国内土壤科研进展（2020年第21期）
导 读
在微生物群落环境响应研究方面取得新进展等9则进展。
来源：根据中国科学院、中科院城市环境研究所、中科院南京土壤研究所、中国农科院等单位网站及土壤与农业可持续发展国重室公号近期相关报道整理
城市环境研究所在微生物群落环境响应研究方面取得新进展
土壤水分条件是微生物呼吸活性及生态功能实现的重要决定性因素，无论是干旱或极端淹水均不利于土壤中的多数微生物实现最佳的能量生产与代谢。土壤从干旱向淹水的转变过程会在短时间内迅速发生，微生物活动受到刺激并进一步被抑制，但是我们对该过程中的潜在微生物响应机制仍缺乏足够的了解。
基于此，中国科学院城市环境研究所姚槐应研究组通过土壤DNA与RNA的提取，在基因和转录水平上对细菌和真菌的rRNA基因片段进行高通量测序分析，比较了水稻土在淹水过程中当前所有（the total/present community）与潜在活性状态的微生物群落（the potentially active community）变化的差异，并分析了微生物在土壤迅速淹水后的群落演变轨迹。结果表明，细菌群落比真菌群落对淹水的响应更为敏感，且与酶活性相比，土壤呼吸与群落结构的变化具有更强的相关性；按照细菌物种相对丰度在时间上的聚类情况，细菌群落被分为快速、中间和延迟三种不同应答模式，其中各模式的群落在系统发育上存在保守关系，特别是由芽孢杆菌主导的中间应答模式菌群，可能在土壤生态系统过程扮演着重要的生态角色。研究结果揭示了微生物群落迅速响应稻田土壤淹水过程的分子生态学机制。
上述研究结果以“Similar but Not Identical Resuscitation Trajectories of the Soil Microbial Community Based on Either DNA or RNA after Flooding”为题发表于Agronomy（Agronomy, 2020, 10, 502, doi:10.3390/agronomy10040502）。朱义族硕士研究生为论文第一作者，姚槐应研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（41761134085, 41525002, 41877051）项目的支持。
论文链接
https://doi.org/10.3390/agronomy10040502
图1.淹水后基于DNA与RNA的土壤细菌属相对丰度在时间上的变化热图
图2 淹水后土壤微生物活性与细菌或真菌群落变化的关系
城市环境研究所在生物炭降低茶园土壤N2O排放并改变微生物群落方面取得进展
氧化亚氮（N2O）作为一种重要的温室气体，其减排对策的研究逐渐受到人们的重视。土壤是N2O排放的重要来源之一，其中农田土壤占60%以上。茶园农田生态系统大量施氮和土壤酸化等问题导致其具有较高的N2O排放系数的农田土壤生态系统。
生物炭可以很大程度上改变土壤物理性质和化学性质，其潜在的“石灰效应”可以提高土壤的pH。再者，生物炭通过降低铝等有害离子的毒性和移动性及营养元素的可利用性，来提高土壤的肥力、增加作物产量。近来，生物炭土壤N2O减排效应已经广为报道，并在一定程度对其中机制有所探究，比如在厌氧条件下，生物炭可以调节土壤pH、土壤持水量、通气性和底物的可利用性来限制或调节反硝化过程降低土壤N2O排放。然而，生物炭施用对于茶园土壤中氨氧化微生物和真菌的影响却不是非常明确。
中国科学院城市环境研究所姚槐应团队以中国著名产茶区杭州西湖龙井种植区选取经过长期施肥的茶园土壤作为研究对象。通过不同生物炭添加来探究其对于茶园土壤的理化性质、N2O排放和土壤微生物群落的影响。通过对比对照处理和添加1％（质量比）的两种生物炭（豆科类生物质炭（legume biochar，LB）和非豆类生物质炭（Non-legume biochar，NLB））的微宇宙培养试验，系统研究了生物炭对茶园土壤N2O排放、理化性质和微生物群落结构的影响。生物炭添加改变了茶园土壤的理化性质并降低了土壤N2O的排放。其中，生物炭的减排效应是基于其添加对土壤pH、无机氮和DOC和真菌群落及反硝化过程功能基因nosZ丰度等的改变所引起。这些结果为茶园土壤生物炭添加提高茶园土壤健康提供了重要的理论支持与证据。
研究结果以Biochar suppresses N2O emissions and alters microbial communities in an acidic tea soil为题，发表于Environmental Science and Pollution Research，2019, 26, 35978。博士生郑宁国为第一作者，姚槐应研究员为通讯作者。该研究得到中国科学院战略重点研究项目和国家自然科学基金项目等的资助。
