国内土壤科研进展（2019年第18期）|研究

导  读

华中农业大学土壤生物化学与环境课题组在土壤生物膜功能方面取得新进展；南京农业大学土壤有机质团队SBB成果：气候变化胁迫通过根系分泌物改变土壤活性有机质的分子分布，可能因碳源竞争影响农田土壤微生物适应性群落变化；版纳植物园发现热带雨林垦殖为橡胶林改变了土壤金属离子的分布格局。

来源：根据华中农业大学资环学院网站、南京农大资环学院公号、中科院网站近期相关报道整理

华中农业大学土壤生物化学与环境课题组在土壤生物膜功能方面取得新进展

土壤是地球上最复杂的生态系统，微生物作为土壤中最活跃的组分，在土壤健康、植物生产力和生态安全等方面发挥着关键作用。据估计，土壤中超过80%的微生物以生物膜（Biofilm）形式存在。土壤生物膜的形成可帮助微生物获得生态优势，如促进细胞附着和水平基因转移、保护细胞防止被捕食、抵抗干旱、减少污染物的细胞毒性等。此外，这些定殖的生物膜，不仅可驱动土壤微团聚体的形成，影响土壤结构，同时也是调控土壤有机碳周转的关键。然而，影响土壤生物膜形成的环境和生物决定因素仍然未知，生物膜形成如何影响土壤微生物群落结构和代谢活性也不明确。

该项研究以表层土壤（采自湖北武穴）中提取的微生物为研究对象，基于人造土壤及多种分析手段，测定了不同营养水平下土壤生物膜的生物量、碳氮浓度及胞外聚合物（EPS）组成等，发现高养分输入是土壤生物膜形成的先决条件；16S rRNA扩增序列结果表明，在形成生物膜的土壤中，微生物群落的多样性和均匀度指数远高于未形成生物膜的土壤，其中Bacillus和Paenibacillus是土壤生物膜形成的关键菌属；通过测定葡萄糖代谢速率、土壤氧气分布及拟合土壤呼吸模型，发现土壤生物膜中活性微生物量和代谢速率分别是对照土壤的14和38倍。上述结果首次证实了土壤生物膜的形成可促进土壤微生物多样性和代谢活性，对于深入理解土壤生物过程的本质，更好的调控生物参与的养分循环、污染物降解和土壤健康具有重要意义。

此外，如何提取和定量土壤生物膜EPS一直缺乏有效的实验方法。近期课题组以我国南方红壤为研究对象，比较了5种土壤EPS提取方法：热水提取多糖法（HWEP）、热稀酸提取多糖法（HDAEP）、易提取球囊霉素法（EEG）、硫化物提取法（SS）和阳离子交换树脂法（CER）。结果表明，EEG和SS可以提取大量多糖和蛋白质，但会引起严重的胞外和胞内污染；HDAEP和HWEP只能提取土壤多糖，不能提取土壤蛋白质；CER提取的土壤多糖和蛋白质含量适中，同时引起的胞外与胞内污染程度最低，是有效的土壤EPS提取方法。

以上研究成果发表分别以“Soil biofilm formation enhances microbial community diversity and metabolic activity”和“Extraction of extracellular polymeric substances (EPS) from red soils (Ultisols)”为题发表在国际学术期刊《Environment International》（吴一超副教授为论文第一作者，蔡鹏教授为通讯作者）和《Soil Biology and Biochemistry》（博士生王双为论文第一作者，蔡鹏为通讯作者）。研究得到了国家自然科学基金、牛顿基金、国家重点研发计划项目以及华中农业大学自主创新基金项目的支持。

土壤生物膜形成提高微生物代谢活性示意图

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412019320392

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071719301488

南京农业大学土壤有机质团队SBB成果：气候变化胁迫通过根系分泌物改变土壤活性有机质的分子分布，可能因碳源竞争影响农田土壤微生物适应性群落变化

联合国政府间气候变化委员会(IPCC)第6次气候变化评估报告指出，气候变化正在以前所未有的速度影响着陆地生态系统变化，并可能对全球社会可持续发展带来巨大风险，而农业已经被纳入气候变化响应和应对的全球战略。气候变化如何长期影响农田生态过程及生态系统生产力，一直是全球学界努力探索的一大科学问题。这需要深入了解气候变化如何影响土壤-植物-微生物过程，后者又如何反馈到植物生产力和温室气体交换。农业资源与生态环境研究所通过承担国家公益性行业科研专项项目“气候变化对中国农业生产的影响及其应对”，在江苏常熟建设和运行稻田气候变化野外开放性试验平台，模拟植物冠层CO2浓度升高和空气温度升温，试验观察稻麦轮作下农田生态系统过程，也已在New Phytologist、Soil Biology & Biochemistry、Agriculture, Ecosystem and Environment等权威杂志发表了土壤养分、土壤微生物和农产品产量及品质等变化特征的研究论文。但是，对于气候变化如何影响土壤有机质及其土壤生物过程变化还所知甚少。

