国内土壤科研进展（2019年第2期）|研究

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亚热带生态所在土壤线虫生物量研究方法方面取得新进展；沈阳生态所揭示树种菌根类型对温带森林群落结构的调控机制；武汉植物园在凋落物输入改变对土壤甲烷氧化的影响研究中获进展；植物介导地上地下互作研究取得进展；南京地理所揭示低山丘陵高砾石含量对土壤水-氮输移循环的影响；中国农大商建英教授团队在蛋白质类物质与黏土矿物胶体相互作用机理方面取得突破。

来源：根据中国科学院、中国农业大学网站近期相关报道整理。

亚热带生态所在土壤线虫生物量研究方法方面取得新进展

土壤线虫是土壤多细胞动物中数量最多的种类，由于其食性广泛，它们在土壤食物网中占据多个营养级的重要链接，调控着养分矿化、周转和供给等生态系统关键过程与功能。前期研究多以线虫密度作为评价指标探讨其与生态系统关键过程与功能的关系，然而与这些过程和功能直接相关的线虫生物量这一指标却很少被使用。这主要是由于传统的土壤线虫密度和群落分析耗时较长，而生物量测量无疑会进一步增加人力和时间成本。现行的线虫生物量研究方法要求对其体长和体宽进行测定，但是体长的测量更加耗时。因此，降低线虫体长测量的时间投入可能是提高线虫生物量测量效率的最有效方法，但是目前还欠缺相关的技术方法。

近日，中国科学院亚热带农业生态研究所研究员王克林团队在对典型喀斯特生态系统土壤线虫群落研究的基础上，测量了938个线虫标本的体长和体宽并分析了两者的相互关系，结果发现线虫体长和体宽存在极显著的线性正相关关系（图1），且这种关系不依赖于生态系统类型的变化，表现为体长和体宽拟合曲线的斜率和截距在不同生态系统间没有显著差异（图2）。基于以上发现，研究人员提出了以线虫体宽作为唯一测量变量的生物量测算新方法：，其中W为生物量，D为体宽。通过进一步与传统方法的比较发现，新方法可以对土壤总线虫、食真菌线虫、植食性线虫和捕食性线虫生物量进行无偏估计，但是会略高估食细菌线虫生物量和低估杂食性线虫生物量。线虫食性与其食物网营养级关系直接相关，为了进一步提高对不同食性线虫生物量的测算精度，研究人员进一步提出了针对各食性线虫的生物量测算公式，可以达到对各食性线虫生物量的无偏估计效果。新方法大大节约了线虫生物量测算的时间，将推动线虫生物量获得更广泛的应用，提高土壤线虫功能以及它们与土壤关键过程和功能关系研究的准确性。

该研究近期以A method for estimating nematode body lengths for use in the calculation of biomass via a simplified formula为题在Soil Biology & Biochemistry发表。该研究得到中科院青年创新促进会、国家自然科学基金委项目和科技部国家重点研发项目等的资助。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071719300823

图1 土壤线虫体长和体宽的关系

图2 典型喀斯特生态系统线虫体长和体宽拟合曲线的斜率和截距

沈阳生态所揭示树种菌根类型对温带森林群落结构的调控机制

森林是陆地生态系统的主体，因而针对森林群落结构及其影响因素的研究一直受到广泛关注，为林业生产和管理提供重要参考。然而，以往研究多关注土壤养分等环境因子对森林群落结构的影响，结果发现存在很大不确定性。土壤微生物作为重要的生物因子，其对群落结构的影响也逐渐受到重视。近期大量的控制实验研究表明，土壤微生物，尤其是菌根真菌也是影响群落结构的重要因素，可以在不同土壤养分条件下驱动不同的生态过程，进而影响多样性和生物量等群落结构。相较于热带森林群落，温带森林通常包含较多的外生菌根（EM）树种，其与丛植菌根（AM）树种的土壤养分竞争过程可能是驱动温带森林结构变化的重要因素。然而目前为止，很少有研究在自然状态下揭示温带森林群落结构与树种菌根类型及土壤之间的关系，树种菌根类型影响温带森林群落结构的机制尚不明确。

鉴于此，中国科学院沈阳应用生态研究所天然林生态组博士生毛子昆，在导师王绪高指导下，与哥伦比亚罗萨里奥大学和美国加州大学的研究人员进行合作，基于长白山25ha阔叶红松林样地的大树（DBH ≥ 10 cm）和土壤数据，运用空间分析方法，分析了菌根类型和土壤养分等对群落多样性和地上生物量的作用。研究发现，AM树种和EM树种与土壤养分条件的关系存在差异，且AM树种主要影响群落多样性，而EM树种主要影响群落生物量，进而导致群落多样性和生物量随土壤肥力呈现相反的变化趋势（图1）。研究结果揭示了土壤养分和菌根真菌在温带森林群落结构形成过程中的主导作用，阐释了树种菌根类型调控森林群落结构的潜在机制（图2）。

