国内土壤科研进展（2019年第13期）|研究

导  读

揭示盐碱胁迫下土壤镉（Cd）有效性变化的微生物学机制；在互花米草入侵对滨海湿地甲烷产生途径影响研究中取得进展；在施肥管理对腐殖物质结构的影响研究取得进展；玉米铵偏好特性对其氮肥利用率的贡献；化肥分施对秸秆在稻田土壤中矿化与激发效应的影响机制研究进展；重新评估全球农田氧化亚氮排放

来源：根据中国农业科学院、中科院南京土壤所、中科院亚热带农业生态研究所、北京大学新闻网等网站近期相关报道整理

中国农科院资源所揭示盐碱胁迫下土壤镉（Cd）有效性变化的微生物学机制

近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所土壤植物互作团队在盐碱胁迫条件下土壤微生物介导下Cd形态与有效性变化机理方面取得了新的进展。相关研究成果发表于《Environmental Pollution》上。

土壤盐碱化是土地退化的主要类型之一，长期污水灌溉是造成土壤盐碱化的主要原因。污灌土壤除了具有盐基饱和度较高带来的盐碱化、土壤呈碱性等特点外，往往伴随着重金属超标，因此，加强盐碱化土壤Cd污染风险控制研究对我国中低产农田的安全利用具有重要意义。尽管目前国内外针对土壤重金属污染的微生物效应有大量研究，但针对盐碱胁迫条件下，土壤微生物过程及其对Cd形态与有效性的影响还缺乏系统、深入的研究。

本研究以北方不同污灌土壤为试验土壤，利用土壤学和微生物组学等手段，研究盐碱胁迫条件下，土壤Cd形态与有效性变化及微生物生态特征的响应机制。结果表明，盐碱胁迫增加了Cd在土壤中的移动性以及生物毒性，且盐碱胁迫对Cd污染土壤微生物生态特征有明显影响；基于距离矩阵ANOSIM相似性主成分分析表明盐碱胁迫下土壤细菌群落结构变化显著，真菌不显著；基于RMT方法构建分子生态网络发现盐碱胁迫不仅改变了土壤细菌、真菌的整体网络结构，同时也显著改变了网络中不同菌属的相互作用关系；根据土壤细菌、真菌网络结构中网络节点的拓扑角色识别了关键种群，该关键种群可能在耐受盐碱胁迫、富集Cd过程中起到重要作用。通过本研究阐明了盐碱胁迫下微生物对Cd形态与有效性变化的影响及主要驱动机制。该研究结果可为盐碱胁迫条件下Cd污染土壤的修复和治理提供技术支撑。

本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发项目及中国农业科学院创新工程资助。土壤植物互作团队王萌副研究员是该文章第一作者，陈世宝研究员是该文章通讯作者。本课题组长期从事土壤-植物系统中重金属迁移、转化机制与毒害机理及重金属污染土壤修复技术与评价研究等。近期在土壤重金属污染的微生物效应方面取得了较大进展，相关成果还发表在环境科学领域Top期刊Chemosphere 220 (2019) 828-836；Science of the Total Environment 649 (2019) 413-421；Chemosphere 236 (2019) 124372等上。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749119319190

南京土壤所在互花米草入侵对滨海湿地甲烷产生途径影响研究中取得进展

外来植物入侵强烈影响生态系统碳循环。入侵植物可以改变土壤固碳速率和温室气体排放，从而对气候变化产生重要影响。出于保滩护岸的目的，我国在1979年将原产于美国东海岸的互花米草（Spartina alterniflora）引入东部沿海。互花米草可以通过多种方式繁殖，且对淹水环境的适应能力高于土著植物，被引入后逐渐取代土著植物，到2015年分布面积已达5.46万公顷。互花米草入侵对滨海湿地甲烷排放的影响屡现报道，但内在机制尚不明确。

