国内土壤科研进展（2020年第15期）|研究

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在土壤碳循环方面取得重要进展等4则进展。

来源：根据复旦大学生命科学学院、中国科学院等单位网站近期相关报道整理

复旦大学聂明团队在土壤碳循环方面取得重要进展

8月6日，复旦大学生科院聂明团队在全球变化生态学研究领域取得重要进展。相关成果以《气温上升可能引发森林生态系统深层土壤碳的流失》（“Rising temperature may trigger deep soil carbon loss across forest ecosystems”）为题发表于《尖端科学》（Advanced Science）杂志。

因大气CO2浓度升高引起的全球变暖问题是21世纪人类社会所面临的最严峻挑战之一。全球土壤有机碳库储量约是大气碳库的三倍，因此通过土壤有机碳分解释放的CO2对大气CO2浓度有着重要的影响，进而改变区域乃至全球气候。土壤有机碳的分解强度受到温度的调控，其对温度的敏感性被认为是决定未来气候变化态势的关键因素之一，也是陆地气候预测模型的关键假设与重要参数。底层土壤储藏着与表层土壤相当的有机碳，然而以往研究主要集中于表层土壤，对底层土壤碳分解的温度敏感性还知之甚少，这直接制约了对未来气候变化态势的判断。

为此，该研究团队选取我国90个典型森林生态系统（图1），涉及热带雨林、亚热带森林、暖温带森林、寒温带森林与北方森林。每个森林中分6个土层采集了1米深度的土壤，探究土壤有机碳分解温度敏感性随土壤剖面变化的一般性规律及其调控机制。

图1 中国森林90个典型土壤剖面采样点空间分布图。

 研究发现，随着土壤深度的增加，有机碳分解的温度敏感性随之增大，表明底层土壤碳分解对全球变暖的响应更为敏感（图2a）。此外，表层土壤碳分解温度敏感性主要受气候因子调控，而底层土壤主要受气候因子和碳质量的共同调控（图2b）。

图2 土壤有机碳分解温度敏感性（Q10）随土壤深度增加而增大（a）及不同因子对Q10调控作用的相对贡献随土壤深度的变化（b）。

 该研究还发现，忽视土壤有机碳分解温度敏感性沿土壤剖面的变异，会极大低估土壤释放的CO2量（图3），强调急需将这一特征纳入到陆地气候预测模型中以提高预测精度。

图3 与多层模型（six-layer model；使用剖面变异的温度敏感性Q10值）相比，单层模型（single-layer model；将表层0–10 cm土壤的Q10值应用于整个土壤剖面）会低估本世纪末温度升高3°C时土壤碳排放，即高估土壤相对碳库（relative SOC stock）。

 据悉，聂明教授于2015年回国加盟复旦大学，近年来在全球变化生态学领域开展了相关研究，已取得系列进展（Science, 2018; Global Change Biology, 2020; Soil Biology and Biochemistry, 2017/2018×2/2020×2; Soil & Tillage Research, 2020; Geoderma, 2020; Environmental Research Letters, 2020; Science of the Total Environment, 2019; Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016/2017/2018/2020; Ecological Engineering, 2019）。

博士后李金全为该论文第一作者，聂明教授为论文通讯作者。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001242

植物所在土壤细菌群落多样性和酶动力学过程研究中获进展

人类活动导致的氮沉降上升威胁着全球陆地生态系统生物多样性。土壤细菌群落多样性占陆地生物多样性的很大比例，对于调节陆地生物地球化学循环和生态系统功能至关重要。已有研究发现，土壤细菌群落多样性和结构受植物群落的影响，但不确定土壤细菌对氮沉降的响应是否与地上植物群落的响应一致。因此，探讨土壤细菌和植物群落对氮沉降响应的异同及互作机制，对预测未来氮富集背景下植物与微生物之间的相互作用具有重要的科学意义。

中国科学院植物所刘玲莉研究组基于内蒙古温带草原多水平氮素添加试验平台，采用高通量测序和整合分析等方法，研究草地土壤细菌和地上植物群落对于外源氮输入的响应。研究发现，随着外源氮输入的增加，植物多样性呈线性下降。然而，细菌多样性对氮输入呈非线性响应，当氮输入量超过32 g N m-2 y-1，细菌多样性急剧下降，群落结构发生变化。结合同一研究区域中的4个多梯度氮添加实验的整合分析，进一步证实了细菌多样性对氮输入的非线性响应和阈值。研究人员分析发现，氮沉降下土壤细菌多样性和群落结构发生改变的机理不同。细菌多样性的丧失主要归因于土壤pH值降低，而细菌群落结构变化则由可利用氮增加、土壤酸化和植物群落改变共同调控，细菌群落由贫营养菌群向富营养菌群转变。该研究证实了植物群落和土壤细菌群落对氮富集的不同响应，发现土壤细菌多样性和群落组成对外源氮输入水平存在的阈值，为深入理解氮沉降下植物-微生物相互作用提供了新认识。