该研究以Tree mycorrhizal associations mediate soil fertility effects on forest community structure in a temperate forest 为题在New Phytologist上发表（doi: 10.1111/nph.15742）。毛子昆为第一作者，王绪高为通讯作者。该研究得到中科院B类先导专项、国家自然科学优秀青年基金、重点基金和面上基金等的支持。

文章链接 

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.15742

图1.长白山样地分析结果（AGB：地上生物量；SWI：香农-维纳多样性指数）

图2.不同菌根类型树种与土壤肥力的关系及其对森林群落结构的影响

武汉植物园在凋落物输入改变对土壤甲烷氧化的影响研究中获进展

甲烷（CH4）是第二大温室气体，其百年尺度的全球增温潜势是二氧化碳的28-34倍，对全球变暖的贡献约为20%。透气良好的土壤中CH4氧化细菌能够氧化大气中的CH4，被认为是最重要的CH4生物汇。植物凋落物输入变化能够通过影响土壤生物及非生物因子，从而影响土壤CH4氧化过程。然而目前关于土壤CH4氧化对地上和地下凋落物输入变化的响应还存在诸多不确定性。

中国科学院武汉植物园土壤生态学学科组助理研究员吴君君在研究员程晓莉的指导下，在湖北省丹江口库区种植面积广泛的柏树人工林生态系统中开展了凋落物输入变化对土壤CH4氧化吸收影响的研究。结果表明，在所有的凋落物输入调控处理中，土壤都起着CH4汇的功能。与对照相比，去除地表凋落物和无碳输入处理土壤CH4氧化速率分别降低了37.7 ± 4.9%和41.7 ± 5.8%。相反，去除根系处理对土壤CH4氧化速率没有显著影响。添加凋落物对土壤CH4氧化速率的影响取决于土壤含水量的状况：湿季，添加凋落物使土壤CH4氧化速率降低了47.1 ± 4.9%；干季，添加凋落物对土壤CH4氧化速率没有显著影响。去除地表凋落物和无碳输入处理显著降低了底物的有效性及CH4氧化菌丰度，进而引起较低的CH4氧化速率。该研究表明，地表凋落物在调节土壤作为大气CH4汇的过程中比根系更为重要，地表凋落物的变化伴随着极端降雨和干旱频发对大气CH4吸收潜力有重要影响。

该研究得到国家自然科学基金 (31470557, 31770563) 和中科院战略先导专项B(XDB15010200)的资助，相关研究成果以Soil net methane uptake rates in response to short-term litter input change in a coniferous forest ecosystem of central China 为题发表在Agricultural and Forest Meteorology上。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192319301297?dgcid=author

土壤甲烷氧化速率对凋落物输入变化以及干湿季节的响应 

植物介导地上地下互作研究取得进展

从土壤颗粒到植物叶片，从动物牙齿到肠道表皮，地球上几乎每一个表面都有微生物的存在。这些微生物在诸如养分物质循环、动植物健康、生态多样性等方面起到至关重要的作用。早期的研究发现，植物作为媒介可以像“电话”一样为地上和地下生物传递信息。然而，地上地下微生物组是否也能通过植物进行传递尚不清楚。在近期完成的研究中，一个由中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心研究员朱峰和荷兰皇家生态学研究所的四位生态学家组成的联合研究团队发现，地上昆虫可以从地面上有选择性地获取微生物组，无需植物干预。

研究人员首先发现，当只被允许取食植物叶片时，昆虫体内微生物群落结构非常简单。然而，当为昆虫提供整株盆栽植物取食时，昆虫体内微生物与土壤微生物群落结构惊人地相似，重叠率高达75%。这也推翻了该研究最初的假设，即植物微生物组与植食昆虫体内微生物组是最为相关的。

进一步的研究发现，通过田间种植不同功能类型、生长速率的植物群落对土壤进行驯化，导致土壤细菌和真菌群落结构显著差异。这一差异同样在地上昆虫体内微生物群落结构得以体现。这也是首次发现植物影响下的土壤状态可以通过这种“遗传”方式影响昆虫微生物组成。研究还发现，在昆虫体内聚集的大量土壤微生物中，有一些已报道的细菌与昆虫健康甚至与人类肠道健康息息相关。这也为今后的研究开拓了思路。

通过对昆虫体内微生物组的调查，可以看到植物在土壤中的“遗留”影响。这项研究的发现，不仅在生态学研究领域有着重要意义，也对植物种植者和生态资源管理者有指导意义，例如害虫的有效控制取决于所耕作的土壤状态。总而言之，良好的土壤生物多样性条件可以为农田害虫控制、健康作物生产以及丰富自然环境物种做出很大贡献。

这一研究由遗传发育所农业资源中心与荷兰皇家生态学研究所合作完成，于3月19日在线发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。朱峰为论文的并列第一作者。

论文信息：S. Emilia Hannula, Feng Zhu, Robin Heinen, T. Martijn Bezemer. (2019). Foliar-feeding insects acquire microbiomes from the soil rather than the host plant. Nature communications, 10:1254.

