国内土壤科研进展（2019年第8期）|研究

导  读

发现有机肥替代部分化肥稳定土壤有机质的新机制;揭示生物炭负激发效应的微生物关键物种竞争作用机制;在山地森林土壤碳氮耦合研究中取得进展;揭示氮磷交互作用对陆地植物生长的影响及机理。

来源：根据中国农业科学院、中国科学院网站近期相关报道整理

中国农科院资源区划所发现有机肥替代部分化肥稳定土壤有机质的新机制

文/宋阿琳 

近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所科研团队在有机替代提高土壤有机质含量机制方面取得新进展，发现有机肥部分替代化肥可以显著降低秸秆对土壤原有有机质降解的激发效应。该研究为通过施用有机肥实现化肥减施，促进农业绿色发展提供了理论基础。相关研究成果在线发表在《土壤生物学与生物化学（Soil Biology and Biochemistry）》上。

作物秸秆和有机肥含有丰富的有机碳和作物生长所必需的元素，保留作物秸秆和有机肥替代化肥不仅可以节约化肥，还可以增加土壤有机碳的含量，减少污染。秸秆进入土壤可以增加或减少原生有机碳的分解，即激发效应。土壤有机碳降解是比较复杂的，传统观念认为，残留物降解速率主要受大气候、凋落物化学组成及养分含量的影响。近年来，微生物群落被发现是凋落物分解的另一个重要调控因子，而且施肥是农业管理的重要措施之一，长期定位施肥可显著改变微生物的群落结构和多样性。前人研究表明，长期施用氮磷钾和氮磷钾+有机肥可显著增加土壤碳含量养分与土壤pH值变化，但它们对秸秆降解及土壤激发效应的影响目前还没有得到很好的研究。

该研究以祁阳长期不同施肥红壤为试验土壤，将碳13秸秆加入到不同施肥处理的长期定位红壤中，采用碳13稳定同位素技术，结合土壤化学和酶学测定分别研究长期施用氮磷钾和氮磷钾+有机肥对短期秸秆降解和对土壤原有有机碳矿化的激发效应。结果表明，长期施用氮磷钾和氮磷钾+有机肥显著增加了秸秆的短期降解，秸秆降解的增加与微生物降解纤维素的能力密切相关。施用氮磷钾并没有改变秸秆诱导的激发效应，而氮磷钾+有机肥则显著降低了激发效应。不同施肥处理激发效应的变化与受添加秸秆激发的真菌数量密切相关。这些结果对我们理解长期养分管理下的复杂碳转化具有重要意义。

该研究得到了中国农科院科技创新工程、重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003807171930135X

南京土壤所揭示生物炭负激发效应的微生物关键物种竞争作用机制

土壤是全球碳循环的重要碳库，土壤有机碳封存可以缓解大气中CO2浓度的升高并提高土壤肥力。生物炭应用已被广泛证实是一种有效促进土壤有机碳封存和提高产量的方法（Woolf et al., Sustainable biochar to mitigate global climate change, Nat Commu, 2010），但是目前关于生物炭对土壤有机碳激发效应的生物学机制尚不清楚。通常认为生物炭通过影响土壤微生物的生物量和群落组成影响了土壤有机碳的矿化，由于不同气候、土壤和作物系统中土壤微生物存在复杂的生物网络结构和不同的关键物种（Banerjee et al., Keystone taxa as drivers of microbiome structure and functioning, Nat Rev Microb, 2018），目前仍然不清楚施用生物炭如何影响土壤微生物之间的交互作用，这些交互作用是通过哪些核心/关键物种（keystone taxa）起作用？解决这些机制问题可以为建立不同气候土壤类型区的生物炭管理模式提供理论支撑。

中国科学院南京土壤研究所孙波课题组基于褐土生物炭田间试验（设置不施肥、常规NPK肥、2.4-7.2-12 t/ha生物炭处理），结合Biolog、PLFAs和高通量测序方法，研究了细菌和真菌的群落组成及共发生网络对土壤有机碳矿化的影响，并通过稳定性同位素核酸探针技术（DNA-SIP）验证了微生物的网络交互作用关系。研究发现生物炭施用显著提高了土壤水分库容和pH值，影响了土壤细菌和真菌群落的组成和共生网络关系；生物炭施用导致细菌和真菌网络中关键类群的竞争性交互作用增强。通过结构方程模型分析表明，网络关键种与其他微生物间的竞争性交互作用提高了细菌和真菌多样性，降低了碳水化合物分解代谢活性和土壤呼吸熵。利用13C稳定同位素标记培养试验，证实了施用生物炭后细菌网络关键物种变为节杆菌属 (Arthrobacter) 和芽单胞菌科属（Gemmatimonadaceae)，真菌网络关键物种变为毛壳霉属（Chaetomium）和青霉属（Penicillium），施用生物碳促进了这些关键物种与其他微生物之间的竞争作用，导致生物炭的负激发效应。研究为建立生物炭调控土壤有机碳封存能力的方法提供了生物学依据。

