国内土壤科研进展（2019年第6期）|研究

导  读

水稻土碳氮循环关键酶动力学特征及其温度敏感性对外源碳添加的响应机制研究获进展；能源植物边际地土壤养分循环研究取得进展；版纳植物园发现橡胶间作模式改善了土壤的水分优先流特性；华南植物园发现农业利用导致土壤微生物硝态氮同化能力下降机制。

来源：根据中国科学院网站近期相关报道整理

水稻土碳氮循环关键酶动力学特征及其温度敏感性对外源碳添加的响应机制研究获进展

在全球变暖大背景下，亚热带地区气候变化相比于其他地区更为明显。亚热带地区是水稻主产区之一，高强度的人为耕作干扰使水稻土物理化学生物特性与旱地土存在显著差异。已有研究表明水稻土是全球重要的碳汇，但升温造成温室气体（如CO2和CH4）排放增加，产生进一步的温室效应，这种正反馈作用不容忽视。

温度敏感性往往用温度变化10℃反应速率的相对变化（Fractional changes）来表示，即Q10值。温度增加能够加速土壤有机质分解（Q10>1）。温度增加能够直接提高土壤中水解酶和微生物的活性或改变其群落结构组成，加速有机质分解；而且，全球变暖通过增加植物凋落物、生物量或根际沉积碳等增加了外源碳的输入，从而为土壤微生物提供易利用态底物。同时，温度和底物可利用性也对土壤胞外酶活性（Vmax）有不同程度的影响，如温度增加能显著提高土壤酶活性；但在底物可利用较低的情况下，酶活性对变暖表现得不敏感。然而，不稳定碳的可用性（生化因子）和温度（环境因子）对碳循环关键酶动力学特征的影响机制还缺乏系统认识。

基于此，中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究团队通过以13C-乙酸盐作为不稳定碳，在不同温度下（5，15，25，35°C）厌氧培养典型水稻土75天，采用96孔微平板-荧光法测定土壤碳氮循环关键酶活性（β-葡萄糖苷酶，几丁质酶和木聚糖酶），研究了厌氧条件下外源碳添加和温度增加对水稻土碳循环关键酶动力学特征的影响机制。结果表明：不添加乙酸盐的土壤中β-葡萄糖苷酶和几丁质酶的活性比添加乙酸盐土壤高2.1-2.7倍，表明不稳定的有机C输入可能抑制有机碳降解酶的活性。木聚糖酶活性随温度增加和培养时间的延长而增加（图1，2）。参与C循环的酶（β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶）对温度敏感，而参与N循环的酶（几丁质酶）仅在添加乙酸盐后对温度敏感（Q10-Vmax≥1）。CO2排放的Q10值在5-15°C时比在25-35°C时高1.1-3.4倍；CH4排放的Q10值在5-15°C时比在25-35°C时高2.8-13.5倍（图2，3），表明有机质矿化和甲烷排放在低温下对温度变化更敏感。温度和底物可利用性对土壤酶活性影响的比较表明，不稳定C的增加显著提高了土壤微生物活动和有机质周转，升温对厌氧条件下水稻土胞外水解酶活性的影响有限（图1）。由此得出结论，酶活性受到环境和生物化学因素相互作用的限制：在低温条件下，底物可利用性满足土壤微生物需求，酶活性主要受温度限制。随着温度的升高，底物被快速消耗甚至变得枯竭，其含量成为酶活性的限制因素。酶活性限制从环境因素到生化因子的这种转变解释了微生物活性随温度升高的适应性。随着不稳定的C输入（此处为乙酸盐），厌氧稻田土壤有机质分解增加，特别是在低温（5-15°C）条件下。这表明温度变化可能对水稻土中酶活性的影响有限，因为微生物活动同时受到氧气和底物可利用性的限制。该研究可为深入解析稻田厌氧条件下有机质降解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Labile carbon matters more than temperature for enzyme activity in paddy soil 为题发表在Soil Biology and Biochemistry上。该研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、湖南省自然科学基金创新群体项目、亚热带生态所青年创新团队项目的资助。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071719301300

