国内土壤科研进展（2020年第17期）
导 读
土壤中亲水和疏水性有机碳矿化与激发效应的微生物机制研究进展等6则进展。
来源：根据中国科学院、中国科学院亚热带农业生态研究所、中国科学院沈阳应用生态研究所、南京农业大学资环学院等单位网站近期相关报道整理。
土壤中亲水和疏水性有机碳矿化与激发效应的微生物机制研究进展
文/邓少虹
土壤可溶性有机质是土壤有机碳分解矿化的重要中间形态，也是微生物主要的能量来源。将可溶性有机质区分为亲水性和疏水性两类不同性质的化合物，有助于阐明土壤有机质的微生物分解机制。
中国科学院亚热带农业生态研究所苏以荣研究员团队以13C-标记秸秆中提取的亲水、疏水可溶性有机碳为材料，研究了亲水、疏水可溶性有机碳在两种不同土壤（旱地和水田）中的矿化及激发效应。结果表明，培养前期，亲水性碳本身矿化和激发效应快于疏水性碳，对土壤有机碳矿化的累积激发量也大于疏水可溶性有机碳；培养结束时（40天），两种有机碳的矿化量及其累积激发量差异不显著。磷脂脂肪酸 (PLFAs）结果表明，两种土壤中细菌偏好利用亲水性碳，真菌偏好利用疏水性碳。根据细菌和真菌的不同生长策略：细菌为快速生长r-策略者、真菌为慢速生长型K-策略者，其激发效应以表观激发和真实激发为主。正是由于细菌和真菌对亲水和疏水性有机碳的偏好利用，导致前期亲水性碳的矿化和激发效应强度大于疏水性碳。研究为解释土壤有机碳激发效应的微生物机制提供科学依据。
研究以题为Preferential uptake of hydrophilic and hydrophobic compounds by bacteria and fungi in upland and paddy soils和Divergent mineralization of hydrophilic and hydrophobic organic substrates and their priming effect in soils depending on their preferential utilization by bacteria and fungi分别发表在Soil Biology and Biochemistry和Biology and Fertility of Soils上。该研究得到了国家自然科学基金(41671298，41877035，31870503，41977100)和广西自然科学基金（2018GXNSFAA138020）等项目支持。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720301760
https://link.springer.com/article/10.1007/s00374-020-01503-7
旱地和稻田土壤中亲水、疏水性有机碳在细菌和真菌PLFAs的转化量，及其在细菌和真菌总PLFAs中所占的比例
亲水、疏水有机碳的土壤激发效应机制示意图
武汉植物园揭示根际效应促进土壤团聚体稳定性及其有机碳固定机制
长期以来，位于南水北调丹江口库区的淅川县石漠化和水土流失较为严重，曾对当地生态环境造成严重破坏，对社会经济发展造成不利影响。石漠化造成严重的水土流失，大面积基岩裸露，土地生产力严重降低，景观同质化。近年来，当地政府实施了封山育林、荒山造林、退耕还林还草等措施。森林面积迅速增加，石漠化进程得到有效遏制，石漠化程度显著降低。然而，库周大面积存在的人工林地由于地力贫瘠，植被生长极为缓慢，地力提升有限，存在“远看绿油油，近看水土流”的现象。因此，有必要开展石漠化地区植被恢复过程中土壤质量改善和固碳等相关理论研究。
土壤团聚体是由土壤颗粒自然形成的颗粒或小团块结构，土壤团聚体的稳定性是预测土壤水分流失和土壤侵蚀能力的重要指标。团聚体的稳定性会影响与土壤侵蚀相关的过程，如入渗、结皮和沉积物生成。此外，土壤团聚体是土壤有机碳（SOC）固定的主要场所。据估计，陆地生态系统表土中约90%的SOC固定在土壤团聚体中。土壤团聚体受多种因素影响，如植物根系的生长、土壤理化性质、土壤动物和微生物的活动以及人工管理。植物根系有效地控制土壤侵蚀，稳定土壤结构，对土壤团聚体的形成和土壤有机碳的固存起着至关重要的作用。因此，探讨土壤团聚体的稳定性对防止土壤侵蚀、保持土壤肥力、提高土壤固碳潜力具有重要意义。
中国科学院武汉植物园研究人员在河南丹江湿地国家级自然保护区内，对须根系和直根系植物的根际和非根际土壤进行采样分析，研究不同粒径团聚体中的稳定性分布、SOC含量和δ13C动态去向。结果发现，根际效应显著提高了土壤团聚体的稳定性，促进了土壤团聚体固碳。稳定同位素分析发现，SOC会随着土壤团聚体周转在不同大小团聚体中迁移流动，总的流动方向表现为从大团聚体向小团聚体流动，且根际区域内团聚体间C的流动大于非根际。对于土壤团聚体稳定性和有机碳的固定，须根系植物的根际效应明显强于直根系植物。
