国内土壤科研进展（2019年第3期）|研究

导  读

南京土壤所揭示大气沉降重金属的土壤生物有效性和对农作物富集贡献；水稻光合同化碳在作物-土壤系统的分配研究获进展；沈阳生态所揭示氮沉降对植物群落养分特征的影响；城市环境所在土壤动物肠道微生物的生态学功能方面取得进展。

来源：根据中国科学院、中国科学院沈阳应用生态研究所网站近期相关报道整理

南京土壤所揭示大气沉降重金属的土壤生物有效性和对农作物富集贡献

大量化石能源和矿物资源的消耗，造成大量大气镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）等重金属排放和沉降，对公众健康和土壤生态环境造成危害。大气沉降重金属是地球表生生态环境中重金属的重要来源，其在土壤重金属生物地球化学过程中扮演着重要的角色。因此，揭示大气沉降重金属在农田土壤中的环境行为、对作物富集效应的研究有重要意义。

在国家自然科学基金项目（41807385）的资助下，中国科学院南京土壤研究所周静课题组选择目前我国最大的现代化铜冶炼厂周边作为典型研究区域，系统采集了6年大气湿沉降（降水）和干沉降（降尘）样品，通过长时间、多点位的监测研究该冶炼厂周边大气重金属沉降的时空分布。另外，通过土壤置换实验，将不同沉降通量梯度区域（高沉降区、中沉降区、背景区）土壤互换，同时开展原地生态系统和搬运至此生态系统的对比研究，分析新沉降重金属在土壤中分布和生物有效性，确定新沉降重金属对农作物富集重金属的贡献，评估在大气重金属沉降区域人体摄入稻米和蔬菜的健康风险。研究结果发现，冶炼厂周边大气重金属Cu、Cd、Pb沉降通量显著高于背景区，另外具有明显的时空异质性。湿沉降重金属主要以<3Kda的离子和小的胶体态存在，干沉降重金属也有一定比例以可交换态赋存，表明大气沉降重金属具有较高的生物活性。土壤置换盆栽实验结果表明，铜冶炼厂周边大气新沉降下来的重金属主要以高生物有效态滞留在土壤的表层（0-4cm），高的生物有效态也随之带来高的生物效应。大气新沉降的重金属通量不到土壤原有重金属库存量的1%，但这部分重金属对农作物（生菜）可食用部分重金属Cu、Cd、Pb的累积贡献可达到20-85%，这也增加人体摄入当地生产的农作物所带来的健康风险。该研究揭示了农田土壤重金属污染风险管控中应重点关注大气沉降重金属的影响，在进行土壤修复过程中，也应重点关注大气沉降重金属的影响。

部分研究结果发表在Journal of Hazardous Materials上。

文章链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389418308276

土壤置换设置

沉降重金属的时空特征和沉降重金属的活性 

水稻光合同化碳在作物-土壤系统的分配研究获进展

生态系统地下碳输入与输出过程是陆地生态系统碳分配和转化的核心，并直接影响着全球碳循环。全球大约一半的光合同化碳输入土壤中，每年约为60Gt碳，主要来自于植物残体或活根系分泌物。因此，明确作物光合同化碳在作物地上地下的分配是评估生态系统固碳的先决条件。

短期的碳同位素（13C或14C）脉冲标记技术是常用的评估作物光合碳分配和向土壤输入的手段。然而，由于标记碳在作物-土壤系统的分配受到作物生长阶段和标记后取样时间的双重影响，严重限制了光合同化碳分配的准确估算。尽管旱地作物的光合同化碳分配已经出现系列综述研究，然而关于水稻生态系统的研究尚且缺乏。

为解决该问题，中国科学院亚热带农业生态研究所研究员吴金水团队联合德国哥廷根大学的研究人员结合文献数据和该团队已开展的标记试验数据，揭示了脉冲标记下，水稻光合同化碳受标记时间、取样时间和氮肥使用的影响（图1,2）。并在此基础上，综合估算了稻田光合同化碳向土壤的输入量（图3）。

研究表明，水稻光合碳向根系和土壤的相对输入随着水稻生长而降低。脉冲标记后立即取样，水稻光合同化碳在地上部、根系和土壤中的分配约为90±1%、6±1%、和4±1%（图1）。脉冲标记后，6h取样水稻光合碳在地上部分的分配约为85%，60天后则降低到64%。脉冲标记后，光合碳向根系的转移在前10天随着时间的延长而增加，之后处于相对稳定状态，约占总光合碳的18%（图1）。研究同时发现，根际沉积碳和根系碳含量有着很强的相关性。根际沉积碳占根际碳的比例不受标记时间和取样时间的影响，但是氮肥将其比例从0.30增加到0.44（图2）。同时基于文献数据，研究表明光合同化碳向土壤的输入量约占根系碳量的34%。基于此，研究人员估算一季水稻的地下碳输入量为630-1080 kg C ha-1，其中包括160-330 kg C ha-1的根际沉积碳（图3）。研究表明单次脉冲标记结果的准确性较差，多次多生育期脉冲标记将有助于提升稻田光合同化碳输入量的精确估算。

