国内土壤科研进展（2020年第4期）|研究

导  读

揭示土壤在自然气候解决方案中的重要作用等10则进展。

来源：根据中科院近期相关报道整理

地球环境所在黄土高原自然草地恢复和人工造林恢复土壤微生物群落结构方面取得进展

自然草地恢复和人工造林恢复是黄土高原生态治理重要的两种植被恢复模式。大量研究表明，黄土高原自1999年以来大规模的植被恢复措施显著改变了土壤碳储量，水量平衡、地表物质迁移、土壤微生物群落及生物化学循环等。土壤微生物群落在地下物质循环和交换过程中发挥着重要作用；在退耕还林/草政策背景下，从科学的机理上清晰认识黄土高原植被恢复措施下土壤微生物群落结构与组成有助于更好地理解退耕还林/草后土壤碳水交换、物质平衡基本原理与驱动机制，对于制定科学合理的生态恢复政策和可持续发展模式也起着至关重要的作用。

针对上述科学问题，中国科学院地球环境研究所生态环境研究室副研究员杨阳基于黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，联合美国马里兰大学和中科院西北生态环境资源研究院，以南小河沟人工造林恢复（杨家沟）和自然草地恢复（董庄沟）对比小流域为研究对象，其中，杨家沟自1954-1958年实施人工造林措施，现已形成人工森林生态系统；董庄沟自1954年开始实施草地封育政策，现已形成天然的自然草地生态系统；采用高通量测序的方法系统对比和研究了自然草地恢复和人工造林恢复土壤微生物群落结构组成及多样性变化。结果表明：植被恢复（自然恢复和人工造林）对土壤真菌群落结构和多样性产生了明显的影响；其中自然恢复和人工造林模式下土壤优势真菌种类为Ascomycota、Basidiomycota，土壤优势真菌种类为Ascomycota、Basidiomycota，土壤优势细菌种类为Actinobacteria、Proteobacteria、Chloroflexi、Acidobacteria（图1）；人工造林模式下土壤真菌多样性指数高于自然恢复，而自然恢复模式下土壤细菌多样性指数高于人工造林模式。微生物网络分析结果显示：人工造林模式下土壤真菌群落结构比自然恢复模式复杂，而自然恢复模式下土壤细菌群落结构比人工造林模式复杂（图2）；进一步的相关分析显示土壤SOC、pH、C/N与主要微生物类群的丰度呈显著的正相关，是影响土壤微生物群落多样性的主控因子。结构方程模型显示：土壤特性和植被特性共同决定了土壤真菌群落结构和多样性，人工造林模式对土壤真菌多样性的影响较大，而自然恢复模式对土壤细菌多样性的影响较大。最后文章构建了自然恢复和人工造林模式下土壤特性和植被特性影响土壤真菌群落结构概念图，为研究黄土高原植被-土壤-微生物关系提供了新思路（图3）。

该研究得到国家自然科学基金委和中科院的共同资助，相关研究成果近期发表于生态学和环境学期刊Forest Ecology and Management和Science of The Total Environment上。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896971934551

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719345516

图1 自然恢复和人工造林模式下土壤微生物群落结构

图2 自然恢复和人工造林模式下土壤微生物群落结构网络图

图3 自然恢复和人工造林模式下土壤特性和植被特性影响土壤真菌群落结构概念图

华南植物园在超富集植物修复镉污染土壤研究中获进展

植物修复技术(Phytoremediation)是近二十年来发展起来的一种主要用于清除土壤重金属污染的绿色生态技术。重金属超富集植物(hyperaccumulator)及植物修复技术是当前学术界研究的热点领域。与物理和化学修复技术相比，植物修复技术具有成本效益高、可原位施用、侵入性小、破坏性小等显著优点。

