国内土壤科研进展（2020年第3期）|研究

导  读

南京土壤所揭示红壤花生-木薯根际互作调控养分利用的微生物信号机制等4则进展。

来源：根据中科院、中科院沈阳生态所等单位网站近期相关报道整理

南京土壤所揭示红壤花生-木薯根际互作调控养分利用的微生物信号机制

我国人均耕地资源不足，建立合理的作物间作体系可以提高耕地利用效率，增加单位面积产量，但需要发挥不同作物在光能和养分利用上的互补优势，减少作物间竞争的不利影响。不同作物根系构型不同，吸收养分的类型及吸收的时间和空间均有差异，如何调控并强化间作系统中作物间相互促进作用是提高养分利用率的关键。根际是作物吸收养分的门户，根系-土壤-微生物相互作用影响了养分转化、吸收和作物生长，根系分泌物影响根际环境条件（pH、O2分压、碳源等）从而影响根际微生物组成及其对养分的转化，根系释放的信号启动作物间化学通讯识别过程从而影响作物生长-防御权衡策略。已有研究从植物生理学角度揭示了乙烯等胁迫诱导型激素在信号识别和应答邻近植物种间竞争方面的作用机制，但是关于这类信号在根系-土壤-微生物界面上的互作机制仍不清晰，制约了建立有效措施调控种间植物竞争、提升间作系统作物养分利用率。

花生-木薯是南方红壤区重要的间作系统，针对调控花生和木薯竞争促进养分利用问题，中国科学院南京土壤研究所孙波课题组基于红壤旱地花生连作、花生-木薯间作田间试验，结合盆栽、水培实验和外源乙烯添加实验，利用高通量测序、激素组分析等方法，研究了种间植物（花生与木薯）地下部化学信号识别途径，揭示了花生信号调控根际微生物的竞争性防御生存策略。研究发现邻近植物木薯产生的氰化物可诱导间作花生根系乙烯释放。该信号分子一方面调控花生生理应答；另一方面可经根部释放重塑根际微生物群落，影响作物养分吸收。研究结果表明：花生与木薯间作，木薯根部的氰化物促进花生根部乙烯前体积累，上调乙烯相关基因表达，激发乙烯释放。这种气体分子以减少花生植株地上生物量为代价，调控花生根际微生物网络中的核心物种（放线菌门Catenulispora sp.）丰度，重塑微生物网络结构。新构建的微生物组加速根际有机氮磷矿化，为花生地下部提供可利用氮磷养分，从而提高花生子代有效繁殖能力，进一步提高花生在间作模式下的生态适应性。该研究揭示了种间植物竞争下植物根系与微生物间基于信号的“化学对话”机制，提出建立合作关系以改善植物生态适应性的调控原理，为在酸化贫瘠红壤旱地上建立合理的花生-木薯间作管理措施、提高养分利用率和产出率提供了理论基础。

以上研究成果发表在Microbiome上。研究工作得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金资助。

文章链接

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0775-6

红壤花生-木薯间作系统中化学信号调控根际微生物群落结构和功能的机制

东北地理所在黑土母质熟化过程中土壤有机质与团聚体耦合作用方面取得进展

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤健康的关键属性之一。一般认为土壤团聚体通过有机质的胶结、微生物的捆绑缠绕和电性吸引而形成，这一过程中土壤有机质的作用不可替代。土壤有机质增加可促进土壤团聚体的形成，土壤团聚体的形成和周转又反过来保护土壤有机质，二者耦合作用微观机制的控制因子较多，前期已提出许多概念模型揭示二者的耦合作用关系及过程，但仍缺乏定量化描述，且已有研究均是针对表层土壤开展，对土壤母质熟化初期二者之间耦合关系的研究还甚少。

