国内土壤科研进展（2020年第24期）

导  读

干旱区盐渍土农田土壤细菌群落分布模式研究获进展等5则进展。

来源：根据中国科学院网站近期相关报道整理。

新疆生地所干旱区盐渍土农田土壤细菌群落分布模式研究获进展

土壤微生物是维系土壤生态功能的核心，认知土壤微生物分布模式有助于农田养分管理和作物生产。尽管农田土壤微生物分布模式被广泛研究，但人们对盐渍农田土壤微生物多样性和分布知之甚少。干旱区的盐渍农田土壤呈现高pH值、高含盐量、低有机质、低含水量等特点，可能具有较独特的微生物分布模式。

中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室研究员田长彦团队，针对新疆天山北麓盐渍农田土壤细菌分布模式开展研究。基于定量PCR和高通量测序分析，发现盐渍农田土壤细菌的丰度与土壤有机质、总氮和总磷呈正相关，而细菌多样性则表现出不同的空间格局，并随盐分增加而显著下降。Bacteroidetes，Gammaproteobacteria，Alphaproteobacteria和Gemmatimonadetes是盐渍农田土中主要细菌类群；而Flavobacteriaceae，Cytophagaceae，Halomonadaceae，Acidobacteria和Gemmatimonadetes的成员则是盐渍土中的指示种。细菌群落结构受样点距离影响，相似度随距离增加而减小，地理距离解释了群落变异的5.08%。相比之下，土壤因素则更好的解释了整个群落变异，解释率为27.26%。在众多土壤因子中，盐分比pH和含水量重要，驱动着细菌群落变化。此外，细菌网络的模块化与盐渍生态位分化有关。虽然干旱区盐渍农田土壤偏碱性，但酸杆菌却成为细菌网络中的重要成员，这可能与它们具有分解有机质的能力有关。这些发现有助于了解盐渍农田土壤微生物分布模式，也为预测土壤细菌群落如何响应盐渍变化提供理论依据。

相关研究成果以Biogeographical distribution of bacterial communities in saline agricultural soil为题，发表在Geoderma上。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706118320883

A.研究区域土壤细菌丰度和多样性分布图；B.细菌共现网络结构；C.环境因素对细菌群落变化的贡献

南京土壤所化学氧化修复场地土壤过程机制研究取得进展

场地污染土壤的修复是土壤修复领域的研究热点和难点，也是当前国家面临的重大科技需求。在土壤修复技术中，化学氧化技术为快速、高效修复场地有机污染土壤提供了支撑，但氧化剂需通过活化的方式产生高活性自由基来实现污染物的降解和修复。因此，高效、低成本和环境友好活化材料开发是该领域的研究热点。基于此，中国科学院南京土壤研究所研究员王玉军团队的副研究员方国东构建了基于金属-硫化物耦合多电子供体的活化体系，将还原性硫引入活化剂，提高了活化剂的催化效率和污染物的降解速率，克服了传统金属氧化物活化氧化剂过程中的活性位点再生速度慢、氧化剂利用效率低等问题，主要研究进展如下：

构建了基于天然铁-硫、铜-硫等矿物活化过硫酸盐的化学氧化技术体系，实现了高效去除不同类型的有机污染物。其主要机制是，矿物表面金属活性点位，如Fe（II）通过与过硫酸盐间的电子传递形成高活性的硫酸根自由基或羟基自由基，从而实现对污染物的高效降解；还原性的硫将矿物表面Fe（Ⅲ）还原成Fe（II），实现活性点位的再生，提高了污染物的降解效率；在传统亚铁-过硫酸盐类芬顿体系中添加不同类型的金属硫化物，促进了亚铁在矿物表面的循环，将污染物的降解速率提高了约5~16倍。

天然金属硫矿物在促进过硫酸盐活化和污染物降解中发挥重要作用，但由于天然矿物含有一些无定型的金属硫化物，反应过程中存在部分金属溶出现象，同时天然矿物粒径较大，其不易在土壤中迁移，这限制了其在场地修复中的大规模应用。为克服上述缺点，研究人员研发出铁-硒纳米材料高效活化过硫酸盐技术，通过一步水热合成法，合成了尺寸为5~10 nm的硒化铁纳米颗粒，其具有高效活化过硫酸盐、过氧化氢的能力，能够降解多氯联苯、氯酚等有机污染物，在此过程中硒化铁的111晶面是活化氧化剂产生自由基的主要位点。该研究通过硒代替硫和材料的纳米化，解决了金属离子的溶出问题，增加了纳米材料在土壤中的迁移性，这将为修复场地有机污染土壤提供新技术。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省杰出青年基金的支持。