此外，研究人员通过分析土壤微生物水解和氧化酶的动力学过程参数Vmax和Km，发现外源氮输入下微生物呼吸降低由β-葡萄糖苷酶的Vmax和Km的降低直接调控。该结果否定了“氮沉降通过抑制酚氧化酶而减缓陆地生态系统土壤有机碳分解”的传统认知，为剖析土壤有机碳分解的微生物调控过程提供了新视角。

以上两项研究成果分别发表在Ecology和Soil Biology and Biochemistry上。副研究员刘卫星为论文第一作者，副研究员刘玲莉为论文通讯作者。研究工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助。

论文链接

https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ecy.3053

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071719303207

图1.土壤细菌多样性对氮输入的响应

图2.细菌群落组成对氮输入响应的调控机制

南京土壤所在小麦镉污染防治研究方面取得进展

小麦是主粮作物，土壤镉污染严重威胁小麦安全生产，降低镉在小麦中的富集能够有效降低人体重金属镉摄入风险，因此筛选小麦低镉积累品种并探明其镉积累生理机制具有重要理论与实践意义。

中国科学院南京土壤研究所周静课题组通过田间试验研究苏北地区主要8种小麦品种，发现小麦镉富集能力存在显著差异，籽粒镉富集主要取决于根、茎镉含量，茎中节点对镉在体内的迁移和分布具有独特的调节作用；通过对其维管束结构进行分析发现维管束面积与籽粒镉呈显著相关关系，特别是扩散性维管束（Diffuse vascular bundles）是决定旗叶、茎秆和小麦籽粒之间镉相对分布的关键因素。因此，筛选或选育根镉含量较低的或末节点中维管束面积较小的小麦品种是降低小麦籽粒中镉积累的有效措施。相关研究成果已发表在Science of the Total Environment上。

通过以上小麦品种筛选实验发现，小麦产量与小麦镉富集能力呈显著正相关关系，高产小麦存在较大的重金属镉富集风险，因此通过有效措施降低高产小麦籽粒镉含量，即可保证小麦高产的同时也降低风险。对镉高积累高产小麦品种（濮兴5号）和低积累低产品种（周麦26）叶面喷施和土壤施用微肥（硅、硒和锌）的实验发现，叶面喷施和土壤施用3种微肥均能有效降低高产小麦籽粒、根、茎、叶镉含量，其中土壤施硒能有效降低籽粒镉60%左右；对于低产小麦，仅土壤施用3种微肥能够显著降低籽粒镉含量，其中硒降低籽粒镉含量36-60%。硅、硒和锌通过提高SOD、POD酶的活性，降低MDA含量，显著缓解镉对小麦造成的氧化毒性。微肥在降低镉植物毒性的同时，通过促进TaNramp5基因表达的下调和TaTM20及TaHMA3基因表达的上调控制调节镉在小麦组织器官中的分布。该研究成果近期发表在Environmental Pollution和Journal of Hazardous Materials上。

以上研究工作得到了国家重点研发计划课题等的资助。

论文链接 

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138358

https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.115045

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123546

小麦节点形状和浓度与籽粒镉含量相关关系

叶面和土壤施用硒、硅、锌对低积累和高积累小麦品种镉富集的影响

华南植物园在西沙群岛植被土壤种子库分布规律研究中取得进展

近年来，我国西沙热带珊瑚岛的植被面临优势植物群落衰退、自然植被更新困难等问题。研究环境因子对热带珊瑚岛从中央到海岸边缘区域的植被和土壤种子库的影响，可为小岛屿利用土壤种子库进行植被恢复提供科学指导。

中国科学院华南植物园生态中心博士研究生黄耀在研究员任海的指导下，以西沙群岛东岛的中央-中间-海岸边缘区域的典型植被和土壤种子库为研究对象，探讨了地上植被、土壤种子库与环境因子的关系。研究发现，植被与种子库的相似性从中央区域向海岛边缘区域逐渐增加，珊瑚岛中央区域植被和土壤种子库的物种丰富度与土壤有机质、全氮和全磷呈正相关关系；海岸边缘区域植被和土壤种子库的物种丰富度与土壤pH呈正相关，这些变化可较好解释珊瑚岛不同植物群落随生境的分布规律。热带珊瑚岛中央区域植物群落的土壤种子库对植被恢复的贡献小，恢复潜力较差，恢复时可能要通过种植苗木实现；海岸边缘区域植物群落的土壤种子库对植被恢复的贡献大，恢复潜力较好。研究认为，对热带珊瑚岛整个岛屿的植被保护和恢复要根据不同空间的植被采取不同的管理策略。

相关成果发表在《生态指标》（Ecological Indicators）上。研究得到中科院战略性科技先导专项、NSFC-广东联合基金、广东省科技计划项目和中科院青年创新促进会的资助。

论文链接 

https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2020.106689

图1. 东岛中央区域的抗风桐林和海岸边缘的草藤本植物群落

图2. 对中央-中间-海岸边缘3个区域的地上植被与土壤种子库的物种组成差异

图3. 热带珊瑚岛中央-中间-海岸边缘区域植被、土壤种子库和环境因子之间的关系

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