南京土壤所丁维新课题组采集江苏盐城自然保护区未入侵光滩和互花米草入侵1年和12年湿地0~50cm土壤样品，研究不同湿地产甲烷菌群落结构特征，测定不同产甲烷途径的速率及其相对贡献。研究发现：互花米草入侵显著增加滨海湿地产甲烷潜力。入侵12年湿地产甲烷潜力高出光滩1个数量级，这种增长主要源于三甲胺的产甲烷速率增加。与光滩相比，入侵12年湿地三甲胺产甲烷速率增长了2个数量级，但是乙酸和H2/CO2产甲烷速率增幅相对较小。H2/CO2途径是光滩主要的产甲烷途径，但在入侵1年湿地的0~10cm层和入侵12年湿地的0~40cm层，甲基代谢途径成为最主要的甲烷产生途径。与之相符，滨海湿地优势产甲烷菌也由光滩的氢型甲烷球菌（Methanococcales）演替为入侵12年湿地可以利用甲基化合物的甲烷八叠球菌（Methanosarcinaceae）。Mantel分析表明，互花米草入侵导致“非竞争性”底物三甲胺增加是诱发这一改变的主要驱动因素。

上述研究结果表明，互花米草入侵通过改变滨海湿地主要产甲烷底物的类型和含量，诱导优势产甲烷菌发生演替，显著提升甲基代谢途径产甲烷的速率和相对贡献，从而大幅增加了被入侵湿地的甲烷排放。相关成果发表在Journal of Ecology上。

文章链接

https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1365-2745.13164

南京土壤所在施肥管理对腐殖物质结构的影响研究取得进展

腐殖物质是土壤有机质的重要组成部分，占其总量的60%~80%。根据腐殖物质在酸碱溶液中的溶解特性，可将其进一步分为富里酸、胡敏酸和胡敏素三种组分。这也是腐殖物质领域的经典分组方法。但是腐殖物质几乎从诞生一开始就遭到过非议，从对碱液提取方法可行性的批判到腐殖物质的概念和存在性的质疑，这场争论持续了近百年。其主要难点之一在于腐殖物质本身过于复杂，其结构特征难以定量认识。因此，定量分析腐殖物质的结构，并进一步分析其结构特征对土壤管理措施的响应对于认识土壤有机质的动态变化和腐殖物质的存在性都有重要意义。

南京土壤所赵炳梓课题组利用封丘站和桃源站的长期肥料试验为平台，采用高级核磁共振技术深入研究了不同施肥管理模式对两种不同类型土壤（旱地和水田）中富里酸、胡敏酸和胡敏素结构特征的影响。研究发现三种腐殖质的结构并不相同。富里酸除了表现出结构上的相对活性特征外（即文献多次报道的COO/N–C=O结构）其芳香碳大部分均为非质子形态（图1），证明了其结构中的惰性。胡敏酸在三种腐殖物质中表现出相对更高的芳香度特征。而胡敏素中则含有大量的脂肪族结构。主成分分析结果表明旱地和水田的腐殖物质结构差异明显（图2），尤其是旱地胡敏素的芳香度明显高于水田胡敏素。施肥管理措施对两种土壤腐殖物质结构的影响也不同（图3），水稻土腐殖物质结构整体上变化不大，而旱地潮土则表现出明显的结构差异，尤其是胡敏素结构——施肥尤其是有机肥降低了其芳香性。以上结果表明，腐殖物质组分及其结构对土壤环境和土壤管理措施都有适当的反馈，这显然与腐殖物质仅仅是实验室产物而非真实存在的观点相悖。

该研究成果发表在Journal of Agricultural and Food Chemistry上。研究得到了国家重点研发计划（2016YFD0200107，2016YFD0300802）和小麦现代农业产业技术体系（CARS-03）的资助。

文章链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jafc.9b02269

玉米铵偏好特性对其氮肥利用率的贡献

施用氮肥是保障作物高产的重要途径，但是作物氮肥利用率很低，施入土壤的氮肥仅有1/3被作物吸收利用，剩余的2/3损失到环境或者残留在土壤，这不仅会对水和大气环境质量造成负面影响，也浪费了肥料，降低了经济效益。提高氮肥利用率对于保障粮食安全、保护生态环境、提高经济效益均具有重要意义。铵态氮和硝态氮是作物可以直接吸收利用的两种主要无机氮源，不同作物种类或者同一作物不同品种对二者的偏好性存在差异，二者在土壤中的物理、化学和生物行为也存在很大差异，可以利用这些差异来提高作物氮肥利用率。