图1 酶动力学特征对温度和底物可利用性的响应机制

图2 不同温度下稻田土壤碳氮关键酶活性对外源碳添加的响应

图3 二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）排放的温度敏感性

能源植物边际地土壤养分循环研究取得进展

柳枝稷（Panicum virgatum L.）是一种多年生草本，在边际土地上作为饲料或生物质能源作物具有巨大潜力。然而，多年生柳枝稷在我国半干旱沙荒地上的氮肥响应机制、施肥对饲草和能源品质的影响、种植过程和施肥对土壤养分循环的影响，以及土壤养分平衡和补偿机制尚缺少系统研究。因此，通过对柳枝稷不同氮肥用量和NPK养分亏缺试验研究，揭示柳枝稷在我国半干旱沙荒地上的养分响应机制及土壤养分平衡规律，对我国沙荒地种植柳枝稷及边际土地生态可持续发展具有重要意义。

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刘金铜和韩立朴与中国农业大学教授谢光辉等合作，在内蒙古科尔沁沙荒地开展大田试验研究，系统地揭示了柳枝稷的养分利用及其作物-土壤养分平衡机制。研究发现施用少量氮肥可显著提高柳枝稷粗蛋白（CP）含量、蛋白质产量和理论乙醇产量（p <0.05），收获时间影响了粗蛋白理论乙醇产量、酸性洗涤纤维（ADF）和中性洗涤纤维（NDF）含量。在> 60 kg N ha-1的氮肥施用量的情况下生物量并未显著提高。较低的施氮量足以产生优质草料和生物质，而不会对原料质量产生负面影响，同时避免了NO3-淋失的风险。低氮投入不仅维持了柳枝稷的生物量产量，还能有效保持内蒙古半干旱沙荒地的土壤氮平衡。

该研究揭示了柳枝稷在我国半干旱沙荒地种植对氮肥的响应机制及土壤养分平衡机制，为柳枝稷高品质、低投入、生态可持续及原料长期稳定供应提供了数据支撑和理论支持。

相关研究成果已于近期发表在国际学术期刊Field Crops Research 和Industrial Crops & Products上，韩立朴为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926669019303164?via%3Dihub

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378429018321336?via%3Dihub

能源植物边际地土壤养分循环研究取得进展

版纳植物园发现橡胶间作模式改善了土壤的水分优先流特性

土地利用变化（LUCC）导致的土壤退化，是与土壤侵蚀、森林锐减、生物多样性丧失等密切相关的全球性关注热点。此类与社会经济、生态环境、人类活动等相关的问题，在生物多样性富集的西双版纳地区尤为突出。近几十年来，大面积单一橡胶种植给西双版纳的生态环境带来了诸多负面影响（如：生物多样性降低、土壤退化、水土流失、小流域水源不断枯竭等）。为改善当地生态环境，多种形式的橡胶间作复合种植模式得以构建。多年的实践表明，间作种植模式在改善土壤理化性能、减少土壤侵蚀、遏制水土流失、增强土壤蓄水能力等方面具有明显的优势。然而，作为森林水文循环的重要组成部分，坡面尺度上的土壤水分入渗和优先流（大孔隙流）特性仍不明确。