研究成果发表在Microbiome上。研究工作得到国家重点研发项目、国家自然科学基金和中科院战略性先导专项资助。

文章链接

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0693-7

施用生物炭改变了土壤细菌和真菌的关键物种及其竞争关系

成都山地所在山地森林土壤碳氮耦合研究中取得进展 

大气活性氮沉降增加是当前及未来我国所面临的主要环境问题之一。当前研究认为氮沉降增加可促进森林土壤碳积累，其解释机制可能包括三个方面，一是氮沉降可通过抑制森林土壤木质素酶（如过氧化物酶）等酶活性而降低木质素等物质分解速率，从而增加土壤碳积累；二是氮沉降一般会造成土壤酸化，从而抑制土壤微生物生长及其对土壤碳的分解；三是氮沉降下矿质土壤对淋溶碳吸附增强，进而促进碳积累。然而，以上解释在不同氮沉降阶段以及不同森林生态系统中可能存在较大差异，相关研究匮乏。针对上述问题，中国科学院成都山地灾害与环境研究所副研究员常瑞英及合作者依托贡嘎山亚高山针叶林长期氮沉降实验平台，较为系统地阐述了上述三种机制在森林土壤碳积累中的作用，并基于观测结果提出新的机制认识。

研究结果表明，短期氮添加可促进表土团聚体碳的积累，但对全土碳储量影响不大。团聚体碳积累与氮添加下土壤呼吸抑制有关，而矿质土壤对淋溶碳的吸附作用在短期氮添加下没有明显变化。氮添加下土壤呼吸的抑制与微生物降低有关，而与过氧化物及酚氧化酶活性的关系不大。土壤pH在短期氮添加下并没有显著降低，也就是微生物的下降与土壤酸度变化没有直接关系。

此外，在基于土壤团聚体分析的基础上，研究发现表征团聚体形成的指标（mean weight diameter，MWD）在氮添加下增大，团聚体的形成在一定程度上抑制了土壤呼吸（土壤呼吸随MWD增大而显著降低），并且团聚体中来源于植物的新碳显著增加。因此，氮添加促进团聚体形成及由此对新碳保护作用增强可能是森林土壤碳在短期内积累的一个重要机制。

以上研究得到国家重点研发计划及中科院青促会等支持，成果发表在Journal of Geophysical Research: Biogeosciences上。

论文链接

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018JG004877

森林土壤有机碳对氮添加响应机制 

华南植物园揭示氮磷交互作用对陆地植物生长的影响及机理

氮、磷是植物生长必需的两种养分元素，氮、磷有效性与植物生长的关系历来都是学者们关注的焦点。传统观点认为，植物生长在高纬地区往往是受氮的限制，而在低纬地区则是受磷的限制。新近研究结果表明，植物生长普遍受到氮磷的共同限制，且这种共同限制会因氮磷交互作用程度与方向的不同而不同，呈现这一结果的研究主要是基于植物地上部分生物量的反应，而对表征植物生长的其它变量与氮磷交互作用的关系并没有得到有效的研究。因此，氮磷交互作用如何通过影响土壤氮磷有效性、植物养分吸收、植物养分浓度以及植物氮磷比，进而影响植物生产力，仍是科学认识上的盲区。

针对这一科学问题，中国科学院华南植物园陆面生物地球化学循环研究组博士后江军在其合作导师王应平与闫俊华的共同指导下，以133篇全球氮磷施肥实验 (control, +N, +P, +NP) 研究论文的1818个有效观测数据为基础，运用协同效应、对抗效应和可加效应的分类方法，全面量化并评估了不同陆地生态系统类型（热带森林、草地、湿地以及苔原）植物生长的10个相关变量对氮磷交互作用的响应，并深入分析了不同交互作用模式的机理。研究结果表明，不同生态系统自身氮、磷限制程度的不同，导致其对氮磷交互作用的响应不同。热带森林植物地上生物量对氮磷协同效应的响应最小，苔原响应最大。热带森林植物叶片氮磷比仅表现出可加效应，草地、湿地和苔原却呈现出一致的协同降低效应。同时，氮磷交互作用对热带森林土壤有效磷、草地叶氮以及苔原叶磷浓度均有不同程度的对抗效应。总体而言，氮磷交互作用促进了植物对氮、磷的吸收。为了维持养分的化学计量平衡，植物倾向于通过调节自身组织的氮磷浓度、生物量产量以及对土壤有效氮、磷的吸收，获得最优的生长与繁殖。

该研究成果于近日发表在国际农林科学期刊Plant and Soil上。该研究得到国家杰出青年科学基金“陆表过程与环境变化”(41825020) 的支持。

论文链接

https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11104-019-04119-5

图1 氮、磷添加对植物生长影响的单独、联合以及交互效应

图2 植物生长变量、施肥处理与环境变量之间的关系

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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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