中国科学院东北地理与农业生态研究所土壤物质循环学科组基于黑龙江海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站内的黑土母质熟化定位试验，通过土壤团聚体分级、闭蓄态微团聚体分离和13C-核磁共振技术，1）区分了夏季和冬季土壤不同组分碳的腐解和转化速率参数，建立了黑土母质熟化过程中土壤有机质、土壤结构和土壤团聚过程的CAST模型，并以2年实测试验数据进行校准，成功预测了黑土母质在熟化初期土壤有机质和团聚体耦合动态变化过程，发现母质在熟化初期，多年生自然植被恢复和农田化肥加秸秆还田措施使土壤中> 0.25 mm的大团聚体比例增加，特别是其内颗粒有机质含量增加显著，而0.053–0.25mm的微团聚体和< 0.053 mm的粉黏粒比例减少；2）初步描述了母质熟化初期土壤的团聚化过程及控制因子。土壤初级团聚化过程首先发生于植物腐解形成的有机质碎片周围，有机碎片被黏粒包裹不断形成闭蓄态组分，闭蓄态组分不断分解，包裹于其外的初级大团聚体不断形成。初级大团聚体继续分解破碎，又形成次级微团聚体、大团聚体和粉黏粒。该初级团聚化过程更多受母质属性影响，而受田间施化肥和秸秆等有机物质还田量的影响很小。而农田管理措施通过改变有机质在不同粒径团聚体中的转运效率，影响土壤的次级团聚化过程，进而影响土壤团聚体周转及其内部保护的土壤有机质的稳定化过程；3）进一步揭示了团聚体内部有机碳组分的化学结构和稳定性机制，发现外源碳经过一系列的分解和转化，更多的被固存在微团聚体内的粉黏粒组分中，主要以烷基碳、芳香族碳和羰基碳为主，这部分碳受土壤团聚体的物理化学保护作用较大，且更多来源于微生物活动的代谢产物，有机质的稳定化程度较高。而在较大粒径的大团聚体或粗颗粒有机质中，来源于植物残体的烷氧基比例更多，其活性和微生物可利用性更高，更容易被微生物和植物分解利用。研究结果对于揭示土壤有机质与团聚体的耦合作用机制、正确评价退化黑土的肥力快速恢复过程及有机质稳定性机制具有重要意义。

相关系列研究成果先后发表在Advances in Agronomy、Journal of Soils and Sediments、《生态学杂志》和《应用生态学报》上。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院青促会项目资助。

论文信息：

1. Li N, You MY, Han XZ*, et al. Modeling soil aggregation at the early pedogenesis stage from the parent material of a Mollisol under different agricultural practices. Advances in Agronomy. 2017, 142, 181-214.

2. LI N*, Long JH, Han XZ*, et al. Molecular characterization of soil organic carbon in water-stable aggregate fractions during the early pedogenesis from parent material of Mollisols. Journal of Soils and Sediments. 2020, https://doi.org/10.1007/s11368-020-02563-w.

3. 李娜, 韩晓增*, 盛明, 等. 东北黑土成土母质培肥过程中土壤肥力变化特征. 应用生态学报,2020, DOI: 10.13287/j.1001-9332.202004.026.

4. 苑亚茹, 韩晓增, 李娜*, 等. 不同熟化措施对黑土母质发育的新成土壤有机碳库的影响. 生态学杂志, 2020, DOI: 10.13292/j.1000-4890.202004.007.

图1 CAST模型的结构和初始赋值（A）及改进的夏季（B）和冬季（C）腐殖化参数的区分。图B和C中的参数表征不因土地利用方式和土壤管理而变的初始团聚过程模拟参数。

图2 母质发育初期不同大小土壤团聚体质量与内部有机碳的相互关系

图3 母质发育初期表层土壤不同粒径团聚体内有机碳化学组成主成分分析图

南京土壤所在表面活性剂强化电动氧化修复农药污染场地土壤方面取得进展

随着我国工业化和城市化进程的加快，其中前农药工业遗留场址中有机氯化合物（Organochlorine compounds, OCs）污染严重，由于其高生态毒性和强生物残留性受到广泛关注，已成为一个严重的全球性问题。目前，农药污染土壤的修复刻不容缓。中国科学院南京土壤研究所在表面活性剂强化高级氧化协同电动修复去除场地土壤中OCs方面取得新进展。