为准确评价橡胶间作模式的生态水文服务功能，中国科学院西双版纳热带植物园生态水文研究组博士研究生朱习爱在研究员刘文杰和副研究员蒋小金的指导下，采用染色示踪、田间入渗等方法对橡胶间作种植模式的土壤水分入渗规律、土壤优先流（大孔隙流）分布特征进行了相关实验。结果表明：（1）间作种植模式的土壤田间饱和导水率（Ks）呈现出极高的空间异质性；（2）间作植物区域的土壤初始入渗率（IIR）、稳定入渗率（Is）和土壤田间饱和导水率（Ks）均显著高于橡胶种植区域；（3）对间作植物区域而言，距离间作植物茎干越远、土壤田间饱和导水率（Ks）越低，而橡胶行内的土壤田间饱和导水率（Ks）则低于行带间的土壤田间饱和导水率（Ks）；（4）在间作植物区域，改善的土壤物理性质、增多的根系/土壤动物活动、大量非匀质的土壤孔隙等增强了土壤水分的入渗力、增多了土壤优先流（大孔隙流）的发生，因此间作植物使得土壤水分的深层入渗和补给得到了保障，而单一橡胶树区域则导致了土壤的水分匮缺；（5）间作种植模式内土壤水力特性的高度空间异质性有利于地表水、地下水的再分配，增强了土壤的蓄水能力和植物水分的可利用性，也消减了水土流失的发生。因此，与单一橡胶种植诱发的水分流失相比，间作种植模式改善了流域水资源的可利用性。

相关结果以Can intercrops improve soil water infiltrability and preferential flow in rubber-based agroforestry system? 为题，发表在Soil & Tillage Research上。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198718311693?dgcid=author

间作模式改善流域生态水文服务功能 

间作模式的土壤水分优先流（大孔隙流）特征 

华南植物园发现农业利用导致土壤微生物硝态氮同化能力下降机制

土壤硝态氮微生物同化能力下降是导致亚热带地区农业利用红壤硝酸盐累积，氮素损失风险提高的重要原因。然而，作为土壤微生物的主要类群，真菌和细菌各自对硝态氮的同化对于农业利用如何响应还未知。因此，能够区分土壤中真菌和细菌对硝态氮的同化过程对于进一步认清农业利用导致硝态氮微生物同化能力下降的原因，进而制定治理措施至关重要。

中国科学院华南植物园生态及环境科学研究中心博士李晓波联合沈阳应用生态研究所等多家科研单位，采用近年来发展的基于稳定同位素标记结合氨基糖微生物异源性技术来区分土壤中真、细菌对于底物利用过程的方法，通过比较不同土地利用方式下土壤真、细菌硝态氮同化能力，同时结合土壤因子测定，发现农业利用使得亚热带森林红壤真、细菌硝态氮同化能力同时显著下降，并且真菌硝态氮同化能力的下降程度（81%）高于细菌（61%）；农业利用所导致的土壤有机碳以及碳氮比下降，有效磷、全磷以及pH升高很可能是导致硝态氮同化能力下降的主要因子。

该研究打破了常规采用选择性抑制剂的方法框架，进一步揭示了农业利用导致土壤硝态氮同化下降的内在机制，提出“氨基糖稳定同位素探针”概念，拓宽了稳定同位素示踪结合氨基糖异源性技术的应用范围，为揭示环境因子变化如何影响土壤真、细菌各自对于碳氮底物的周转功能提供了一条新的参考途径。

相关研究成果已于近期发表在国际学术期刊Soil Biology and Biochemistry上。该研究得到国家自然科学基金项目等资助。

论文链接

 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071719300847

图：不同土地利用方式下（F：林地；A：农用地）土壤真、细菌硝态氮同化能力（F-15N-GlcN和15N-MurN）。

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图书简介：

砷是自然界中广泛存在的污染物，通过食物链和饮用水而对人体健康产生危害。本书主要围绕农业环境中砷的来源、迁移转化和健康效应等主题，针对我国农业生态系统，以土壤-植物系统中的化学和生物学过程耦合为特点，以作者10多年来的研究成果为基础系统深入地阐述砷在土壤环境和植物系统中的迁移转化机制及其控制原理，分析砷通过食物链传递对人体健康的危害及其风险评价。在此基础上，本书还将以砷为例阐述土壤-植物系统中重金属研究的若干前沿问题。

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