论文链接
https://doi.org/10.1007/s11356-019-06704-8
土壤pH（a）、无机氮（b、c）和溶解有机碳（DOC）（d）在30天的单独培养图
城市环境研究所在绿肥替代化肥的研究取得研究进展
近日，中国科学院城市环境研究所姚槐应团队利用15N同位素标记方法，研究了绿肥替代一部分化肥条件下水稻氮素的吸收特征和肥料氮素的去向。为土壤-植物-微生物相互作用中的氮素循环提供了直接证据，相关结果以Green manure application improves rice growth and urea nitrogen use efficiency assessed using 15N labeling为题，发表在soil science and plant nutrition上。孟祥天博士研究生为第一作者，姚槐应研究员为通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划，国家自然科学基金和宁波市科技局资助。
水稻是我国重要的粮食作物，是接近一半人口的口粮。化肥的发明减轻了我们面对粮食短缺问题的压力，同时也带来了新的挑战，如肥料氮素利用率低，肥料的损失对环境造成污染等等。绿肥还田是提高作物产量，增加氮素利用率的田间管理有效手段之一。本研究设置15N同位素分别标记尿素和紫云英的盆栽实验，共4个处理，不施肥处理（CK），100%尿素处理（U），80%尿素+紫云英处理（UC1），60%尿素+紫云英处理（UC2）。
结果表明，和尿素处理（U）相比，添加紫云英+尿素处理（UC1和UC2）显著增加了水稻干重（15-16％），氮含量（4-13％），氮吸收量（22-30％）和尿素氮利用率（203％-182％）。随着尿素输入量的减少，紫云英氮利用率增加。紫云英的添加改善了尿素氮的去向，尿素氮被吸收量约29%，显著高于单施尿素的10%，残留在土壤约15%，显著高于单施尿素的9%。尿素氮和紫云英氮相比，更多的被吸收和损失，而紫云英氮更多的残留于土壤中。因此，通过绿肥替代部分化肥是促进作物生长和提高肥料利用效率的有效方法。
论文链接
https://doi.org/10.1080/00380768.2019.1635872
南京土壤所在多营养级互作决定丛枝菌根真菌促进植物生长方面取得进展
土壤真菌群落组成复杂多样，包括了从植物病原菌到共生菌等功能多样的物种。共生菌中的丛枝菌根真菌（AMF）可以帮助植物获取生长所需的磷素（P）。虽然已揭示了植物宿主和非生物因素与AMF群落的联系，但对于较高营养级的土壤动物（原生生物和线虫）如何通过捕食作用影响AMF群落结构和功能尚未揭示，无法建立有效的线虫定向调控措施，提升植物生产力和养分利用率。
南京土壤所孙波课题组基于旱地红壤有机培肥试验，探讨了长期施用猪粪条件下AMF、食真菌原生动物和线虫之间的互作关系，揭示了微食物网中真菌途径对根际磷转化和植物生产力的促进机制。结果表明，施用有机肥提高了AMF生物量和食真菌线虫数量，AMF、食真菌原生动物和线虫群落结构显著差异。食真菌原生动物和线虫的捕食作用刺激AMF生物量增加，显著改变了AMF群落组成。通过对线虫肠道AMF的检测发现，高肥处理下，食真菌线虫优势属滑刃属（Aphelenchides）和真滑刃属（Aphelenchus）肠道中AMF丰度更高，提示两种优势线虫对AMF的取食效应更强。AMF-食真菌动物的相互作用增加了AMF在玉米根部定殖以及植物中P转运蛋白基因ZMPht1;6的表达水平，提高了植物生产力。本研究强调了AMF、食真菌原生动物和线虫间互作关系在驱动植物磷吸收和生产力方面的重要生物机制，为促进作物高产提供理论依据。
该研究成果发表在Microbiome期刊上。研究工作得到国家优秀青年基金，江苏省杰出青年基金和国家重点研发计划项目的资助。
文章链接：
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00918-6
土壤性质、AMF-原生生物/线虫互作对AMF定殖、磷转运蛋白和植物生产力的影响
南京土壤研究所在多环芳烃污染农田土壤生物修复研究取得进展
多环芳烃（PAHs）是我国农田土壤中主要有机污染物类型之一。针对面广量大的污染农田土壤，原位生物修复是一种绿色高效、环境友好的修复措施。南京土壤研究所蒋新研究员团队针对PAHs污染农田，利用大宗农业废弃物为原料制备生物质炭，提出生物质炭阻控-植物根际强化降解协同修复措施，系统阐明了根际环境中生物质炭-污染物-微生物多界面交互作用，实现安全高效的边生产、边修复过程。
