水稻根际酶活热区范围的影响机制

由于碳源、养分元素等环境要素的不均匀分布，土壤微生物活性具有很强的空间异质性。在微生物“热区”内，活性微生物比例高，生化过程发生迅速；而在非热区中，大部分微生物处于休眠状态，生化过程发生缓慢。根际是土壤中最重要的微生物热区之一。根际土占土壤总体积的10%以下，却对土壤元素循环和植物养分供应起决定性作用。准确识别根际热区范围是排除非热区干扰，研究土壤微生物过程的真实速率及其环境效应的前提。土壤酶活性受微生物代谢和底物可利用性等环境因子的共同调控，对微生物热区有良好的指示作用。

为此，中国科学院亚热带农业生态研究所研究人员通过借助近年引入土壤学的原位酶谱（Soil Zymography）技术，原位获取了高分辨率的土壤表面磷酸酶活性二维分布图谱（图1），通过对酶活与离根中心距离的逻辑回归直接分析磷酸酶活性从根到土壤的变化趋势及其对C、P添加的响应机制。结果表明，酸性磷酸酶（ACP）和碱性磷酸酶（ALP）的活性热区均沿根分布，活性热区为根中心向外1-4mm的狭窄区域（图2）。水稻移栽45d后，根际ACP热区面积与35d时相比显著减小，而ALP无显著变化。这可能与两种磷酸酶来源的差异有关。ALP主要由微生物分泌，而ACP由植物和微生物共同分泌。45d时水稻生长到分蘖期后期，根系活力下降，ACP的分泌量减少，导致热区面积下降。施磷促进了根系发育，引发根源磷酸酶分泌量的增加，同时，大量根际沉积碳的投入有利于促进微生物代谢和微生物源磷酸酶的分泌，使热区内的磷酸酶活性显著提高。然而，与缺磷处理相比，施磷条件下水稻根际磷酸酶的活性热区面积显著减小。这可能是由于施磷条件下，较快的水稻生长速率消耗了大量氮素，导致根际微生物活性的氮源限制。磷酸酶活性表现了微生物对磷素获取的能量投入，受微生物养分需求和底物的元素计量关系，特别是C:P的直接影响。纤维素添加显著提高了根际土壤溶液C:P，使根际微生物代谢磷限制增强，从而促进了磷酸酶的分泌，增大了根际磷酸酶活性热区（图2）。较大的磷酸酶活性热区意味着根系能从更广泛的土壤区域获取磷素。因此，纤维素等外源碳添加可能是提高磷利用效率的有效手段。该研究可为深入解析稻田碳磷耦合机制及水稻土的可持续管理提供理论基础和数据支撑。

该项研究近期以Expansion of rice enzymatic rhizosphere: temporal dynamics in response to phosphorus and cellulose application 为题发表在Plant and Soil上。该研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、亚热带生态所青年创新团队项目的资助。

论文链接 

https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-018-03902-0

图1 水稻移栽后第35、45d时酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的空间分布

图2 磷肥施用和外源碳添加对水稻根际酶活热区范围的影响机制

武汉植物园在土地利用变化对土壤碳分解酶活性的影响研究中取得进展

土壤是陆地生态系统中最重要的碳库，而由微生物驱动的有机碳分解对全球碳循环具有重要影响。土壤微生物主要通过其分泌的胞外酶参与土壤的碳循环。土地利用变化导致土壤有机质的质量和数量以及土壤理化特性的改变，这些都会导致生态系统中土壤微生物群落的变化，从而影响其分泌的胞外酶活性。然而土壤碳循环相关酶活性对于不同土地利用变化的响应机制是什么，目前尚不十分清楚。

中国科学院武汉植物园土壤生态学学科组博士研究生张倩在研究员程晓莉的指导下，以丹江口库区荒地、农田、灌丛和森林为研究对象，测定不同土地利用方式下土壤中碳水解酶活性和氧化酶活性以及碳含量的变化。研究结果表明，植被恢复和耕种均显著提高了土壤的碳水解酶活性和碳氧化酶活性。造林地碳水解酶活性的增加与其较高的土壤可溶性有机碳含量以及易分解碳含量有关，而农田则与其较低的土壤碳氮比以及翻耕、施肥有关。农田土壤氧化酶活性显著高于造林地，这可能是由于其较高的惰性碳指数和较低的碳氮比造成的。同时农田土壤单位有机碳酶活性显著高于造林地，这表明造农田的碳周转速率显著高于造林地。研究表明造林可以通过减缓由土壤酶驱动的碳周转提高土壤碳的封存和土壤碳的稳定性。

该研究得到国家自然科学基金 (31470557, 31770563, 31700461)和中科院战略先导专项B(XDB15010200)的资助，相关研究成果以Variations in carbon‐decomposition enzyme activities respond differently to land use change in central China 为题发表在国际期刊Land degradation & development上。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ldr.3240

不同土地利用类型土壤碳水解酶活性年平均值

不同土地利用类型土壤碳氧化酶活性年平均值

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