国内土壤科研进展（2021年第2期）

导  读

喀斯特稻田土壤微氧生物亚铁氧化耦合碳同化及砷固定研究获进展等3则进展。

来源：根据中国科学院网站、环境人Environmentor公号近期相关报道整理

喀斯特稻田土壤微氧生物亚铁氧化耦合碳同化及砷固定研究获进展

水稻根际等微氧条件土壤中微生物驱动亚铁氧化过程较为普遍，形成的铁氧化物表面正电荷丰富，可有效阻止重金属从土壤向植物体迁移。然而，微氧环境过程及其多元素耦合循环研究，由于研究手段限制及关键证据获取的难度，未能有效明确。中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室研究员刘承帅课题组与广东省科学院生态环境与土壤研究所副研究员童辉等合作，采用气氛可控式手套箱研究体系，在前期证实了亚铁通过微氧型铁氧化菌氧化沉淀，并进一步老化成水铁矿，该过程能有效氧化并固定活性态As(Ⅲ)（Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 265, 95-108）。研究发现，铁和砷的生物氧化过程中，大多数微生物需要有机物作为碳源提供能量供其生长，但是喀斯特碳酸盐岩发育土壤中，碳主要以碳酸盐形式存在，微生物如何利用无机碳获取能量进行亚铁和砷氧化的过程仍不明确。

针对这一问题，课题组利用稳定同位素核算探针技术（DNA-SIP）进一步研究了喀斯特稻田土壤微氧亚铁氧化过程中的碳固定机制及砷的转化规律。结果表明，亚铁氧化过程中碳的同化速率最高可达8.02 mmolC m-2 d-1，与之前报道的海洋中亚铁或硫氧化过程中的碳同化速率接近。Bradyrhizobium、Cupriavidus、Hyphomicrobium、Kaistobacter、Mesorhizobium、Rhizobium为体系中主要参与碳同化的功能微生物。通过对高通量数据的预测分析，发现卡尔文循环（Calvin-Benson-Bassham）为微氧亚铁氧化菌固碳的主要途径。固碳的同时，生物亚铁氧化过程形成的铁氧化物能有效吸附固定体系中的砷，共沉淀态砷主要以As(V)形式存在，说明砷的生物氧化能促进砷的沉淀，并形成二次矿物。研究表明，微氧型铁氧化菌驱动的亚铁氧化耦合碳固定过程能增加土壤中有机碳含量，并能促进砷的氧化以及砷在铁氧化物表面的吸附作用，有效降低砷的作物可利用性。该研究对于利用土壤铁循环提高土壤肥力及降低重金属污染风险具有重要的支撑作用。

相关研究成果发表在Environmental Science and Technology上，并被遴选为封面论文。研究工作得到国家自然科学基金项目和中科院前沿科学重点研究计划等的资助。

微氧型水稻土亚铁氧化耦合碳同化及砷氧化固定示意图

版纳植物园发现“近自然模式”橡胶林对土壤的改良效应

近几十年来，西双版纳、东南亚显著的土地利用变化是大面积的热带雨林被结构单一的橡胶林取代。尽管橡胶种植利于经济发展，却对生态环境造成负面影响（如水土养分流失、土壤退化、生物多样性损失等），加之近年来橡胶价格下跌，因而橡胶种植业的可持续发展面临挑战。针对以价格为导向的种植业而言，探索适宜的种植经营模，改善胶园生态环境以及推广“近自然模式”的生态种植/管理理念，是明智的选择。

为定量评价“近自然模式”橡胶林的改良土壤效应，中国科学院西双版纳热带植物园生态水文研究组博士研究生曾欢欢及相关研究人员，对丛林式橡胶林（“近自然”、多物种共存的自然演替模式）、橡胶纯林、热带雨林的土壤物理-水文特性、养分特征进行测定，并采用化学计量学方法对土壤的养分循环-限制特征进行分析。结果表明，热带雨林转变为橡胶纯林后，土壤质量遭受了严重的退化（较低的孔隙度、持水量、养分含量、养分循环和利用率，较高的容重、养分流失）。而与橡胶纯林相比，丛林式橡胶林明显改善了土壤的物理-水文性质、优化了土壤结构和水分条件（容重降低、孔隙度增大、持水力增强等）、提高了养分状况（C、N、P、Ca、Mg等），并减弱了土壤P限制强度、提高了P周转率和可利用性。这表明与单一橡胶种植诱发的土壤肥力和质量退化相比，“近自然模式”橡胶林改良了土壤、促进了养分的不断累积。