研究发现1：利用曲拉通X-100（TX--100）在电动条件下增加OCs的有效性，提高土壤中OCs的氧化效率。选取共溶剂TX-100和Na2S2O8为电解液，OCs的去除率在56.36%和88.05%之间。TX-100能够显著提高与土壤颗粒紧密结合的难溶性化合物的溶解度，同时电动修复装置促进土壤中氧化剂和表面活性剂的迁移，促使共溶剂在土壤中传输和扩散，该设置能够促进土壤中难溶性化合物和氧化剂的有效接触，同时TX-100通过溶出土壤中金属离子促进S2O82-活化产生硫酸盐自由基和羟基自由基，从而提高土壤中OCs的降解效率。

研究发现2：利用吐温80 (TW80)与N、N-二羧基甲基谷氨酸四钠(GLDA)在电动条件下增加OCs的有效性，提高土壤中OCs的氧化效率。在电动修复装置的阳极附近设置nZVI，采用共溶剂TW80与Na2S2O8作为电解液，10天内土壤中OCs去除率为60%-82%。这是由于TW80对土壤中难溶有机化合物的溶解能力；同时nZVI具有高比表面积和反应活性，加速土壤中 Fe2+、Fe3+的循环反应，为体系持续供给 Fe2+，能够提高高级氧化反应效率；另一方面nZVI使部分OCs先还原脱氯，再进行氧化反应过程，利用体系存在还原和氧化的双重作用，更加高效地降解OCs。结果表明，相较于GLDA，TW80能更好地强化高级氧化和电动修复，是去除土壤中OCs的最佳选择。

相关研究结果已在Chemical Engineering Journal 和Journal of Hazardous Materials 期刊上发表。Fidèle Suanon博士为论文第一作者，研究员王芳为论文通讯作者。同时申请国家发明专利三项。该研究得到国家重点研发计划专项、国家自然科学基金和中科院前沿科学领域重点项目等资助。

文章链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719333492

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389420303769

土温80/GLDA强化高级氧化协同电动去除土壤中有机氯化合物

曲拉通X-100强化高级氧化协同电动去除土壤中有机氯化合物

沈阳生态所揭示北方草地土壤线虫群落沿干旱梯度的响应及驱动机制

干旱等全球范围内的气候变化问题日益严重，并对陆地生态系统的结构和功能产生了重大影响。一般而言，干旱能够降低草地土壤生物群落多度和丰富度，并导致不同营养类群之间的差异化响应。然而，相比于地上生态群落，对土壤生物群落的研究都是短期的小尺度研究，缺乏较大尺度上的机理研究。

基于此，中国科学院沈阳应用生态研究所土壤生态组（李琪团队）与生态化学计量学组合作,以我国北方草地样带为研究对象，研究草地土壤线虫群落及其营养类群沿干旱梯度的变化趋势和驱动机制。研究发现，线虫群落多度、丰富度和群落相似性对干旱增加呈现非线性的响应（图1）；气候因素（干旱）是影响我国北方草地线虫群落组成的主要因素（图2）。本研究量化了我国北方草地土壤线虫群落在持续气候变化背景下的潜在后果，为我国北方草地生物多样性的保护与可持续利用提供了科学依据。 

研究结果以“Nonlinear responses of soil nematode community composition to increasing aridity”为题发表于Global Ecology and Biogeography期刊上，土壤生态组熊丹博士和中国科学院植物研究所魏存争博士为共同第一作者，李琪研究员为通讯作者，该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的支持。 

文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/geb.13013

图1.线虫群落及其营养类群多度和丰富度在干旱梯度上的变化趋势

图2. 基于气候、土壤和植物因子与线虫群落特征的结构方程模型

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