中国科学院华南植物园生态及环境科学研究中心博士生黄荣在导师李志安的指导下，选用5种Cd超富集植物（籽粒苋、青葙、龙葵、商陆和伴矿景天）对不同pH值（分别为5.93和7.43）的土壤进行了植物修复试验。除伴矿景天外，大多数超富集植物在酸性土壤中生长较好，生物量比在碱性土壤高19.59-39.63%。利用植物修复技术清除金属污染土壤的潜力取决于超富集植物的金属吸收能力、土壤性质和植物-土壤关系的相互适应度。在酸性土壤中，籽粒苋和青葙的Cd提取总量最高（分别为1.03 mg/盆和0.92 mg/盆）。在碱性土壤中，伴矿景天表现最好，主要是由于植物地上部镉的高积累量（541.36 mg kg-1）。大多数植物在酸性土壤中的叶片Cd生物富集因子（BCF）均大于10，而在碱性土壤中则小于4。土壤镉的有效性是造成重金属提取能力差异的主要原因，在碱性和酸性土壤中，镉的有效性分别为5.02%和48.50%。在碱性土壤中，植物主要通过分泌更多的小分子量有机酸而不是通过改变土壤pH值来增加根际土壤有效Cd含量。在酸性土壤中，植物使土壤有效Cd略有下降。高钙、高锌、高铁的树种从土壤中提取的Cd较多，Cd与叶片中Ca、Zn、Fe的含量呈正相关。土壤有效钙、Mg2+、SO42-、Cl-在植物吸收Cd中不起关键作用。综上所述，植物提取修复技术对酸性土壤具有可行性，而伴矿景天更适合于修复碱性的镉污染土壤。

相关研究成果已发表于环境领域期刊Science of The Total Environment（《全环境杂志》）。该研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金面上项目和广东省自然科学基金项目等的资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720310925?dgcid=coauthor#f0040

图1 不同超富集植物对不同土壤的适应机制。

图2 不同植物叶片中元素的皮尔逊相关分析。

沈阳生态所等揭示中国东部森林土壤细菌和真菌纬度多样性变化差异的潜在机制

生物多样性的起源和维持机制一直以来都是生态学领域亟待解决的重要研究课题。大量证据显示地球上大型动植物的多样性会随着纬度的升高而降低，但是到目前为止并没有可靠的证据能够支持土壤微生物多样性是否也遵循这样的规律。甚至有些研究基于特定的纬度范围发现微生物多样性可能与纬度之间根本不存在线性关系。此外由于细菌和真菌在个体大小、生长策略及生态功能上的差异，细菌和真菌的维度多样性变化是否存在差异及其背后的机制仍然不够明确。

中国东部森林样带是地球上除北美森林样带外较为少有的能涵盖各种森林类型的气候类型连续变化的生态系统，为研究地上地下生物多样性随环境梯度（尤其是热量梯度和降雨梯度）的特征及其机制提供了得天独厚的条件。为了探讨土壤微生物多样性的纬度变化，中国科学院沈阳应用生态研究所王清奎课题组博士刘圣恩和Pablo de Olavide大学教授Manuel Delgado-Baquerizo依托“中国森林生态系统野外定位站研究网络”从尖峰岭到大兴安岭沿着4100 km的纬度范围连续采样，为验证细菌和真菌的纬度多样性是否呈现不一致的规律，并探讨潜在的机制。结果显示细菌多样性随纬度呈现单峰变化特征，而真菌多样性随纬度增加而逐渐降低（图1）。而这种不一致的规律背后的机制是：MAT和地上净初级生产力是真菌纬度多样性变化的决定因子（图2,3），而土壤pH和N:P是细菌纬度多样性变化的决定因子（图2）。因此可以预测未来气候变暖所带来的地上初级生产力的升高可能会增加腐生真菌和病原真菌的多样性，但是可能会降低外生菌根的多样性，而这样的变化可能对森林生态系统，尤其是温带森林的生态系统功能产生深远的影响。此外该研究发现洲际尺度上森林土壤采样的“随机效应”会造成微生物多样性24.5%-38.8%的变化，从而强调大的空间尺度上微生物地理学研究采样的严谨性。

该研究得到中科院先导B（XDB15010301）、国家自然科学基金委重点项目（31830015）和面上项目（31570466）的支持。研究成果Decoupled diversity patterns in bacteria and fungi across continental forest ecosystems 于3月2日在线发表于Soil Biology and Biochemistry上。在读博士生刘圣恩、王行是共同一作，王清奎和Manuel Delgado-Baquerizo为共同通讯作者。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071720300602?via%3Dihub#kwrds00

