国内土壤科研进展（2020年第14期）|研究

导  读

长期施肥水稻土团聚体和密度组分中的有机质稳定机制获得新进展等5则进展。

来源：根据中科院、中科院亚热带农业生态研究所、南京农大资环学院等单位网站近期相关报道整理

长期施肥水稻土团聚体和密度组分中的有机质稳定机制获得新进展

文/葛体达

稻田土壤约占中国总土壤固碳潜力的40％，因此其在缓解全球变暖，评估全球土壤固碳等方面起着重要作用。土壤固碳过程一般是通过碳库变化，团聚体形成，腐殖质形成等过程来评估，但很少有人表征团聚体之间和内部的碳通量。研究有机碳在土壤中积累过程并估算碳平均滞留时间的最有效方法是使用碳同位素示踪，但此技术需要使用¹³C或¹⁴C标记的植物材料或管理长期的C3/C4植被变化田间实验，往往比较费时费力。幸运的是，先前对旱地土壤的研究表明¹³C自然丰度可以成功揭示团聚体与土壤有机质（SOM）密度组分之间的碳稳定途径，证明了没有C3/C4植被变化的天然¹³C丰度方法是用于研究有机质来源的有效方法。但由于水稻土特殊的管理模式，如周期性干湿交替，氧化还原交替等，导致微生物介导的碳稳定的途径和方向显著区分于旱地土。 

为追踪稻田中的碳稳定途径，中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究团队利用¹³C自然丰度法，通过选择长期施肥的田间试验（未施肥的对照CK和NPK，NPK+S和NPK +M），分析土壤中的总碳，微生物生物量和溶解性有机碳含量，并根据团聚体大小将其分为三类（> 250 μm，53–250 μm和< 53 μm），进一步将每一级团聚体按照密度分级，分为fLF: 游离轻组分（ρ < 1.6 g cm^-3）; oLF: 闭蓄态轻组分（ρ < 1.6 g cm^-3）; DF: 重组分（ρ 在1.6和2.0 g cm^-3之间）和MF: 矿物质组分（ρ > 2.0 g cm^-3），最终根据碳含量和δ¹³C确定有机质的稳定途径。结果表明：与对照相比，所有肥料施用均使大团聚体（> 250 μm）至少增加了111％，最高的碳含量在大团聚体的MF_>2.0 组分中（图1）。与对照相比，施肥后SOC的同位素组成（δ¹³C）比对照中消耗的¹³C多，这表明施肥后SOM的分解减少以及在氧气限制条件下微生物对植物残体的分解被抑制（图2）。团聚体大小分类显示了从大团聚体到微团聚体的典型δ¹³C富集趋势，反映了水稻土和旱地土壤之间的相似性。基于δ¹³C自然丰度的团聚体和有机质馏分中的碳流动揭示了以下一般顺序：oLF > fLF > DF > MF，这种趋势与在旱地土壤中观察到的趋势几乎相反，体现了稻田土壤交替变化的氧化还原条件及缺氧条件下特殊的碳稳定途径（图3）。稻田土壤团聚体大小类别之间的碳流动路径遵循从宏观到微观团聚体的趋势。与轻组分相比，重组分的¹³C消耗更多，这表明低分子量有机物在粘土表面上快速稳定，并且浸入铁（氢）氧化物沉淀。 

稻田的淹水条件下，发生了一系列的过程：植物残体中溶解的有机碳（DOC）通量增加，其中一部分直接与粘土矿物相互作用，同时高浓度的DOC促进了粘土矿物中结构性Fe³⁺和Fe²⁺的释放，该羟基氧化物进一步与DOC发生共沉淀，降低了微生物可接触性，减少有机碳分解。与旱地土壤相比，稻田土壤中植物残体参与厌氧代谢（如发酵）后未被完全分解。缺氧条件下，糖酵解过程中有机肥料分解及根系分泌物释放的羧酸和氨基酸的脱羧作用要慢得多， 因此有机酸在溶液中的保留时间更长，这有助于与粘土矿物和（氢）氧化铁的相互作用。因此，水稻土的施肥增加了碳的积累，类似于旱地土，但是其稳定机制不同。 