相关研究结果以Jungle rubber facilitates the restoration of degraded soil of an existing rubber plantation为题，发表在Journal of Environmental Management上。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479721000219

热带雨林、纯胶林、“近自然模式”橡胶林的土壤理化比较

北京大学城环学院周丰团队ES&T：全球农田氨排放的重新评估

第一作者：展晓莹，吾拉哈提·阿达力别克

通讯作者：周丰

通讯单位：北京大学城市与环境学院

论文DOI：10.1021/acs.est.0c05149

图文摘要

成果简介

近日，《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）在线发表了题为“Improved Estimates of Ammonia Emissions from Global Croplands”的研究成果。氨(NH₃)是大气细颗粒物PM_2.5重要的前体物，还可以通过大气沉降导致土壤酸化与水体富营养化。据估计，90%以上氨排放来自于种植业和畜禽养殖业。农田氨排放受制于土壤、气候、农艺管理措施等影响，具有显著的时空分异，目前对其全球估计存在相当大的不确定性。研究人员整合全球171个观测站1165次农田NH₃排放控制试验数据，重建了全球高分辨率（5-arc-minute，21种作物）农艺管理措施数据集(包括氮肥、灌溉、耕作制度的强度、类型、时间、方式)，利用基于地面观测数据的升尺度模型，实现了对全球不同区域21种作物NH₃挥发率(NH₃排放量与施氮水平的比值)、排放强度与减排潜力的重新评估，为制定全球不同种植制度氨减排策略提供了科学依据。

图文导读

全球农田氨挥发率为12.6% ± 2.1%，该结果与以往统计模型的结果一致（13.7% ± 3.1%），但比过程模型低四分之一(16.5% ± 3.1%)。与过程模型的差别在区域尺度更加明显，该研究认为过程模型低估了中国、印度等发展中国家的挥发率，但高估了欧美等发达国家的挥发率。主要因为其忽视了土壤性质、肥料类型、施肥方式对农田氨挥发率大小的调节作用。

图1 全球农田氨挥发率(VR，a)，排放量(V，b)与排放强度(EI，c) 全球氨排放与作物产量(以卡路里计)是不对称的。

全球氨排放与作物产量(以卡路里计)是不对称的。全球平均氨排放强度(单位产量的氨排放量)为1.28 ± 0.21 mg NH₃-N kcal^-1，存在明显的作物与区域差异。其中，水稻贡献了全球21%的氨排放量，仅提供了15%的卡路里；玉米贡献了15%的全球排放，但提供了19%的卡路里。同样生产1 kcal的粮食，发达国家排放0.39-1.59 mg NH₃-N，发展中国家则高达1.17-6.91 mg NH₃-N。

图2 全球农田氨排放量与排放强度

注：a，b分别代表排放量最高的10种作物(提供卡路里为主的作物)与国家；括号中的值代表全球占比。

12.2%的耕地贡献了全球50%以上氨排放，针对重点作物或区域进行氨减排可实现更好的减排。优化氮肥管理(rightrate, right type, and right placement)可实现减少全球75%的氨排放，其中，中国、印度、巴基斯坦贡献了64%，小麦、蔬菜与水果的减排潜力最高。

图3不同情景NH3减排潜力的空间分布

注：图中a，c，e为减排量，b，d，f为减排比例。S1代表优化作物施氮量的情景，即以全球作物达到最优NUE为目标(Zhang Xin, 2015, Nature)；S2代表降低挥发率的情景：假设碱性氮肥(碳酸氢铵与尿素)的占比达到美国水平，同时除无水氨外其余肥料均翻耕入土。

作者简介

展晓莹（原北大博士后，现为中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所副研究员）与吾拉哈提·阿达力别克（北大城环学院2020级硕士生）为共同第一作者，周丰为通讯作者，研究由来自国内外6个机构的9位学者共同完成。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。对该数据和模型感兴趣的同行请联系zhouf(a)pku.edu.cn。

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