论文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c06091

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389420321658

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720359167

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135418304469

纳米硒化铁活化过硫酸盐降解污染物的过程机制

青藏高原所发现土壤微生物固碳在干旱区生态系统碳汇中发挥重要作用

全球陆地生态系统碳汇具有较大不确定性，该不确定性主要来自干旱区生态系统，但其机制和原因一直存疑。干旱区生态系统地区的植物生长及其固碳潜力受到限制，而土壤微生物具有更强的环境适应能力，因此，和湿润区生态系统相比，干旱区土壤微生物固碳的相对贡献更大。但当前碳评估模型仅包括植物固碳，忽略了土壤微生物固碳，这限制了学界深入理解干旱区生态系统碳汇不确定性的来源和机制。

为此，中国科学院青藏高原研究所生态系统功能与全球变化团队研究员孔维栋等，依托中科院纳木错多圈层综合观测研究站，开展了连续4年的野外监测研究（图1），对比了土壤微生物及植物总初级生产力（Gross Primary Production，GPP）季节和年际动态变化规律及其对土壤水分、温度的响应。结果显示，植物和土壤微生物GPP具有相似的季节动态变化特征，均在七、八月达到最高值（图2）；与植物GPP年际变化（15.1%）相比，土壤微生物GPP年际变化更大，达到76.1%，这说明土壤微生物固碳量年际波动对干旱区生态系统碳汇不确定性具有较大贡献。研究人员通过进一步分析发现，相较土壤微生物GPP，植物GPP对土壤水分和温度变化更敏感，这可能与植物物候期有关。

土壤微生物GPP可占到植物GPP的35.7%，不同季节占比不同，七、八月最大，连续四年监测均值为18.2%（图3），该比值随土壤水分的增加而增加，但与土壤温度无相关性（图4），这揭示了青藏高原草地生态系统中水分是影响土壤微生物固碳贡献率的主要因素。研究表明，青藏高原草地土壤微生物具有较大固碳潜力，有必要在地球系统模型中整合土壤微生物固碳过程和潜力，从而更准确评估全球干旱区碳循环过程和降低全球碳汇不确定性。

相关研究成果以Soil microbial CO2 fixation plays a significant role in terrestrial carbon sink in a dryland ecosystem: A four-year small-scale field-plot observation on the Tibetan Plateau为题，发表在Science of the Total Environment上。青藏高原所生态系统功能与全球变化团队博士后陈昊、在读博士研究生王斐为论文的共同第一作者，孔维栋为论文通讯作者，研究员旭日、邬光剑和王君波等参与了该研究。研究工作得到中科院战略性先导科技专项（A类）、中科院前沿局前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金、第二次青藏高原综合科学考察研究专项、博士后科学基金等的支持。

论文链接

https://authors.elsevier.com/c/1c0iIB8ccoOm5

图1.研究样地设置及监测过程示意图

图2.2016至2019年土壤微生物和植物总初级生产力季节动态变化

图3.2016至2019年土壤微生物与植物总初级生产力比值的季节动态变化

图4.土壤微生物与植物总初级生产力比值与土壤温度（a）和土壤水分（b）的相关性分析

武汉植物园等在农田氮管理调控作物产量、品质与土壤肥力研究中获进展

受人口增加、气候变化和城市化的影响，全球粮食安全面临挑战，而过量施用氮肥已成为可持续或集约化农业的主要挑战之一。水田两熟轮作制度是长江中下游典型的作物体系之一。因此，研究氮肥管理对水田两熟制下作物产量、子粒品质和土壤肥力的影响，是了解该体系下养分利用效率的关键。