南京土壤所沈仁芳研究员课题组长期从事植物铵硝偏好与耐铝之间关系研究，发表了系列论文（Zhao et al., 2009, Plant Soil; Chen et al., 2010, Plant Soil; Zhao et al., 2013, Ann Bot; Zhao and Shen, 2013, Plant Signal Behav; Wang et al., 2015, Plant Cell Environ），以期通过利用氮素形态与铝之间的相互作用，协同提高酸性土壤作物耐铝能力和氮肥利用率（Zhao et al., 2014, Soil Sci; 赵学强和沈仁芳，2015，植物生理学报；Zhao and Shen, 2018, Front Plant Sci）。

玉米是我国三大粮食作物之一，氮肥用量大，利用率低。玉米是一种在旱作条件下栽培的作物，其生长的土壤硝化作用一般较强，无机氮源中硝态氮比例较高，所以传统上玉米被认为是一种偏好硝态氮作物。课题组通过土培试验（土壤pH 6.5），采用15N标记的方法，比较了外源供应铵态氮和硝态氮对玉米生长和氮肥利用率的影响。研究结果却表明，供应铵态氮的玉米有着更高生物量和氮肥利用率。通过伽马射线对土壤灭菌，阻止土壤硝化作用和微生物对氮素转化的影响，也大幅提高了铵态氮的氮肥利用率，而对硝态氮影响较小。尽管供应铵态氮和硝态氮的氮素损失差异不显著，但是在收获玉米后，供应硝态氮的土壤残留肥料氮显著高于铵态氮，并大多以无机形态存在，极大地增加了淋溶及气态损失的风险。进一步的水培试验结果也表明，玉米在铵态氮中生长好，氮吸收量大。依据这些结果，认为供应铵态氮的玉米氮肥利用率高与玉米对铵态氮的偏好生长和吸收特性有关，利用玉米对铵态氮的高效吸收可以提高其氮肥利用率。这表明可以通过调控土壤氮素转化或改良玉米铵硝偏好遗传特性的方法，来提高玉米氮肥利用率，这一策略的可行性和有效性尚需在田间条件下进一步检验。相关研究结果最近发表在Plant and soil上（Zhang et al., 2019）。该研究得到中国科学院战略性先导科技专项（B类）和国家自然科学基金项目资助。

文章链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-019-04087-w

化肥分施对秸秆在稻田土壤中矿化与激发效应的影响机制研究进展

秸秆还田和无机肥料的施用对水稻土壤肥力提升和温室气体（如CO2和CH4）排放起着至关重要的作用。然而，以往大多数研究都是针对化肥一次性施入后对土壤有机碳矿化、转化过程的影响；而这与实际生产中在水稻不同生育期施用基肥和追肥的肥料施用方式不符。因此，研究秸秆还田条件下，化肥分次施入对秸秆分解及其激发效应的影响和微生物机制，对于明确施肥方式对稻田温室气体排放与固碳效应的影响机制具有重要的现实意义。

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-水稻秸秆为外源有机碳，以(NH4)2SO4和NaH2PO4作为无机氮肥和磷肥，通过100d的室内培养实验，定量研究了淹水条件下，化肥一次性施入和分次施入（分三次施入）两种方式下，秸秆在稻田土壤中矿化及其激发效应的影响机制。结果表明：与不施肥处理相比，化肥一次性施入使秸秆碳的矿化率增加了30%，而分次施肥使秸秆碳的矿化率降低了19%。尽管秸秆添加对稻田土壤CO2和CH4排放量产生了明显的正激发效应，但是化肥施入抑制了土壤原有有机碳的矿化，尤其是化肥分次施入显著降低了总CH4的排放量，从而显著降低了总温室气体排放当量（以CO2和CH4计算）（图1）。进一步分析秸秆还田条件下，化肥分次施入降低了CO2和CH4排放的机制认为：化肥分次施用使土壤中可利用态的氮磷维持在较高的含量水平，能够满足微生物对养分的计量学需求，降低微生物对土壤原有有机质的养分矿化作用，提高微生物对秸秆碳的利用效率，促进微生物的合成代谢过程（图2）。所以，化肥分次施用是降低稻田生态系统温室气体排放，促进稻田土壤有机质积累的施肥管理措施，该研究结果可为制定合理的农业管理措施提供科学参考。