本研究是建立在武汉植物园与大自然保护协会（TNC）合作的基础上，目的是评估石漠化植被恢复过程中根际效应对土壤团聚体稳定性的影响；探讨根际和非根际土壤团聚体固碳机制上的差异，期望通过植物根际调控土壤结构的稳定性，增强土壤侵蚀抗性和SOC固定，为后续石漠化植被恢复策略提供了理论基础。
该研究结果以Rhizosphere effects promote soil aggregate stability and associated organic carbon sequestration in rocky areas of desertification为题发表在学术期刊Agriculture, Ecosystems and Environment上，受到国家自然科学基金(31971532)和大自然保护协会丹江项目的支持。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.agee.2020.107126
不同根系类型植物根际与非根际土壤团聚体系统中有机碳流动示意图
华南植物园揭示草地和森林两类生态系统土壤呼吸对降水量变化的不对称响应
气候变暖导致水循环过程增强，使全球范围内极端降水事件引起的旱涝灾害发生频率提高，这将对陆地生态系统碳循环产生显著影响。研究表明，地上净初级生产力对极端降水量变化的响应为非线性，且显著区别于其对中强度降水量变化的响应。然而，作为碳循环关键过程的土壤呼吸对极端降水变化的响应并不清楚。
中国科学院华南植物园生态中心博士后杜悦在合作导师闫俊华和王应平的共同指导下，以全球248篇降水量变化控制实验研究论文的观测数据为基础，分析草地和森林两类生态系统土壤呼吸对降水量变化的响应。发现草地和森林两类生态系统土壤呼吸对降水量变化的响应表现为不同的非线性（如图）。在草地生态系统中，土壤呼吸的响应为负不对称性（negative asymmetry，对降水量减少的敏感性更大）。在森林生态系统中，土壤呼吸的响应随着降水量变化的强度而呈现不同模式，在中强度降水量变化条件下表现为正不对称性（positive asymmetry，对降水量增加的敏感性更大），而在极端降水量变化条件下为负不对称性。该结果将为预测土壤碳动态对降水量变化的响应和反馈提供可靠依据。草地和森林两类生态系统土壤呼吸对极端降水量变化的响应表现为一致的负不对称性，预示着在未来降水量变异增大（极端降水事件频发）的情形下，土壤碳排放将显著降低。
相关研究结果发表在Global Change Biology（《全球变化生物学》）上。研究工作得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等的资助。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.15270
土壤呼吸与降水量变化百分比的相关关系
东北地理所等在东北黑土区切沟侵蚀过程研究方面获进展
东北黑土区作为国家最大的商品粮生产基地和重要的生态安全屏障区，目前面临水土流失加剧，沟道侵蚀严重等问题。研究沟蚀发育关键过程和作用机制，可为黑土区切沟侵蚀防治、修复措施选择与决策提供科学依据和支撑。梯田作为治理坡耕地、提高农业产量的一种农业生产方式，同时也是一重要的水土保持田间工程措施。然而，在全球社会经济发展背景下，大面积的梯田趋于荒废，不仅浪费了土地资源，还易导致严重的土壤侵蚀、坡面崩塌等土地退化问题。但东北黑土区的切沟侵蚀仍呈发展态势，侵蚀面积和强度在增长，切沟数量和密度在增加。目前关于农业梯田在退耕还林后对于切沟发育的影响还缺乏直接证据。
针对以上问题，中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员张斌团队等基于野外考察研究基础，选取东北黑土区5条发育在林地中的典型活跃型切沟进行详细测量和地貌绘图，结合历史遥感影像分析、无人机和差分GPS测量、村民访谈等方法，研究切沟发育的形态学特征以及与农业梯田和退耕还林的关系。
研究结果表明，经过长期大规模的农业梯田和退耕还林等水土保持措施，研究区内多数切沟已趋于稳定，但仍可见林地下有活跃切沟发育。活跃在梯田林地上的切沟与常见切沟形态有较大差异，多见扭曲的“S”型、“之”字型和肋状。农业梯田的不合理设计和修建，以及废置后的不及时检查和维护，导致梯田面有倾斜坡度或梯田梗缺失，是研究区林地下密集的活跃切沟发育的主要原因。本研究建议增修垂直于梯田梗的截留土坝，以拦截径流，增加入渗，对于已经还林的农业梯田，应该引起更多关注，重点定期检查和维护。
