国内土壤科研进展（2020年第9期）|研究

导  读

南京土壤所在施硒降低水稻对镉的吸收机理上取得进展等3则进展。

来源：根据南京土壤所、沈阳生态所等单位网站近期相关报道及作者供稿整理

南京土壤所在施硒降低水稻对镉的吸收机理上取得进展

土壤镉污染严重威胁我国水稻安全生产，亟需有效、可复制易推广的修复技术缓解农田镉污染风险。硒是动植物生长的有益元素，具有抗氧化、抗衰老的特性，施用硒肥降低水稻镉吸收的相关技术研究备受关注。已有文献报道施用硒肥可缓解镉造成的氧化毒性、降低水稻镉吸收，但效果不稳定，对其内在机理认识不足。深入理解硒肥降镉作用机理对合理利用硒肥促进中轻度镉污染农田安全生产具有重要意义。

中国科学院南京土壤研究所王兴祥课题组利用水培试验研究了镉暴露条件下，添加硒处理水稻根系生理生化特征及植株镉积累量的响应变化。研究结果显示，硒通过提高SOD、CAT等酶的活性，降低水稻组织中活性氧（O2-、H2O2）水平，显著缓解镉对水稻造成的氧化毒性。硒的解毒作用同时影响根系形态和氧气的传输，课题组利用氧微电极（Unisense, Denmark）技术分析了水稻根系氧气径向分泌状况，发现镉暴露明显抑制水稻根系泌氧，而添加硒后水稻根系泌氧量显著增加、氧气的传输范围变宽。在无亚铁存在的培养体系中，硒处理可缓解镉的毒性，促进水稻生长，但对水稻镉的吸收积累总量无显著影响；在有亚铁配合条件下，硒通过促进水稻根系泌氧，进而强化根表铁膜形成及其对镉吸收的阻挡作用，减弱水稻根系对镉的吸收，显著降低水稻镉积累量。因此，硒对水稻的降镉作用与其促进根系泌氧、提高根表铁膜的阻镉吸收作用有关，在施用硒肥降镉技术应用中应当充分考虑土壤亚铁离子的作用，以更好地发挥其降镉效果。

该研究成果近期发表在Journal of Hazardous Materials上。研究工作得到了国家科技支撑计划课题（2015BAD05B04）等项目资助。

文章链接

http://www.issas.ac.cn/xwzx/kjjz/202005/W020200526409926973234.pdf

施硒对镉胁迫下水稻根系泌氧、根表铁膜形成及镉积累的影响

沈阳生态所揭示不同形式氮添加对草地根系分解的影响机理

氮沉降作为全球变化的主要现象之一，深刻影响陆地生态系统过程及与其相关的生物地球化学循环过程，如凋落物分解。凋落物分解参与生态系统碳的周转与循环，影响生态系统碳的收支平衡，是陆地生态系统碳循环的核心关键过程。近年来，国内外生态学家通过野外模拟实验开展了大量氮沉降增加对凋落物分解影响的研究，并积累了一些研究成果。但是，目前已开展的模拟氮沉降实验大多采用人工施加无机氮（主要为硝酸铵）形式实现的，而忽略了有机氮组分。越来越多的研究表明有机氮占大气氮沉降量很大的比例（30%左右），同时，伴随着农业化肥的生产和使用，有机氮占总氮沉降量的比例正处于持续增加的状态。因此，仅仅通过添加无机氮可能不能全面的评估氮沉降对陆地生态系统土壤碳循环的影响。

鉴于此，中国科学院沈阳应用生态研究所生态化学计量学组以内蒙古草原的5种优势种为研究对象，依托不同形式氮添加（有机氮和无机氮）实验平台，研究了不同形式氮添加对草地根系分解的影响。为期两年的分解结果发现，无论是无机氮添加，还是有机氮添加，均促进了根系分解速率，并且混合氮添加处理对分解的促进作用最强（Fig.1）。并且这种促进程度与根系的基质氮含量密切相关，对氮含量较低的根系具有更高的促进作用，而与根系的初始木质素含量不相关。同时研究发现，氮添加对凋落物分解酶的影响可以很大程度解释根系分解对不同形式氮添加的响应结果。因此，本研究强调了在模拟氮沉降对生态系统过程影响研究中有机氮组分的重要性，如果忽视有机氮，可能会高估氮沉降对土壤碳库的碳汇作用。

以上研究成果近期以“Response of fine root decomposition to different forms of N deposition in a temperate grassland ”为题发表在Soil Biology and Biochemistry期刊。生态化学计量学组特别研究助理董利利博士为第一作者，王正文研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后面上基金等项目的支持。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720301425