图1. 中国南北热量梯度上森林土壤细菌和真菌丰富度随纬度梯度变化特征。(a), (b)分别代表细菌和真菌丰富度随纬度变化的线性拟合结果，阴影部分表示95%的置信区间。(c), (d)分别展示细菌和真菌总的丰富度在不同森林类型中的差异。“Kruskal-Wallis检验展示不同森林类型对应物种丰富度差异的显著性。

图2. 环境因子对中国东部森林土壤微生物多样性分布影响的PiecewiseSEM拟合结果。（a）,（b）分别表示细菌和真菌的丰富度的逻辑结构拟合结果。（c）,（d）分别表示环境因子对细菌和真菌纬度多样性变化的标准总效应。Conditional和marginal解释量分别表示不去除和去除取样点作为随机因子后模型或者两两环境因子之间的解释量。（a）,（b）中的每条通路上数值表示相关性大小, R2表示解释率显著性水平为：*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001。用颜色区分变量之间的正相关（红色）和负（灰色）相关。C:N, N:P 和 NPP分别表示土壤C:N和N:P比，NPP 表示地上初级净生产力。

版纳植物园揭示不同植物功能类群对土壤水分和养分的影响

土壤水分和养分资源的可持续利用是实现农林复合系统健康发展的基础。然而，关于间作植物对土壤水分、养分影响的报道往往莫衷一是、评价毁誉参半。这使得复合系统内间作植物的选择面临着较大的不确定性，难以对农林复合系统的建设和管理提供可靠的指导。因此，认知不同植物功能类群对土壤资源的影响是探索适宜林下间作植物的前提。

为此，中国科学院西双版纳热带植物园生态水文研究组博士后吴骏恩、博士研究生曾欢欢与研究员刘文杰及其组内人员合作，以纯橡胶林、两层复合林、三层复合林、丛林式橡胶林、热带雨林等不同植物群落为研究对象，连续测量了样地不同深度土层的含水量、水氢氧稳定同位素及土壤碳、氮、磷、钾、钙、镁含量，解析了不同乔木、灌木、草本植物组合对土壤水分、养分季节变化与空间分布的影响。结果表明：随着植物种类组成的增加，土壤碳氮含量增加。在复合系统内，土壤含水量也随着土壤碳氮含量的增加而增加。然而，在丛林式橡胶林、热带雨林中，植物种类组成的增加对土壤含水量的影响却由正转负，主要表现为受草本植物的负面影响。究其原因，主要是高含量的有机质和密集的根孔会加速土壤水分的下渗，从而缩短土壤水分的驻留时间，而密集生长的草本植物和加剧的种间竞争又会增加土壤水分的消耗。在复杂的植物群落中，土壤水分的潜在流量较大，而土壤水分的渗透速度越快则表明矿物养分浸出的风险和幅度就越大；随着植物种类组成的增加，土壤养分的浓度逐渐降低，尤其是土壤磷钾钙含量。这表明，在植物群落由简单到复杂的变化过程中，其土壤碳氮含量增加、矿物养分含量降低、土壤水分驻留时间缩短、土壤含水量先增后减，其中乔木、灌木、草本对土壤水分和养分的影响各有不同，有时甚至出现相反的结果。因此，为实现土壤水分和养分资源的可持续利用，复合系统中的间作植物应选择灌木类、避免密集种植的草本植物。

相关结果以Recognizing the role of plant species composition in the modification of soil nutrients and water in rubber agroforestry systems为题，发表在Science of the Total Environment上。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720315552?dgcid=author

不同植物群落的土壤水分和养分差别比较

亚热带生态所揭示丘陵区稻田化肥农药施用对氮磷径流流失的影响

为了实现作物高产，近40年来全球化肥和农药的用量不断增加。我国农田化学氮肥和磷肥的平均投入量分别高达225kgNha-1和50.6kgPha-1，但氮磷肥的利用率相对较低，其中水稻氮肥和磷肥的利用效率分别仅为35%和25%。农药具有防治病虫害的作用，目前我国农药平均投入量达到13.1kgha-1，但99.7%的农药残留在环境中，没有对目标害虫产生作用。化肥施用通过增加田面水氮磷浓度而产生氮磷径流损失，同时农药施用可通过影响作物生长以及土壤氮磷循环微生物过程而对氮磷径流流失产生影响。农田氮磷径流损失是农业氮磷面源污染的重要来源，对水体富营养化有重要贡献。但是，化肥和农药对稻田氮磷径流流失的耦合效应的认识还很薄弱。