该研究工作近期在线发表于Science of the Total Environment期刊，东北地理所博士研究生温艳茹为论文第一作者。该项研究工作得到了国家重点研发专项（2017YFC0504202）的资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896972035244X
图1 倾斜梯田汇集地表径流导致切沟发育
图2 “S”形切沟地形图及梯田剖面倾斜度示意图
沈阳生态所揭示团聚体周转动态与根际激发效应的紧密关联
根系既能驱动土壤团聚体周转（aggregate turnover），在团聚体的形成（formation）和破碎（breakdown）过程中调控土壤有机碳的稳定和分解，也能驱动根系-土壤互作，产生根际激发效应（rhizosphere priming effect，RPE）。然而，受限于方法，二者间的机制性联系目前仍停留在假说阶段（即“团聚体周转假说”），缺少直接实验证据。
鉴于此，中国科学院沈阳应用生态研究所地下生态过程团队借助稀土氧化物标记和天然13C同位素示踪技术，发现植物生长和种类显著影响团聚体周转速率，总体表现为团聚性增加（aggregation），即大团聚体（larger aggregates）形成大于破碎过程，物种间团聚体周转速率的差异与细根属性有关；植物种间根际激发效应的差异与团聚体周转速率的差异趋于一致，意味着二者之间存在着显著的正向关联。基于这些新发现，发展了一个以团聚体周转为核心的土壤有机碳动态变化框架——“key”模型（图1）：根系加速的团聚体周转引起的团聚体破碎过程可提高根际激发效应，同时团聚体形成过程可固持根源碳，二者的平衡调控土壤碳的动态变化。该模型将为精确预测土壤有机碳动态提供理论参考。
图1 以团聚体周转为核心的土壤有机碳动态变化框架——“key”模型
该成果近期以“Rhizosphere priming is tightly associated with root-driven aggregate turnover”为题在Soil Biology & Biochemistry在线发表。地下生态过程组博士生王小红和阴黎明助理研究员为共同第一作者，王朋研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720302601
南京农大土壤微生物与有机肥团队揭示作物根际微生物组结构和功能的装配机制
根际微生物组作为植物的第二基因组，对植物生长和健康具有重要作用，调控根际微生物组可以促进植物生长并提高植物耐受环境胁迫的能力。然而，目前根际微生物组结构和功能的装配过程仍主要以描述性研究为主，我们对根际微生物组结构和功能装配的内在机制并不清楚。
近日，土壤微生物与有机肥团队张瑞福教授课题组通过对玉米根系不同空间生态位特征微生物类群的追踪，获得了玉米根际微域的微生物组迁移特征，并提出了根际微生物组结构和功能的补偿装配机制。结果表明根际微生物组的结构装配是土壤微生物组“自外而内”和根内微生物组“自内而外”共同完成的动态装配过程，其中土壤类型和根系空间生态位是玉米根系微生物组结构装配的重要驱动因子。同时，受到土壤有效养分含量的影响，根际微生物组的功能装配存在补偿装配的机制。研究发现，根际微生物组的主要功能是提高作物耐受非营养胁迫能力相关的功能和参与土壤养分转化相关的功能。在土壤有效养分均衡的土壤中，提高作物耐受非营养胁迫能力相关的功能重要性最高，其次是参与土壤养分转化相关的功能；在土壤有效养分过剩的土壤中，根际微生物组中参与土壤养分转化相关的功能会被边缘化，其重要性下降；而在土壤有效养分缺乏的土壤中，作物可以通过调节参与土壤养分转化相关功能的关键微生物在根际补偿性定殖，同时作物会牺牲部分提高其耐受非营养胁迫能力相关的功能来满足养分转化的功能需求。该研究以“Functional compensation dominates plant rhizosphere microbiota assembly”为题发表在土壤学期刊《Soil Biology & Biochemistry》上。
根际微生物组功能补偿机制
该课题组任轶博士和荀卫兵副教授为论文共同第一作者，张瑞福教授和荀卫兵副教授为论文共同通讯作者。张瑞福教授课题组近年来在土壤及植物微生物组的装配机制方面取得一系列成果，相关工作在Nature Communication, Microbiome, Environmental Microbiology, Soil Biology & Biochemistry等国际期刊发表。该研究得到中国科协青年人才托举工程和中央高校基本业务费等项目的资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720302649
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