不同形式氮添加对温带草地5种典型物种根系分解的影响

南京农大资源与环境科学学院熊正琴教授团队在温室菜地土壤氧化亚氮排放的机理研究上取得系列进展

大气中N₂O浓度持续增长导致的气候变化已成为当前全球关注的焦点问题，其中农业是大气N₂O的重要来源。众多田间观测结果表明，土壤N₂O的总排放量主要取决于自然或人为干涉所产生的脉冲排放峰。温室菜地生产系统有着氮肥投入高，复种指数高及农事操作频繁等特点，无疑会造成更为频繁以及更强烈的N₂O脉冲峰。此外，有机肥替代化肥、施用生物质炭和硝化抑制剂（合成硝化抑制剂和生物硝化抑制剂）被推荐作为降低农田土壤N₂O排放有力措施。土壤N₂O产生途径较为复杂，且这些途径相对重要性及其与不同减排措施之间的关联机制目前尚不清楚。熊正琴教授团队基于多年来的田间观测结果，采用同位素技术、分子生物学手段和数学模型相互结合的方法得出：在硝化过程中，氨氧化微生物所驱动的氨氧化和亚硝态氮消耗过程对温度存在显著响应，其中，AOB在氨氧化和亚硝态氮消耗过程中的最适温度为35 °C或40 °C，而AOB的最适温度为30°C或35 °C；此外，当土壤温度大于30 °C时，引起氨氧化和亚硝态氮氧化过程解耦，造成NO₂^-累积进而刺激N₂O的产生。基于以上结论，以NO₂^-为底物的硝化细菌反硝化过程是否会随温度升高而增加？通过采用¹⁵N-¹⁸O同位素双标记的方法，该团队进一步发现，来源于硝化细菌反硝化的N₂O排放量随温度的升高不断增加且在25 °C条件下达到最大，而来源于硝化耦合反硝化过程的N₂O排放在15–35°C范围内随温度的升高而增加。研究还发现：温室菜地土壤表现出“遗漏”的氮循环特征，且酸性条件有更大的潜力导致NO₃^-的累积；在碱性土壤中，硝化微生物所驱动的过程（氨氧化、硝化细菌反硝化和硝化耦合反硝化）是N₂O产生的主要路径；而在酸性土壤中，异养反硝化是N₂O产生的主要路径。先前很多研究都是侧重于土壤N₂O产生的生物过程，但由于在温室菜地中，大量施肥造成的土壤酸化很严重，对其非生物的产生贡献不容忽视。该团队在室内研究中发现，向土壤中添加NO₂^-会显著增加酸性土壤中N₂O产生，而NH₂OH添加会显著增加碱性土壤中非生物的N₂O产生，此外，NO₂^-的存在会明显促进NH₂OH向N₂O的转化。尽管很多研究都表明氨氧化细菌偏好碱性和高氮环境，相比之下氨氧化古菌偏好酸性和低氮土壤条件。但在温室菜地土壤中，由于过量施肥（>1173 kg N ha⁻¹yr⁻¹）会导致土壤显著酸化，从而致使氨氧化古菌成为N₂O产生的主要驱动者。以上研究为探讨土壤N₂O产生机理提供了新认知，以上结果相继发表在Soil Biology and Biochemistry（论文1）、Scienceof The Total Environment（论文2、3）、Geoderma（论文4）、Biologyand Fertility of Soils（论文5）、Journalof Soils and Sediments（论文6）期刊上，段鹏鹏博士为第一作者，熊正琴教授为通讯作者。

该团队基于前期大量的研究结果发现，有机肥替代化肥、施用生物质炭和硝化抑制剂（合成硝化抑制剂和生物硝化抑制剂）能够显著降低温室菜地土壤N₂O排放。但这些措施是如何控制土壤中的N₂O产生过程，值得深入解析。该团队基于田间原位试验，采用N₂O位置优势值（sitepreference, SP）结合微生物转录活性以及同位素映射模型（Isotopocule mapping）的方法，研究发现：有机肥替代和生物质炭施用不仅降低来源于硝化或真菌反硝化过程以及细菌反硝化或硝化细菌反硝化的N₂O排放，还促进了N₂O还原为N₂的过程，且生物质炭对还原过程的促进作用更强烈；而硝化抑制剂可以抑制来源于硝化或细菌反硝化或硝化细菌反硝化的N₂O排放。以上研究为深入理解土壤N₂O的减排研究提供了理论依据，相关结果发表在Agricultural and ForestMeteorology（论文7）期刊上，段鹏鹏博士为第一作者，熊正琴教授为通讯作者。

关于生物质炭田间老化程度和类型对N₂O排放的研究一直存在诸多争议。该团队采用抑制剂、同位素以及分子生物学的方法通过室内微宇宙试验研究发现：老化生物质炭物理化学性质的改变，不管添加至碱性还是酸性菜地土壤中，通过促进硝化和反硝化过程而增加N₂O排放；在碱性土壤中，添加新生物质炭通过降低异养硝化过程而降低N₂O排放，而在酸性土壤中，添加新生物质炭通过降低异养硝化和反硝化过程而降低N₂O排放。研究进一步发现，碱性土壤中，老化生物质炭增加了氨氧化细菌和古菌对N₂O贡献，而在酸性土壤中，仅增加了氨氧化古菌对N₂O的贡献。此外，通过对比研究表明：小麦秸秆和猪粪生物质炭均能显著降低来源于自养硝化和反硝化过程的N₂O产生，而增加异养硝化过程对N₂O的贡献，其中以猪粪生物质炭激发程度更大。以上研究为解释不同类型生物质炭对菜地土壤N₂O排放影响的机理提供了依据，相关结果相继发表在Science of The Total Environment（论文8、9）、Geoderma（论文10）期刊上，段鹏鹏博士、张溪博士和范长华博士为第一作者，熊正琴教授为通讯作者。

论文链接1

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071718300269 

论文链接2

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718338105 

论文链接3

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720329089?dgcid=coauthor 

论文链接4

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706119305762 

论文链接5

https://link.springer.com/article/10.1007/s00374-019-01348-9

论文链接6

https://link.springer.com/article/10.1007/s11368-020-02645-9

论文链接7

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192319302801 

论文链接8

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718322423 

论文链接9

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719326968 

论文链接10

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706119323845

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