中国科学院亚热带农业生态研究所土壤生态与环境课题组以丘陵区典型双季稻田为研究对象，通过设置不同化肥（常规用量的0%、50%、70%、100%和150%）和农药（常规用量的0%、50%、70%和100%）用量互作处理，连续在三个稻季高频观测稻田田面水氮磷浓度及其径流损失。结果表明，稻田田面水氮磷浓度在施肥后随时间存在指数下降，并在5-15天后趋于稳定且浓度相对较低。这表明施肥后5-15天内可作为控制稻田径流损失的窗口期，通过合理灌溉以及布设径流流失拦截装置将可显著减少稻田氮磷径流损失。早稻季虽然在施肥量较晚稻季低，但田面水氮磷浓度较晚稻季高，具有较高的氮磷流失风险。稻田田面水氮磷浓度和氮磷径流损失随施肥量的增加而显著增加，而农药施用量对氮磷径流损失的影响不显著。研究也进一步表明，在常规用量的基础上减少化肥用量以及农药用量并未显著影响水稻产量，表明在亚热带丘陵区双季稻作制度下，具有减少化肥和农药投入的潜力。

该项研究近期以Nitrogen and phosphorus runoff losses under different chemical fertilizer and pesticide application rates in a double rice cropping system in the subtropical hilly region of China 为题发表在环境科学国际期刊Science of the Total Environment上。该研究得到国家重点研发计划（2016YFD0201204, 2017YFD0800104）、国家自然科学基金（41771336, 41471267）和中科院青年创新促进会（2017418）的支持。

图：施肥后稻田田面水氮磷浓度动态变化

沈阳生态所在玉米农田肥料氮利用效率和损失研究中取得进展

施氮是增加和维持农作物产量的重要农艺措施。但是，过量施氮不仅浪费资源，造成土壤退化，还会污染水体和大气。量化施入农田氮肥的去向和利用效率是农田氮肥管理的基础。受土壤类型、气候条件、田间管理等因素的影响，不同区域和不同作物之间氮肥去向存在很大差异。认识这些差异以及控制因素可以帮我们更好地管理氮肥，提高利用效率，减少损失和污染。玉米是我国重要的农作物之一，其在我国的种植规模不断攀升，种植面积和产量早已超过小麦、水稻等农作物，其中在我国东北增长最为迅速。然而，有关玉米农田肥料氮利用效率和损失的研究多集中在华北区域，东北较少。由于气候和水土条件的差异，东北地区玉米农田氮肥的利用效率和损失可能与其他种植区不同。

中国科学院沈阳应用生态研究所稳定同位素生态学实验室与国内外多家单位合作，在我国玉米农田系统中开展了6个原位15N示踪试验（2015-2016年，其中4个在东北），并结合文献中的数据，比较了我国玉米系统肥料氮在东北和华北两个区域氮肥利用和损失的差异（图1）。研究发现施入土壤的当季氮肥平均有34%被作物吸收利用，35%残留在土壤，31%损失掉（进入水体和大气）。其中作物吸收利用和损失表现出明显的地域差异，东北地区的吸收比例要显著高于华北地区（47% vs. 28%）（图2），而损失比例则低于华北地区（21% vs. 34%）。东北区域氮利用效率较高的原因可能是由于该地区玉米产量显著高于华北地区，从而导致更高的氮吸收（260 vs. 192 kg N ha-1）。与气候因子相比，土壤性质差异可能是造成氮肥去向区域差异更重要的原因。此外，研究还发现当季作物吸收氮素中来自当季肥料仅占36%，说明绝大多数玉米吸收的氮素来自非肥料氮（64%），包括土壤自身的矿化和硝化供氮。因此，为了维持土壤的长期供氮能力以及农田生态系统的氮平衡，也应重视土壤原有氮的消耗和补偿。