该项研究近期以题为Organic matter stabilization in aggregates and density fractions in paddy soil depending on long-term fertilization: Tracing of pathways by ¹³C natural abundance发表在Soil Biology and Biochemistry上。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、湖南省自然科学基金创新群体项目的资助。 

图1 不同施肥土壤团聚体和各有机质组分的有机碳含量

图2 不同施肥土壤团聚体δ13C 和各有机质组分的Δ13C

图3 有机碳在土壤团聚体和密度组分中的流动示意图

沈其荣教授课题组在枯萎病土壤微生物特征解析及发病预测方面取得重要进展

镰刀菌枯萎病作为土传病害的典型代表，在世界范围内的多种作物频繁爆发。在过去的几十年里，相关学者进行了大量案例研究发现，尽管枯萎病爆发与土壤中病原菌丰度呈正相关关系，但并不存在可以确定是否发病的阈值。土壤是一个化学组成复杂、物理相系交错、生物及功能神秘的体系，对镰刀菌的存活及致病能力影响难以揭示，但普遍认为土壤抑病功能很难从个别微生物及功能上说明问题。因此，从分子生态学角度出发，以整合分析的方法来解析发病土壤微生物群落的普遍性特征，有望能为更好地防控土传枯萎病提供解决方案。

当地时间7月17日，南京农大沈其荣教授课题组通过对全球1500多个土壤测序样品的整合分析，在枯萎病土壤微生物特征解析及发病预测方面取得重要进展。研究结果以“Predicting disease occurrence with high accuracy based on soil macroecological patterns of Fusarium wilt”为题发表在国际微生物领域顶级期刊《The ISME Jounal》上。课题组袁军博士和博士生文涛为论文共同第一作者，沈其荣教授为通讯作者，美国亚利桑那州立大学的C Ryan Penton和美国农业部的Linda Thomashow参与了该项研究。

研究发现，较高的尖孢镰刀菌相对丰度是发病土壤的一个重要特征，但无法用于区分土壤的健康程度；健康土壤中非致病性镰刀菌和链霉菌相对丰度较高，表明其可能与维持土壤健康有关。该研究在解释群落特征的基础上，使用机器学习分别构建了细菌和真菌模型，该两种模型在区分健康和发病土壤方面准确度高达85%以上。并开放了在线比对服务，供其他研究者以测序数据用于健康和发病土壤的区分。

据了解，沈其荣教授课题组多年来从事土传病害的土壤微生物区系特征解析与防控等研究工作，先后在Nat Biotechnol, Nat Microbiol, Nat Commun, Sci Adv, The ISME J, Microbiome, Ecol Lett等国际顶级刊物上发表了研究论文，彰显了该团队在土壤微生物研究领域的领先地位。该研究受到了国家自然科学基金项目、农业公益性行业专项、江苏省自然科学基金等项目的资助。

全文链接

https://www.nature.com/articles/s41396-020-0720-5

华南植物园氮沉降和降雨增加对土壤生物群落组成影响研究取得进展

大气（湿）氮沉降升高和降雨增加在自然界经常是同时发生，并产生交互作用而影响到陆地生态系统，尤其是氮限制的温带森林。然而对于两者的交互作用如何影响土壤生物群落目前并不清楚。

中国科学院华南植物园生态中心恢复生态学团队利用河南鸡公山林冠氮沉降平台，以鸡公山温带落叶阔叶林土壤线虫群落为研究对象，通过林冠喷施模拟氮沉降和增雨（年降雨量增加30%），研究了土壤生物群落组成对氮沉降和增雨增加的响应。研究发现，施氮增加了某些食细菌线虫和食真菌线虫的数量，从而对线虫群落呈正效应。与之相反，增雨抑制了这些线虫类群，尤其是与土壤食物网中养分富集功能相关的线虫类群。此外，同时施氮增雨处理下的线虫群落组成并没有显著变化。研究结果表明，当氮沉降和降雨增加同时发生时，氮沉降对温带森林生态系统土壤生物群落的正效应可能被降雨增加抵消。本研究进一步揭示了森林生态系统土壤生物群落组成对全球变化因子间交互作用的响应规律，有助理解全球变化背景下森林生态系统生物多样性维持机制和生态功能变化。 