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09284-w

图：细菌和真菌在昆虫体内、植物叶片、根系以及土壤中的多样性和群落结构。

南京地理所揭示低山丘陵高砾石含量对土壤水-氮输移循环的影响

由于土地利用/覆被变化、气候变化和成土母质风化等因子的共同作用，丘陵山区水土流失严重，土壤中的砾石含量很高，体积比可达30%以上。据统计，在地中海低山丘陵地区，高砾石含量的土壤面积占比达60%；而在我国，约有18%的国土面积被砾石性土壤所覆盖。许多研究表明，土壤中大量砾石的存在，会改变一系列关键地表过程，影响着流域水土资源的可持续利用和生态环境的保护与优化。然而，现有的土壤水文与生物地球化学循环模型均未考虑砾石的影响，导致高砾石土壤的水-氮输移循环模拟精度难以保证，也无法连续、定量地揭示砾石对土壤水文和氮素循环的影响机制。

针对该科学问题，中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员朱青课题组从①高砾石含量影响土壤水力性质和②高砾石含量减少了参与土壤水-氮循环中的土壤颗粒等两个方面切入开展研究。针对切入点①，研究中引入多峰持水函数，将高砾石土壤划分为砾石相和土壤相，从而提取高砾石土壤的水力性质特征，并将该函数耦合到传统的土壤水文模型（Hydrus-3D）和碳氮生物地球化学模型（DNDC）中，显著提高了高砾石土壤的水分渗漏、土壤储水量、氧化亚氮排放、硝态氮淋失等关键土壤水-氮输移循环过程的模拟精度。针对切入点②，研究根据实测砾石和土壤颗粒的体积比，进一步修正Hydrus-3D和DNDC模型的模拟结果并用实测数据进行验证，获取了更加可靠的土壤水-氮输移循环模拟结果。此外，研究评估发现，在未来气候变化的背景下，如果不考虑土壤中砾石的含量，土壤储水量和土壤硝态氮淋失会被显著高估，而土壤氧化亚氮的排放量则存在被低估的可能性。因此，研究呼吁在土壤调查和数据库构建以及土壤水、碳和氮循环模拟的研究中引入土壤砾石的相关参数，以便更加准确地揭示和评估分布广泛的高砾石土壤的水文和生物地球化学循环过程与污染物排放。

该研究成果近期发表在Journal of Geophysical Research 和Journal of Hydrology上。文章的第一作者分别为副研究员廖凯华和助理研究员赖晓明。

论文链接

1 https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018JG004780

2 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169418306358

图1 考虑砾石含量与否对Hydrus-3D土壤水文模拟结果的影响 

图2 考虑砾石含量与否对DNDC氧化亚氮排放和硝态氮淋失模拟精度的影响 

中国农大商建英教授团队在蛋白质类物质与黏土矿物胶体相互作用机理方面取得突破

3月22日，《Water Research》杂志在线发表了商建英教授课题组的论文“Effect of bovine serum albumin on stability and transport of kaolinite colloid”。《Water Research》杂志是环境科学和水科学行业的顶级期刊之一，JCR一区期刊，目前5年影响因子7.621。该论文第一作者为中国农业大学资源与环境学院博士生晏朝睿，商建英教授具体指导了本论文工作。论文合作单位还包括加拿大纽芬兰纪念大学。

土壤中含量丰富的黏土矿物胶体是土壤矿物质中最活跃的部分，可以作为许多有机和无机污染物的载体在地下介质中进行迁移。因此，明确黏土胶体的稳定性和移动性对污染物在土壤和地下水中迁移的过程和地下水质量的管控具有重要意义。黏土矿物胶体在地下水中的稳定性和移动性受溶解性有机物（DOM）的强烈影响，蛋白质类物质是一种重要的DOM成分，在天然水、再生水和土壤溶液中广泛存在。然而，黏土矿物胶体和蛋白质之间的相互作用机制方面仍未得到充分研究。本研究以高岭石胶体作为黏土矿物胶体的代表，以牛血清白蛋白（BSA）作为蛋白类有机质的代表，研究了牛血清白蛋白对高岭石胶体在土壤溶液中的稳定性和在多孔介质中迁移的影响。研究发现，当带负电荷的蛋白类物质存在时，空间位阻作用主导了胶体间的相互作用同时促进了胶体的迁移，而空间位阻力是胶体稳定的主要机制。吸附在粘土颗粒上的蛋白引起强烈的空间位阻作用造成胶体间的强烈相互排斥，从而其聚集受到抑制，移动性增强；这些现象在较高的盐浓度范围和较高的蛋白浓度下更加显著。

《土壤学与生活》(原书第十四版)

（美）尼尔· 布雷迪（NyleC. Brady ），

（美）雷· 韦尔（RayR. Weil）著；

李保国 等译. 

北京：科学出版社，2019.2

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