该成果近期在线发表于土壤学期刊Soil and Tillage Research上。稳定同位素生态学研究组助理研究员全智和博士后李善龙为共同第一作者，研究员方运霆为通讯作者。该研究得到中科院战略先导专项、国家重点研发项目以及国家自然科学基金的资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198719310517

图：玉米农田系统15N原位示踪试验12个变量（气候、土壤性质、施氮量、产量、氮吸收量、15N肥料氮去向）在我国东北（NE）和华北（NC）两个区域的地域差异

东北黑土区农田土壤剖面碳分布研究获进展

东北黑土区为世界四大黑土带之一，是维护国家粮食安全的“压舱石”。黑土有机质含量高，其不仅对维持农田土壤肥力具有重要贡献，对全球气候变化也具有重要影响。然而，多年来高强度的开垦、不合理的耕作、严重的土壤侵蚀以及气候变化等共同因素造成了土壤有机质的下降和土壤质量的退化。因此，摸清土壤碳储量分布现状及其影响因素对于黑土农田土壤固碳具有重要意义。

黑土区农田土壤土层深厚，不仅土壤表层碳含量高，土壤下层同样具有较高的碳储量。因此，下层土壤碳对土壤肥力以及气候变化的影响也不容忽视。基于黑龙江省林甸、海伦和宝清三个典型市县78个土壤剖面，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开展了SOC(土壤有机碳)剖面分布规律及其影响因素的研究。研究发现，SOC含量及其变异大小随土壤深度的增加而显著降低。0-100 cm深度SOC储量为52.3-323.1 Mg ha-1，平均为163.6 Mg ha-1，其中表层20 cm的SOC储量占土壤剖面（0-100cm）SOC储量的32.8%，0-20 cm SOC储量可被用来估算0-100 cm SOC的储量。而且SOC含量及其在土壤剖面的分布与土层深度、容重、pH值、粘土含量和海拔高度相关。

有关土壤碳储量估算的研究多数集中在SOC，但是土壤无机碳（SIC）对土壤总碳储量的贡献不容忽视，特别是在干旱和半干旱地区。研究选取以黑钙土为主要土壤类型的林甸县作为研究对象，基于25个农田土壤剖面（0-150cm），揭示了SIC储量的剖面分布规律及其影响因素。研究发现，在0-150cm层次，SIC储量为109.0-331.7 Mg ha-1，平均为259.0 Mg ha-1，约占土壤总碳储量的68%；其中100-150cm土层的SIC储量占剖面SIC总储量的1/3以上。土壤无机碳与有机碳的比值（SIC/SOC）介于0.1和8，其中，在0-40 cm，比值小于1；在40-150cm，比值大于1。说明在40cm土层以上，土壤碳的形态以SOC为主；而在40cm土层以下，SIC是土壤总碳储量的主要来源。在整个剖面（0-150cm）中，SIC/SOC与土壤全氮、有效磷和速效钾呈负相关。研究认为，在估算土壤碳储量时，深层土壤无机碳不可忽视，另外，土壤层次与土壤理化性质共同影响不同土壤碳形态（SIC，SOC）在剖面的分布。

该研究得到国家自然科学基金和中科院青促会项目等的共同资助。

论文信息：You Mengyang, Han Xiaozeng, Hu Ning, Du Shuli, Doane Timothy A, Li Lu-Jun*, 2020. Profile storage and vertical distribution (0-150 cm) of soil inorganic carbon in croplands in northeast China. Catena 185.

土壤碳不同形态（A）和土壤无机碳（B）在土壤剖面的分布

我国土壤原位温度与GDGTs温度指标关系研究获进展

过去地表温度的定量重建对于人们了解地球气候系统的演化和开展古气候模拟研究均具有重要意义。目前，对于古温度变化历史的认识主要依赖于海洋记录，而陆地上由于缺少有效的古温度指标，较长时间尺度的温度历史记录较少。最近十余年区域和全球的大量研究显示，土壤中微生物四醚膜脂brGDGTs分布与年平均大气温度（MAAT）有关，是定量重建不同时间尺度陆地温度变化较有潜力的工具。brGDGTs已被广泛应用于黄土-古土壤序列重建过去陆地温度变化。