研究发现在添加秸秆生物质炭的植物根际环境中PAHs消解最快、PAHs降解相关功能菌属和基因丰度最高、微生物组相互作用关系最紧密。结合土壤代谢组学技术率先构建了根际土壤中PAHs降解全过程网络，明确了生物质炭-植物根际联合不仅促进了功能微生物对PAHs的直接降解，而且调控了土壤中与PAHs降解密切相关的脂类、糖类和氨基酸等的代谢过程，协同促进PAHs降解。进一步通过基于全球999组数据整合分析证实土壤中添加生物质炭显著提高微生物生物量、而对微生物群落多样性的影响不一。添加生物质炭土壤中微生物生物量和多样性分别受生物质炭性质和土壤性质因子主导，这为生物质炭在污染土壤修复中的选择应用提供了理论依据。针对长三角地区PAHs污染农田，明确了低温制备型生物质炭与水旱轮作种植模式相结合既能高效降低PAHs环境风险、保障食品安全，又有利于污染土壤微生物生态环境的恢复与重建。该研究首次耦合了污染胁迫土壤中微生物基因组与代谢组生物信息，明确了长期污染农田土壤中土著微生物可用、可调，PAHs可阻、可降的机制与机理。
代表性成果发表在Environment International、Journal of Hazardous Materials、Science of Total Environment等期刊。
代表性论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412020319504?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389420321130?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720351226?via%3Dihub
土壤与农业可持续发展国家重点实验室在铁解作用影响可变电荷土壤吸附含氧酸根阴离子的研究方面取得进展
铁铝氧化物是可变电荷土壤中含氧酸根离子的主要吸附载体，砖红壤发育的水稻土遭受水耕人为作用导致氧化铁形态和数量发生强烈变化，然而我们对砷酸根、磷酸根、铬酸根等含氧酸根阴离子的吸附行为如何响应这一变化知之甚少。土壤与农业可持续发展国家重点实验室徐仁扣研究团队从土壤表面电化学性质、吸附热力学、吸附动力学等方面开展了一系列的研究工作。
通过砷酸根吸附等温线、zeta电位、吸附动力学、pH影响和与磷酸根竞争吸附等实验，比较了砷酸根在水稻土和砖红壤表面的吸附亲和能力。结果表明，铁解作用导致水稻土中游离氧化铁含量显著降低，而无定形氧化铁增加。由于无定形氧化铁活性更高，砷酸根在水稻土上吸附量的降低幅度略逊于游离氧化铁含量的下降。吉布斯自由能、吸附动力学、zeta电位等数据证明砷酸根在水稻土和砖红壤上发生了明显的专性吸附。解吸实验的数据也表明非静电吸附是砷酸根的主要吸附机制，占比达91–95%。随着体系pH值的增加和磷酸根的加入，砷酸根的吸附受到强烈抑制。因此，水稻淹水种植过程中所导致的酸性土壤pH升高以及大量磷肥的施入将造成土壤已固定砷酸根的活化，加剧砷污染危害，应引起重视。
进一步研究了磷酸根在完整土体和不同粒径土壤颗粒表面的吸附/解吸行为，发现虽然游离氧化铁铝物质是可变电荷土壤中磷酸根的主要吸附载体，但由于比表面积更大、活性位点更多的无定型铁铝氧化物含量的增加，部分抵消了水稻土中游离铁铝含量下降对吸附的影响。通过搅流池、zeta电位、XPS等技术，研究铬酸根在砖红壤发育水稻土表面吸附特征，发现铬酸根在砖红壤上的吸附容量明显高于水稻土，但当去除有机质后，铬酸根吸附容量分别下降18.0%和41.3%，表明铬酸根的吸附受到土壤有机质的制约。解吸实验和zeta电位结果表明，铬酸根在砖红壤和水稻土表面也主要以非静电吸附机制为主。动力学实验结果表明，铬酸根在水稻土和砖红壤表面的吸附符合假一级动力学方程，研究发现游离金属氧化物是铬酸根的主要吸附载体。因此，水稻耕作对可变电荷土壤表面电化学性质及各种含氧酸根阴离子的吸附特性有着显著影响。
上述研究结果分别发表在Chemosphere, Soil & Tillage Research和Science of the Total Environment期刊上，姜军副研究员以及硕士研究生赵震杰和华辉为研究工作的主要完成人。以上研究得到了国家重点研发计划项目(2017YFF0108201和2019YFC1803403)和国家自然科学基金(441771275和41371245)的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.03.115