中国科学院武汉植物园农业环境生态学科组博士生刘闯在研究员陈防和刘毅、英国洛桑研究所研究员Lianhai Wu等的指导下，利用多指标综合评估方法，研究我国长江流域主要轮作系统（水稻-小麦、水稻-油菜和早稻-晚稻）下作物产量、品质与土壤肥力对农田不同氮措施的响应。结果表明：综合评价指标对单一属性（即种子产量，作物质量和土壤肥力）具有较好拟合度；施用缓控释尿素（如小麦和油菜田中的稻米：150 kg N ha-1，其他作物：120 kg N ha-1），并配施普通尿素（30 kg N ha-1）和前季作物秸秆，在维持或轻微增加作物产量和氮素利用效率中仍具有重要影响；基于多指标综合评价方法获得的氮素管理策略，虽然轻微降低了作物产量与氮素利用效率，但能够明显改善作物子粒品质和维持土壤肥力。该研究为长江流域水田两熟轮作体系进行合理养分管理提供理论依据。

相关研究成果以Impacts of nitrogen practices on yield, grain quality, and nitrogen-use efficiency of crops and soil fertility in three paddy-upland cropping systems为题，发表在Journal of the Science of Food and Agriculture上，武汉植物园和英国洛桑研究所共同参与该研究。研究工作得到国家基础研发专项、农业农村部公益性行业专项、国家留学基金委《2018年中英联合博士生创新基金》 、英国生物技术与生物科学研究理事会（BBSRC）“Soils to Nutrition”等的支持。

论文链接 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jsfa.10841

图1.研究位点分布图

图2.不同作物下氮素管理的综合评价指数

西北研究院等揭示青藏高原多年冻土退化影响碳循环的过程

近日，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室科研人员与兰州大学、美国杨百翰大学、德国汉诺威莱布尼兹大学等合作，分析青藏高原气温和地温的变化过程及多年冻土热喀斯特地貌的发育过程，揭示青藏高原多年冻土退化对碳循环过程的影响，评估青藏高原多年冻土热状态变化及其对碳释放影响的生物地球化学过程，为进一步探讨区域和全球尺度上多年冻土碳的气候反馈效应及生态环境变化等研究提供科学参考。

研究基于Web of Science数据，对过去几十年来北极和青藏高原多年冻土及碳循环的研究进行定量比较，表明青藏高原多年冻土是气候变化的重要研究对象。通过对已有报道的采样点分布、土壤有机碳测定方法、多年冻土区面积的界定以及土壤有机碳的空间扩展技术环节综合分析，指出青藏高原多年冻土区表层2 m土壤碳储量为19.0±6.6 Pg。这些土壤有机碳对气候变化敏感，较易被微生物分解，不同植被类型下土壤有机碳分解的温度敏感性系数为9.2±7.1。在高原尺度上，全球变暖增加了局部地区土壤碳的释放，但变暖又促进植被生长，吸收更多的碳。综合青藏高原不同地区模拟升温及监测结果，发现不同湿度条件下土壤生态系统碳释放对升温的响应不同。目前青藏高原总体表现为碳汇，但未来气候变化可能增加多年冻土碳释放速率，减弱其碳汇功能。

该研究还分析热喀斯特地貌演化对多年冻土碳循环的影响。现有地球系统模式主要关注多年冻土缓慢升温过程。但是在富冰多年冻土区，多年冻土退化会导致地表沉降、滑塌或热融侵蚀，形成热喀斯特景观。这些过程较为复杂，尚未充分研究，因而还未被纳入到耦合模型中，导致碳循环的评估具有较大不确定性。通过野外监测分析表明，青藏高原热融滑塌和热融湖塘发育是影响温室气体释放的重要过程，由于遥感技术限制，目前还缺少区域尺度扩展和整体反馈效应评估。为降低多年冻土区土壤有机碳储量及其对升温响应的不确定性，未来需进一步探索基于有机质来源和沉积过程对土壤有机碳分解释放的温度敏感性的影响，并量化多年冻土退化过程中养分的有效性在调节土壤有机碳动力学和生态系统恢复中发挥的作用。

相关研究成果以The status and stability of permafrost carbon on the Tibetan Plateau为题，发表在Earth-Science Reviews上。研究工作获得第二次青藏高原综合科学考察项目、国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。  

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825220304797

青藏高原多年冻土退化对碳循环的影响示意图

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