该项研究近期以Allocation of assimilated carbon in paddies depending on rice age, chase period and N fertilization: Experiment with 13CO2 labelling and literature synthesis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、中德国际合作项目、中科院亚热带生态所青年创新团队项目等资助。

论文链接 

https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-019-03995-1

图1 标记时间（水稻生长发育期）、取样时间对水稻光合碳分配的影响

图2 水稻根系碳含量和根际沉积碳的相关性

图3 水稻光合碳在土壤-作物系统的分配量化图

沈阳生态所揭示氮沉降对植物群落养分特征的影响

植物群落的养分特征影响生态系统的基础功能和过程，对外界环境条件的变化十分敏感。环境条件的变化对群落养分特征的影响主要通过两种途径：物种个体养分状况的改变和植物群落物种组成的变化，即植物养分特征的种内和种间变异。目前，氮沉降和刈割对草地生态系统养分循环和群落结构的影响已得到深入研究，但在植物种内和种间变异对群落养分变异相对贡献方面的研究相对较少，且对于二者的交互作用尚不清楚。 

中国科学院沈阳应用生态研究所生态化学计量组科研人员以中国北方半干旱草原连续进行七年氮素添加和刈割的实验平台为依托，研究了植物种内变异、种间变异及二者协同作用对群落N、P养分含量和N:P的影响。结果表明，氮素添加增加群落N、P含量及N:P，刈割增加群落N含量及N:P。在氮素添加和刈割处理下，种内变异对群落养分变异的相对贡献均显著高于种间变异。另外，种内和种间变异对群落N、P含量变化存在负向协同作用，而二者交互作用对群落N含量及N:P变异存在正向作用。该项研究丰富了关于不同生态系统管理措施背景下，氮沉降对生物地球化学循环植物调控途径影响的认识。 

研究结果以The relative contributions of intra- and inter-specific variation in driving community stoichiometric responses to nitrogen deposition and mowing in a grassland为题发表于Science of the Total Environment杂志(666: 887-893)，侯双利助理研究员为文章的第一作者，吕晓涛研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金面上项目的资助。 

文章链接

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.est.8b06187

氮素添加和刈割处理下种内和种间变异对群落养分变异的相对贡献 

城市环境所在土壤动物肠道微生物的生态学功能方面取得进展

蚯蚓是土壤中主要的大型土壤动物，它们对于土壤中碳素的稳定、矿化以及氮素的周转等方面有重要的贡献。但是此前，大多的研究都停留在土壤物本身，而忽略了土壤动物肠道微生物在其宿主发挥这些生态学功能过程中的作用。土壤动物的肠道是土壤微生物另一重要的“栖息地”，是一个天然可移动的厌氧环境，为厌氧微生物的生长和繁殖提供了有利条件。

在土壤环境中，蚯蚓肠道通过取食不仅获得了其中含碳、含氮化合物，同时还摄入了大量的铁（氢）氧化物。中国科学院城市环境研究所研究人员推测蚯蚓肠道有着巨大的异化Fe(III)还原潜能。以往关于微生物介导的Fe(III)还原过程大都停留在土壤介质本身。因此，阐明蚯蚓肠道微生物的Fe(III)还原作用对于全面深入理解土壤微生物在Fe的生物地球化学循环中的作用有着重要的启示意义。然而，关于蚯蚓肠道内Fe(Ⅲ)的还原及其与肠道内其他反应过程的相互作用研究较少。该研究将蚯蚓肠道内容物恒温培养后的样品进行化学分析并结合16S rRNA的Illumina测序技术，探明了Fe(Ⅲ)在蚯蚓Pheretima guillelmi肠道中的变化动态，并揭示了Fe(Ⅲ)与有机酸-硝酸盐转化反应的相互作用。化学分析表明：与蚯蚓P. guillelmi生活的土壤环境相比，其肠道中Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)、亚硝酸盐/硝酸盐比值更高，所含有机酸更丰富。与原位土壤环境相比，蚯蚓肠道内容物被检测到了更高的Fe(Ⅲ)还原率。无论是在原位土壤还是蚯蚓肠道环境，硝酸盐的还原均比Fe(Ⅲ)的还原更早发生。在蚯蚓肠道内容中Fe(Ⅲ)还原菌由具有发酵能力的Clostridium，Bacillus和Desulfotomaculum所主导，而在原位土壤中Fe(Ⅲ)还原菌则由Geobacter主导。并且，蚯蚓肠道内容物中多种还原Fe(Ⅲ)的微生物都具有反硝化功能，说明蚯蚓肠道中的Fe(Ⅲ)还原与脱氮反应之间具有密切联系。总之，该研究结果揭示了蚯蚓肠道中Fe(Ⅲ)还原反应的发生，以此证明蚯蚓肠道微生物对土壤中Fe循环的巨大潜能，其为理解土壤环境中的C和N循环提供了新的角度。

相关研究结果以Mobile Incubator for Iron(III) Reduction in the Gut of the Soil Feeding Earthworm Pheretima guillelmi and Interaction with Denitrification 为题发表在Environmental Science & Technology上。

该研究获得国家自然科学基金(41701280和41771285)及中科院战略性先导科技专项（XDB15020302）资金的资助。

论文链接

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.est.8b06187

文章摘要图

蚯蚓肠道中的铁还原以及反硝化微生物

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