https://doi.org/10.1016/j.still.2018.07.012
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140868
水耕人为作用对铬酸根吸附特征的影响及其机制
研究揭示秸秆还田对农田重金属铬活性影响分子机制
近日，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所退化及污染农田修复创新团队系统揭示了秸秆还田条件下土壤中重金属铬迁移转化的分子机制，为铬污染农田的安全利用提供了理论依据。相关研究成果在线发表在《环境科学与技术(Environmental Science & Technology)》上。
据杨建军研究员介绍，重金属铬作为主要污染物之一，常见的价态有三价和六价，其中六价铬（Cr(VⅠ)）具有剧毒可致癌，三价铬（Cr(Ⅲ)）毒性较低。然而，高浓度Cr(Ⅲ)的累积或是土壤中Cr(Ⅲ)被氧化物（如锰矿物）所氧化均可增加土壤铬污染的环境风险。秸秆还田是我国提倡的一项农艺措施，具有提高土壤肥力、改善土壤结构、减少大气污染等诸多优点。同时，还田秸秆所释放的可溶性有机碳会与土壤铁氧化物作用进而生成具有反应活性的有机质-水铁矿共沉淀体（OFC）。因此，深入研究OFC对Cr(Ⅲ)的吸附机制具有重要意义。
研究通过水稻和油菜两种农作物秸秆提取的可溶性有机碳与三价铁共沉合成的OFC为研究对象，系统探究了OFC吸附Cr(Ⅲ)的动力学，吸附量以及环境条件的影响，并利用同步辐射技术揭示了Cr(Ⅲ)在OFC上吸附的分子机制。研究发现有机质含量的增加可以抑制OFC对Cr(Ⅲ)的吸附，而pH增加则有利于Cr(Ⅲ)的吸附固定；进一步研究发现OFC中的水铁矿和有机质是Cr(Ⅲ)的主要吸附相；其中有机质上的羧基官能团对Cr(Ⅲ)的固定起到重要作用。
有机质-水铁矿共沉淀体吸附三价铬机理示意图
该研究得到国家重点研发专项、国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程项目支持。（通讯员 王佳）
原文链接
https://dx.doi.org/10.1021/acs.est.0c02872
新疆生地所揭示咸海岸上土壤微生物与植物内生菌对土壤地球化学与矿物组成变化的响应差异及原因
研究湖域退缩与湖水咸化对咸海湖岸生态组演化的影响具有重要的生态学意义，有助于解释湖岸生态组与环境条件间的相互作用。伴随咸海湖面退缩，干涸的湖床出露地表，被逐渐风化为土壤，形成广泛的现代环境参数梯度（如盐度），咸海是研究湖岸生态组响应湖域退缩的理想场所。目前，对于湖泊持续干涸导致岸上土壤中微生物如何随土壤地球化学和矿物学演化而变化的研究较为有限。
中国科学院新疆生态与地理研究所极端环境微生物研究团队研究员蒋宏忱、副研究员李丽、研究员李文均，与乌兹别克斯坦国立大学教授Dilfuza Egamberdieva，在咸海海岸采集不同出露时间（1970年至2018年）区域中的土壤/沉积物样品与各土壤区内优势植物体（地上部分）样品，对土壤进行地球化学和矿物组成分析，发现岸上土壤中的总可溶性盐（TSS:0.4-0.5 g/L至71.3 g/L）和蒸发岩矿物（如石膏、石盐）从远岸到近岸逐渐增加；采用Illumina测序技术，分析土壤与优势植物地上组织中的细菌和古菌群落构成，发现土壤中微生物多样性随可溶性盐分的增加而降低，样品间微生物群落的差异性与石膏和方解石矿物含量呈正相关；在所测环境变量中，矿物对所观察到的微生物变异贡献最大（如图）。相比而言，优势植物地上组织中的内生微生物群落与所测土壤地化变量无关，表明它们对土壤地球化学和矿物学变化的响应不同于对应的土壤微生物群落。该研究有助于了解咸海岸上土壤微生物群落对持续干旱引起的水位降低的响应，并为评估环境变化给湖岸生态组的影响提供科学理论依据。
相关研究成果以Onshore soil microbes and endophytes respond differently to geochemical and mineralogical changes in the Aral Sea为题，发表在Science of The Total Environment上。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142675
咸海岸边土壤地化与根际微生物/植物内生菌多样性相关性及土壤微生物的控制因素贡献