相关研究结果已发表在《土壤生物学与生物化学》（Soil Biology & Biochemistry）上。本研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中科院青年创新促进会优秀会员等项目的资助。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107869

南亚热带森林恢复过程中土壤有机碳的周转动态研究取得进展

热带和亚热带地区半数以上森林为再造林后的次生林，阐明森林恢复过程中土壤碳库的动态机制对全球碳平衡过程至关重要。以往关于再造林后土壤碳库的动态研究多集中在土壤有机碳储量的变化，较少关注土壤有机碳的周转速率。

近期，中国科学院华南植物园鼎湖山站博士熊鑫在研究员张德强、邓琦指导下，以南亚热带森林为研究对象，选取地带性顶级群落季风常绿阔叶林，以及其恢复演替序列中代表不同恢复年限和恢复策略的五个次生林，根据森林恢复过程中土壤δ13C和有机碳含量沿剖面的变化规律，估算了森林不同恢复阶段土壤有机碳的周转速率，探究了不同恢复年限及恢复策略对土壤有机碳存储和周转动态的影响。

研究发现，土壤含水量和容重是影响土壤有机碳周转速率的主要环境因子；退化林地重新造林后，表层（0-30cm）土壤有机碳储量可在31年内恢复到未受干扰的原始林水平，但土壤有机碳的周转速率仍显著高于原始林，不论树种组成和恢复策略；树种组成不同但林龄相同的人工林间，土壤有机碳的周转速率没有显著差异，但却显著低于同林龄的自然恢复次生林。研究表明，土壤有机碳周转速率的恢复较碳储量而言更为缓慢；林龄而非树种组成是限制南亚热带地区森林恢复过程中土壤碳库存储与周转动态的主要因子；相较于自然恢复，人工恢复策略能更快速地恢复退化林地的土壤固碳能力。

相关成果发表在《森林生态与经营》上。研究得到国家自然科学基金、中科院前沿科学重点项目、南方海洋科学与工程广东省实验室人才团队引进重大专项等项目资助。

论文链接 

https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.117988

武汉植物园在入侵植物根围土壤线虫群落研究中取得进展

植物入侵会对当地生物群落和生态系统产生影响，威胁着当地生物的多样性。作为土壤生态系统的重要组成成分，土壤线虫群落会受到入侵植物的影响。然而，入侵植物在入侵地并未完全逃逸地上植食性昆虫的取食危害，入侵植物对土壤线虫群落的影响是否会受到地上植食性昆虫取食的调控影响，尚不清楚。

中国科学院武汉植物园入侵生态学学科组博士生刘佳在研究员黄伟和河南大学教授丁建清的指导下，以入侵植物空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）为实验材料，开展温室盆栽实验，施加三种不同的昆虫取食处理[无昆虫取食、专食性昆虫莲草直胸跳甲（Agasicles hygrophila）取食、广食性昆虫虾钳菜披龟甲（Cassida piperata）取食]，并在处理结束后的第1、10和20天测定盆栽土的土壤线虫群落结构。结果表明，昆虫取食处理会提高空心莲子草根围土壤线虫的丰度，特别是植食性线虫，但这种促进作用仅出现在处理结束后初期。随着时间推移，这种影响逐渐减退，并在后期完全消失。此外，专食性昆虫和广食性昆虫的影响并不存在明显差异。研究表明在评估入侵植物的影响时，需要同时考虑地上和地下生物群落，这对于更深入全面地探究和理解植物入侵的影响具有重要意义。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助。相关研究成果以Aboveground herbivory increases soil nematode abundance of an invasive plant为题，发表在Journal of Plant Ecology上。

论文链接 

https://doi.org/10.1093/jpe/rtaa027

不同昆虫取食处理对空心莲子草根围土壤线虫丰度的影响

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