由于brGDGTs是由生活在土壤中的微生物产生的，其分布应直接响应土壤温度而非大气温度。然而目前主要是利用空气温度替代土壤温度进行brGDGTs温度指标研究。这可能会妨碍人们精确认识brGDGTs与温度之间的关系，引起较大的brGDGTs-温度转换方程误差，进而影响对过去陆地温度变化的定量重建。

在近十年的时间里，中国科学院地球环境研究所研究员刘卫国团队系统开展了全国不同气候带原位土壤温度与GDGTs分布关系的调查工作。研究发现年平均土壤温度（MAST）比MAAT偏高0~6℃，且二者差值与植被覆盖等下垫面状况有关（图1），探究brGDGTs对土壤温度的直接响应十分必要。基于brGDGTs分布，该研究进一步建立了重建土壤温度的转换方程MASTsr（图2）。与国际上常用的基于空气温度的校正方程相比，新方程具有更小的重建误差。在蓝田黄土剖面，大气温度校正方程可能会得到过高的冰期温度，而土壤温度方程MASTsr能较好地重建植被下垫面影响下的地表土壤温度变化。

该工作是国际上首次大范围土壤原位温度与GDGTs分布关系的研究。相关结果表明在过去气候变化研究中可能需要区分土壤温度与大气温度，而通过土壤温度转换方程才能更好地利用土壤brGDGTs定量重建地表温度变化。由于土壤温度直接影响土壤微生物活性、植物种子萌发、土壤水分蒸发、冻土范围变化以及土壤碳循环等过程，该研究对于古生态学、全球变化以及气候模拟研究均具有重要意义。

上述成果发表在学术期刊Quaternary Science Reviews上。该研究得到中科院和国家自然科学基金委等资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0277379119309473

图1 地表土壤温度与大气温度差值与植被覆盖度有关

图2 基于brGDGTs的地表土壤温度重建方程MASTsr

研究揭示土壤在自然气候解决方案中的重要作用

气候变化及其引起的干旱、暴雨、洪灾等极端气候事件的增加正在改变人类生存环境，减缓气候变化是应对气候变化的主要内容之一。虽然大自然在缓解失控的气候变化方面有着强大的作用，但与对森林或红树林等减缓作用的关注相比，土壤作为“自然气候解决方案”在历史上所受的重视程度一直较低。

由自然保护协会和中国科学院昆明植物研究所等单位进行的联合研究，首次将土壤在全球森林、湿地、农业和草原上的碳减排潜力汇总在一起，计算了全球土壤的碳储存能力。这项研究表明，土壤占全球自然气候解决方案总潜力的25%，这种方法可以吸收大气中的二氧化碳，并将其锁定在森林、农田和泥炭地等景观中，包括从森林减排潜力的9%到农业用地和草地的47%，以及湿地景观中高达72%的总固碳潜力。

在这个对自然非常关键的“超级年”里，这个研究及时提醒不要忽视土壤和改良的土壤管理具有的储存碳的巨大潜力，以及这些生态系统能为气候、野生动物和农业带来的诸多好处。另外，农林复合经营已被证明是增加土壤有机碳最重要的途径之一，具有巨大的全球减缓气候变化的潜力。以改善土壤健康为基础的良好农业生产，不仅可以增加农业生物多样性和生计多样化，还可以提高农场和生态系统的恢复力。对农业部门来说，更有效地管理土壤是在减缓气候变化方面所能作出的最大贡献。土壤健康必须成为农业生产的一个中心支柱，不仅是为了减缓气候变化，而且也是为了环境和粮食安全。”

研究成果以The role of soils in natural climate solutions 为题在线发表于Nature子刊Nature Sustainability（《自然-可持续发展》）上。