喀斯特草地生态系统固氮菌对外源氮输入方式的响应研究获进展
近日，中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站研究员王克林团队在喀斯特峰丛洼地草地生态系统不同氮输入方式对固氮菌影响研究取得新进展。
固氮菌作为生物固氮过程的执行者，对供给土壤氮素和维持土壤生态功能具有重要作用。在区域氮沉降水平日益增加和牧草地不合理氮肥施用背景下，豆科灌木引种在喀斯特退化草地生态恢复和人工草地可持续管理方面具有应用潜力。然而，喀斯特草地土壤固氮菌对不同外源氮输入方式的响应仍不清楚，这限制喀斯特自然草地生态系统恢复潜力评估和人工牧草地优化管理。
基于此，研究人员以典型喀斯特自然和人工草地生态系统为研究对象，通过设置自然草地模拟氮沉降和磷添加及豆科灌木引种（高低密度种植紫穗槐、深紫木蓝）、人工牧草地引种紫穗槐和施加氮肥（高低密度种植紫穗槐同时添加氮肥、低密度种植紫穗槐同时添加氮肥）等系列外源氮添加处理试验，研究固氮菌丰度、多样性和群落组成的响应特征。
研究表明，固氮菌群落慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）的相对丰度在喀斯特草地中占绝对优势，可作为脆弱生态系统植被恢复的候选优势属。自然草地生态系统，氮添加和高密度种植深紫木蓝在生长季通过提高土壤氮的可利用性，从而降低固氮菌丰度，同时，氮添加降低固氮速率；磷添加和深紫木蓝在生长季提高固氮菌多样性及影响固氮菌群落组成（图1、图2）。人工牧草地，紫穗槐种植和低水平氮肥施用通过增加土壤氮的可利用性，从而降低固氮菌群落间竞争，固氮菌群落间的竞争在氮肥处理高于紫穗槐，表明豆科灌木有利于提高固氮菌多样性、有效改善土壤氮输入（图3）。总体而言，喀斯特草地管理过程中，低密度种植深紫木蓝通过改善固氮菌群落促进养分吸收，是喀斯特自然草地缓解氮限制的有效途径，此过程中，相比氮可利用性，土壤有效磷的含量通过提高固氮菌的多样性有利于生物固氮。该研究有利于优化管理喀斯特脆弱生态系统土壤氮素和筛选高效恢复策略。
相关研究成果以Phosphorus but not nitrogen addition significantly changes diazotroph diversity and community composition in typical karst grassland soil为题，发表在Agriculture上；以Responses of soil diazotrophs to legume species and density in a karst grassland，southwest China为题，发表在Ecosystems and Environment上；以Nitrogen fertilizer and Amorpha fruticosa leguminous shrub diversely affect the diazotroph communities in an artificial forage grassland为题，发表在Science of the Total Environment上。研究工作得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、亚热带生态所青年创新团队项目的资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880920301729
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167880919303238
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719349599
图1.自然草地氮磷添加土壤环境因子对固氮菌丰度和物种多样性的影响
图2.自然草地高低密度种植紫穗槐（AF）和深紫木蓝（IA）对固氮菌丰度和物种丰富度的影响
图3.人工牧草地氮肥和种植紫穗槐对固氮菌群落的影响
“土壤家”近期文章推荐
“环境与健康观察”近期文章推荐
“土壤观察”近期文章推荐
更多好书，长按识别二维码，或点击阅读原文了解
由于微信修改了推送规则，请大家将土壤观察加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到土壤观察推文！联系我们，加入土壤观察读者交流群请加13719364476微信号（或发邮件至149996384@qq.com）