该项研究近期以题为Split N and P addition decreases straw mineralization and the priming effect of a paddy soil: A 100-day incubation experiment发表在Biology and Fertility of Soils上。该研究得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中科院亚热带农业研究所青年创新团队项目的资助。

论文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s00374-019-01383-6

图1 施肥措施对秸秆和土壤有机碳来源的CO2释放当量的影响

图2 氮磷养分元素对秸秆碳在稻田土壤中的矿化及其激发效应的影响机制

北京大学城环学院周丰课题组重新评估全球农田氧化亚氮排放

氧化亚氮(N2O)是“京都议定书”规定的长生命周期温室气体之一，N2O的全球变暖潜势是二氧化碳的近300倍(100年时间范围)，占全球辐射强迫的~7%。N2O还被公认为是消耗臭氧最具破坏力的化学物质。农田是N2O的全球第一大排放源，占人为排放总量的50%左右。由于受到自然因素和农艺管理措施共同影响，农田N2O排放通量具有显著的时空分异，目前对其全球估计存在相当大的不确定性。

北京大学城市与环境学院周丰课题组整合全球180个观测站1206次农田N2O排放控制试验数据，重建1961—2014年全球5-arc-minute高分辨率施肥数据库(强度、肥料类型、空间分布、作物分配)，利用基于“地带性响应模式”的升尺度模型和(Zhou et al., 2015; Shang et al. 2019)，实现了从站点到全球尺度的农田N2O排放因子(即N2O排放量与施氮水平的比值)和排放量的系统评估。研究发现，(i)全球旱地排放因子从1960s的0.80±0.06%增加到当前的1.05±0.04%，全球水田排放因子稳定在0.46%到0.53%之间，指出《2006年IPCC国家温室气体清单指南》推荐值(Tier 1方法)对旱地高估了23%，但对水田低估了50%，这种差别在区域尺度更加明显(图1)，主要因为IPCCTier 1方法忽视了环境条件对农田N2O排放因子大小的调节作用；(ii)1961-2014年，全球农田N2O年排放量平均值为0.82±0.34百万吨，该结果与7个陆面模式模拟(Tier 3方法)结果较为一致(0.75±0.53百万吨)，但比基于Tier 1方法的联合国粮农组织(FAOSTAT)和主流的国际机构(EDGAR, GAINS)的估计低1/4左右(图2)，在区域上表现为低估了欧美等发达国家的农田N2O年排放，但高估了中国、印度等发展中国家排放；(iii) 全球农田N2O排放量估计下降，58%源于采用了基于普查的高分辨率施肥数据，42%源于更新了全球栅格尺度的农田N2O排放因子(图3)。上述发现为IPCC的Tier 1和Tier 3方法提供了全球农田N2O历年排放量基准值，也为确定全球农田N2O减排策略提供科学依据。

图1全球和区域农田N2O排放因子时间变化。注：橙色线为旱地，绿色线为水田；实线为本研究结果，虚线为IPCCTier 1推荐值

图2 全球农田N2O年排放量比较

图3 本研究与IPCCTier 1方法的差别及主控因素

该研究成果以“Data-driven estimates of global nitrous oxide emissions from croplands”为题于2019年7月11日发表在《国家科学评论》（National Science Review，IF="13.22），也被全球碳计划的“全球氧化亚氮收支平衡评估”所采纳(https://www.globalcarbonproject.org/nitrousoxidebudget/)。论文作者来自北京大学、法国气候与环境实验室、国际应用系统分析研究所、斯坦福大学、FAO、欧盟联合研究中心、奥本大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织。北京大学城市与环境学院2017级硕士研究生王琪慧为第一作者，周丰副教授为通讯作者。上述研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

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