文章链接

https://doi.org/10.1038/s41893-020-0491-z

研究揭示土壤在自然气候解决方案中的重要作用

成都生物所揭示坡地果园开垦对土壤微生物群落和活性的影响

果园是农民谋生和获取经济效益的重要途径。横断山脉地区分布着许多大型的干谷盆地。该地区气温较高，日照时间长、强度大，降水量少、蒸发量大。由于这些独特而优越的自然资源，孕育了该地区独特的水果和蔬菜产品，因此，柑橘坡地已成为典型的土地利用类型之一。然而，有限的土地资源和大量的人口集中导致了土地的集约开发，包括陡坡的开发和利用，这通常会导致广泛的土壤扰动而引起水土流失。坡地果园复垦对微生物群落组成和活性的影响及其机理的研究很少，但这种关系对坡地果园的可持续经营至关重要。值得注意的是，在坡地果园中，土壤受人为管理的影响较大，如耕作、修剪和施肥等。这些干扰可能引起土壤物理、化学或生物条件的变化，进而导致土壤微生物的结构和活性发生变化。已有研究发现，在柑橘果园不同林龄背景下，土壤水分和碳氮比是影响土壤微生物群落组成的重要因素。同样，土壤碳氮比和微生物生物量碳含量是土壤碳代谢多样性和微生物群落活性的重要指标。然而，除土壤理化性质的变化外，凋落物、根生物量甚至细根菌根侵染也随着林龄的变化而变化。

有研究表明，在开垦条件下，微生物组分对剧烈的环境变化（如土壤性质）有不同的反应。土壤酸化、养分添加和复杂有机化合物的降解都会导致微生物功能群的组成变化。例如，土壤pH值对细菌群落的影响大于真菌群落。此外，真菌和原核生物对极端环境胁迫表现出不同的适应性，这是由于每个不同群体利用营养物质和抵抗土壤退化的能力不同。因此，不同功能群的总体反应是对土壤肥力的更全面、准确的指示。近年来，地上和地下生态系统都成为重要的土地利用评价的一部分。由于地上部分和地下部分之间的整体联系，土壤条件会受到地上植被生长发育的影响。目前，在土壤开垦后土壤肥力变化和微生物群落变化方面的研究具有大量的报道，但是针对坡地果园并结合地上植被相关指标的研究较为缺乏。那么，坡地果园不同开垦年限期间，这些土壤微生物组分在土壤条件的改变下是如何响应的？相应的地上和地下指标在果园种植之后与土壤微生物群落的变化又有怎样的联系？

为解决以上问题，中国科学院成都生物研究所生物多样性与生态系统服务领域地表过程与生态系统管理项目组研究员庞学勇团队博士生强薇等人选择了大渡河流域不同林龄（3年、7年和11年）的黄果柑坡地果园来测量微生物群落结构和活性的变化，并探究这些变化与哪些因素相关。研究结果显示：果园林龄对微生物生物量的影响因不同的功能类群而存在差异。此外，果园林龄显著改变了土壤微生物群落组成，自复垦以来真菌优势度随时间增加而增加。土壤C循环的酶活性敏感，随林龄增加而增加，而N循环的酶活性相对稳定。此外，11年生果园的土壤肥力也明显下降。进一步分析表明，黄果柑土壤微生物量和酶活性与果树基径、细根根系生物量、土壤总有机碳(TC)和氮(TN)呈显著正相关。表明：在黄果柑坡地果园不同的开垦年限期间，植物的生物量与地下生态系统密切相关。这些结果对于预测开垦后果树生长前中期地下微生物群落的潜在变化以及后期坡地果园生态系统的可持续管理具有重要意义。

该研究由国家重点研究开发项目（No. 2017YFC0505104）和国家自然科学基金项目（No. 31770658）等资助。近日以Effects of reclamation age on soil microbial communities and enzymatic activities in the sloping citrus orchards of southwestern China 为题发表于Applied Soil Ecology期刊。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0929139319313022

图1 不同林龄黄果柑坡地果园土壤微生物群落组分。AMF:丛枝菌根真菌;F/B:真菌与细菌比率;GP/GN:革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比率。

图2 碳(a)和氮(b)循环中相关酶活性的几何平均值。

图3 土壤微生物群落和酶活性的梯度提升回归树。SMB:土壤微生物总量;AMF:丛枝菌根真菌;AN:氨态氮;BD:基径;C/N:土壤有机碳氮比;DOC:可溶性有机碳;DON:可溶性有机氮;FRB:细根生物量;F/B:真菌与细菌的比率;GN:革兰氏阴性菌;GP:革兰氏阳性细菌;Hight:株高;NN:硝态氮; TC:土壤总有机碳;TN:土壤总有机氮。

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