国内土壤科研进展（2020年第12期）|研究

导  读

在土壤碳稳定性对全球变化因子响应研究取得重要进展等4则进展。

来源：根据南京农业大学资环学院、华中农业大学资环学院、中科院等单位网站近期相关报道整理

南京农大资环学院生态系统生态学课题组在土壤碳稳定性对全球变化因子响应研究取得重要进展

化石燃料的燃烧和大量氮肥的施用等人类活动导致全球气温升高、降水格局改变和大气氮沉降量增加。这些变化会同时影响植物的光合作用、植物地上、地下生产力和凋落物分解过程，很可能改变陆地生态系统土壤有机碳的储量和稳定性。到目前为止，对于单个全球变化因子对土壤有机碳稳定性的影响，已取得大量的研究成果。但是，多种全球变化因素交互作用对于有机碳稳定性的影响还研究较少，且潜在的生物地球化学机制并不清楚。

近日，南京农大资环学院生态系统生态学实验室在全球变化领域顶级期刊《Global Change Biology》发表了题为“Interactive global change factors mitigate soil aggregation and carbon change in a semi-arid grassland”的研究论文。该研究依托黄土高原野外长期全球变化定位试验站（模拟增温，氮输入和降雨变化），在草地生态系统土壤有机碳对多种全球变化因子的响应机制研究取得重要进展。

结果表明，在没有氮肥输入的情况下，降水添加主要通过增加土壤可交换Mg2+含量（化学机制）和促进真菌生长（生物机制），显著增加了土壤团聚体稳定性。然而，氮肥输入抵消了降水增加引起的促进作用，主要是通过抑制真菌生长、改变土壤pH值和粘粒-Mg2+-有机质桥接作用。此外，增温通过促进植物根来源碳的输入，以及抑制真菌生长和土壤呼吸作用，增加了矿物结合的有机碳含量。该研究为干旱和半干旱草原中多种全球变化因素控制土壤碳稳定性的潜在机制提供了新的认识，也表明以往完全基于单因素试验观测得出的研究结论可能存在一定的片面性和局限性。

半干旱草地生态系统土壤团聚体对增雨和氮输入响应的概念图

该研究由南京农业大学生态系统生态学实验室、北卡罗来纳州立大学与中科院地球环境研究所合作完成，南京农大为通讯作者单位，博士生白彤硕为论文第一作者，中科院地球环境研究所王益博士为共同通讯作者，爱荷华州立大学的Steven J. Hall博士也参与了此项研究。据了解，生态系统生态学课题组长期从事土壤碳氮转化过程、植物-土壤微生物相互作用及其对全球变化的响应研究，在国家自然科学基金项目、973项目、国家重点研发计划项目以及人才项目等资助下，先后在Ecology Letters，New Phytologist，Global Ecology & Biogeography，Environmental International，和Environmental Microbiology等权威期刊上发表了一系列论文。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.15220

植物所在冻土氮循环及其调控因素方面取得进展

冻土生态系统约占全球陆地面积的16%，是陆地生态系统的重要组成部分。持续的气候变暖使全球冻土分布区出现不同程度的融化现象，导致冻土中长期封存的有机质被微生物分解释放，进而形成冻土碳循环与气候变暖之间的正反馈关系。在此背景下，冻土生态系统碳氮循环对气候变暖的响应成为近年来全球变化领域的焦点话题。然而，和碳循环相比，目前学术界对区域尺度冻土氮循环及其调控因素的认识十分匮乏。

中国科学院植物研究所杨元合研究组以青藏高原冻土生态系统为研究对象，基于1000 公里的野外样带调查、15N同位素标记实验、功能微生物基因丰度测定等宏观与微观相结合的手段，解析了青藏高原冻土氮循环的基本特征及其关键调控因素。研究人员发现，冻土层土壤有效氮含量和氮转化速率显著低于活动层土壤，这一发现并不支持基于北极冻土生态系统提出的“冻土层土壤氮释放量大于活动层土壤”的传统观点。进一步研究发现，冻土层与活动层土壤氮转化过程的调控因素存在差异。其中，活动层土壤总氮矿化速率和微生物固持速率主要受土壤含水率控制，而冻土层土壤总氮矿化速率和微生物固持速率则取决于土壤微生物属性。上述发现拓展了学术界对冻土氮循环特征的认识，为提高模型对冻土区生物地球化学循环过程的预测能力提供了思路。

该研究于6月7日在线发表于国际学术期刊Global Change Biology。杨元合组博士研究生毛超为论文第一作者，杨元合为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、第二次青藏高原综合科学考察项目等的资助。

文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.15205

活动层与冻土层土壤氮转化过程及其调控因素的差异

华中农大资环学院在土壤腐殖酸-磷相互作用研究中取得新进展

南湖新闻网讯（通讯员 张文君）华中农大资源与环境学院生物矿化课题组在《环境科学与技术》上发表了题为“Molecular Understanding of Humic Acid-LimitedPhosphate Precipitation and Transformation”的研究论文，揭示了土壤有机质调控磷生物有效性的分子机制。

由于可以形成磷酸盐的沉淀，土壤磷的生物效性与土壤金属元素（如Ca和Fe）种类和含量直接相关。长期施用有机肥可以改善磷的生物有效性，但由于土壤环境的复杂性，土壤有机质和磷酸盐沉淀的相互作用研究一直停留在土壤分析和植物响应的现象描述上，化学作用的分子机制尚不明确。