最近，南京农业大学土壤学科土壤有机质研究团队在常熟站6年气候变化处理平台运行基础上，采用模拟根箱法监测气候变化处理下水稻根系生长及根系分泌物产出，并收集气候变化处理下水稻根际土壤样品，采用液质联用仪(LC/MS)分析根系分泌物组成和采用热解-气质联用仪法(Pyrolysis-GC/MS)分析土壤有机质分子组成，并运用腐殖质组学分组法鉴别不同功能键合有机物的存在和去向，并结合磷脂肪酸法分析相应土壤中土壤活性微生物群落构成。结果表明，与自然环境空气相比，空气CO2浓度升高处理促进了根系分泌物产出，但没有改变其化学组成；相反，冠层空气升温处理没有改变根系分泌物产出，但显著改变了分泌物的化学组成，即酚类化合物相对丰度降低了26%而氨基酸的相对丰度提高了53%。不过，升温和CO2浓度升高交互处理既没有改变根系分泌物产出，也不改变其化学组成。然而，土壤的有机质分析表明，与自然环境空气处理相比，CO2浓度升高处理的根际土壤有机质中，含氮杂环化合物、酚羟基酸酚类化合物相对丰度分别增加35%，65%和26%，而相应土壤微生物PLFA中细菌/真菌比显著升高，这说明CO2浓度升高处理导致土壤中细菌活跃组分生物量增加和根系分泌物供应增多，他们比真菌更“强势”地利用了根系分泌物碳源，留下了更多的苯环化合物在土壤有机质中。然而，在冠层升温处理下的根际土壤有机质中，某些强疏水有机组分（脂肪酸、酚酸和部分酚类），一般认为是较稳定有机组分，总体减少了26%，且土壤微生物PLFA中细菌/真菌比显著降低，可能由于根系分泌物中酚类化合物供应减少，刺激真菌对这些化合物的分解利用。可能是由于CO2浓度升高效应和升温效应抵消作用，两者交互处理下土壤有机质分子变化甚微（附图）。

附图 气候变化处理影响土壤有机质和微生物区系变化的过程联系

上述发现与CO2浓度升高促进土壤固碳而升温加快土壤有机质分解的一般认识相呼应，也与该团队先前发表的CO2浓度升高促进稻田生物量生产而升温处理削弱稻田生物量生产的认识相呼应。这一研究将根系分泌物-土壤有机质-土壤微生物群落研究相结合，揭示了气候变化通过根系分泌物这个“启动子”影响地下部生态系统过程，改变土壤微生物群落的适应性竞争；首次从分子有机质角度探索了气候变化下稻田生产力-土壤有机质-土壤微生物的变化过程的联系，也是土壤有机质分子研究服务于气候变化重大议题的首次尝试。分子土壤有机质研究是土壤学科的发展方向，可能在探索土壤过程与生态系统变化中显示巨大生命力。

该研究成果以“Molecular changes of soil organic matter induced by root exudates in a rice paddy under CO2 enrichment and warming of canopy air”为题在线发表在Soil Biology and Biochemistry期刊（DOI: 10.1016/j.soilbio.2019.107544）

论文的第一作者是该团队2016级博士毕业生熊丽同学，通讯作者为全职引进的土壤有机质团队骨干Marios Drosos副教授和李恋卿教授。该研究是国际合作研究成果，合作者为全球土壤有机质顶尖专家—意大利Naples Federico II大学的Alessandro Piccolo教授。该研究得到了国家自然科学基金、校引进人才专项资金的资助和双一流学科建设经费的支持。

文章链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071719302081

版纳植物园发现热带雨林垦殖为橡胶林改变了土壤金属离子的分布格局

目前，全球橡胶林种植面积已达1300多万公顷。为了促进橡胶树生长，获取更多的胶水和防治白粉病，大量的氮肥和硫磺粉被投入进橡胶林。投入橡胶林的氮肥和硫磺粉在土壤微生物的作用下产生大量的氢离子浓度（H+），导致盐基（Ca2+，Mg2+，K+和Na+）流失，土壤酸化。橡胶树的持续生长也会从土壤中吸取一定量的钙镁等元素，加剧土壤酸化进程。同时，热带雨林垦殖为橡胶林会导致土壤有机质含量的下降。土壤酸化进程和有机质是影响土壤金属离子含量的重要因素。

中国科学院西双版纳热带植物园农林复合生态系统研究组副研究员刘长安等人通过对热带雨林以及由其垦殖而来的不同年龄的橡胶林研究发现，热带雨林垦殖为橡胶林加剧了土壤酸化进程和盐基的流失，提高了有效铜和交换性铝的含量，降低了有效锌、锰和铁的含量。土壤盐基和有效铜主要受土壤酸化进程的影响，有效锌、锰和铁主要受土壤有机质含量的影响，交换性铝主要受土壤酸化进程和有机质含量的共同影响。热带雨林垦殖为橡胶林急剧减少的交换性钙镁和有效锌会制约植被的生长，释放出的交换性铝不但降低了有效磷的含量，而且会对周围的生态环境安全产生重大威胁。该研究系首篇对橡胶林金属离子分布格局进行系统研究的论文，该研究成果将为橡胶种植区生态环境的建设和橡胶产业的可持续发展提供重要的理论依据。

该研究结果以The conversion of tropical forests to rubber plantations accelerates soil acidification and changes the distribution of soil metal ions in topsoil layers 为题发表在Science of the Total Environment。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719340598?via%3Dihub

热带雨林垦殖为橡胶林对0-10厘米和10-30厘米土层土壤酸碱度（pH）和交换性铝含量的影响。F：热带雨林； R1：2003年建植的橡胶林；R2：1994年建植的橡胶林

热带雨林垦殖为橡胶林对0-10厘米和10-30厘米土层土壤有效铜、锌、锰和铁含量的影响。F：热带雨林； R1：2003年建植的橡胶林；R2：1994年建植的橡胶林

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