基于此科学问题，课题组设计了一个简化模式体系，并在土壤环境相关的溶液条件下，借助亚纳米级原子力显微镜原位观察了典型土壤有机质组分中的腐殖酸如何影响磷酸钙在云母表面的成核（沉淀）动力学。结果发现，随着腐殖酸浓度的提高，无论在酸性还是碱性溶液条件下磷酸钙沉淀均减少（图1）。使用高分辨透射电镜观察发现，腐殖酸能够有效稳定无定形磷酸钙，延缓其向热力学更稳定的二水磷酸氢钙（在酸性条件下易于形成）或羟基磷灰石（在碱性条件下易于形成）转变。

图1. 云母表面无定形磷酸钙成核的原子力显微镜图像。

为了进一步解释这些纳米级的沉淀动力学观察，课题组使用了更加简化的模式有机分子，以代表复杂腐殖酸分子中的CH3, NH3+,PO3−和COO−功能基团，进而将它们分别修饰到原子力的针尖上。使用基于原子力显微镜的动态力谱技术，测定了不同官能团和矿物表面的单分子结合自由能（图2），发现这些含有不同官能团的有机分子和无定形磷酸钙的结合能显著大于它们与云母间的结合自由能。在单分子尺度上解释了腐殖酸分子通过带正负电的功能基团强烈结合到无定形磷酸钙表面上，形成有机-矿物分子键合后抑制无定形磷酸钙相转变。在形成更难溶的磷酸钙之前，这些溶解度较高的无定形磷酸钙是生物有效的，即植物根系可以吸收利用。此研究表明，土壤有机质和土壤金属离子共同控制磷的有效性和去向，为实现农业和环境可持续磷的管理提供了单分子级的理论依据。

图2. （A-B）原子力探针修饰的腐殖酸代表性官能团和矿物表面作用的单分子力距离曲线。

本论文第一作者是资源与环境学院博士研究生葛新飞，王荔军教授和张文君副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金及我校中央高校基本科研业务费的资助。

华中农大资环学院在土壤甲基汞微生物降解研究上取得新进展

南湖新闻网讯（通讯员 周心劝）近日，华中农大资源与环境学院土壤微生物生态课题组在环境领域期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Microbial communities associated with methylmercury degradation in paddy soils”的研究论文，揭示了稻田土壤甲基汞降解的微生物群落特征。

甲基汞(MeHg)是重金属汞(Hg)毒性最强的有机形态，具有高度的生物富集与生物放大特性，容易进入食物链威胁食品安全与人体健康。大米的摄入是特定区域居民MeHg暴露的重要途径，而稻米中的MeHg主要来源于土壤微生物对无机Hg的甲基化 (Liu et al., 2018, Environ Sci Technol)。同时，作为一种典型的土壤污染物，稻田土壤Hg的积累影响土壤微生物多样性与群落生态功能 (Liu et al., 2018, Microbiome)，从而又影响土壤Hg的形态转化。随后的研究发现，土壤非Hg甲基化微生物也会通过直接或间接作用影响MeHg的积累与食物链风险 (Liu et al., 2019, Environ Sci Technol)，这可能与土壤MeHg的微生物降解有关。因此，土壤微生物同时驱动了MeHg的产生与降解过程。然而，对稻田土壤MeHg降解的过程与微生物生态学机制一直不清楚。图1 稻田土壤MeHg降解特征与微生物生态类群

图1 稻田土壤MeHg降解特征与微生物生态类群

资源与环境学院科研人员发现土壤灭菌后MeHg含量无显著变化，而未灭菌的土壤MeHg降解率高达56% (图1a)，说明微生物在MeHg降解过程中发挥了重要作用。淹水环境更有利于稻田土壤MeHg的降解 (图1b)，但添加硫酸盐还原菌和产甲烷菌的抑制剂 (钼酸盐和2-溴乙基磺酸) 对MeHg的降解和微生物群落组成均无显著影响，表明硫酸盐还原菌和产甲烷菌可能不是MeHg污染水稻土中主要的降解菌群。而在好氧环境下，添加Cu2+显著促进了MeHg的降解和Xanthomonadaceae的富集。进一步通过16S rRNA扩增子测序和宏转录组分析一致发现Catenulisporaceae, Frankiaceae, Mycobacteriaceae和Thermomonosporaceaed等微生物类群可能参与了土壤MeHg的降解 (图1c, d)。采用HMM (隐马尔科夫) 模型对宏转录组数据分析，发现Hg还原酶 (MerA) 基因和有机Hg裂解酶 (MerB) 基因的表达无显著变化，意味着土壤MeHg的降解不是通过还原性去甲基化途径 (Zhou et al., 2020, Environ Sci Technol)。以上研究结果为理解稻田土壤MeHg积累机制及生物修复提供重要的理论支撑。

资源与环境学院博士研究生周心劝为论文第一作者，刘玉荣教授为通讯作者，美国橡树岭国家实验室顾宝华教授、华中农业大学冯娇副研究员、硕士生郝芸芸、黄巧云教授也参与了该项研究。

相关论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.est.0c00181

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.est.9b03013

    https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-018-0572-7

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.est.8b03052

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