南京土壤所在土壤物理质量指标评价中取得进展等6则进展（国内土壤科研进展2021年第6期）

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南京土壤所在土壤物理质量指标评价中取得进展等6则进展。

来源：根据中国科学院、南京土壤研究所等单位网站近期相关报道整理。

南京土壤所在土壤物理质量指标评价中取得进展

土壤物理性质包括土壤强度、土壤通气性、土壤水分、土壤温度等对作物生长的影响显著。为综合评价适宜作物生长的土壤物理状况，土壤物理学者提出了土壤物理质量（Soil physical quality, SPQ）的概念。土壤物理质量受耕作方式影响深刻，耕作不但改变了土壤结构，而且改变了土壤强度、土壤水分和土壤通气性等。而对于具有强胀缩性的变性土而言，各土壤物理性质间的联系往往更为复杂且具有动态变化的特点。

最近，南京土壤研究所研究员彭新华团队依托安徽省龙亢农场耕作定位试验平台，提出了适宜评价砂姜黑土小麦-玉米复种模式下的土壤物理质量参数。研究发现：（1）Dexter等（2004, Geoderma 120(3-4): 201–214）基于水分特征曲线拐点斜率提出土壤物理质量S指数虽反映了结构性孔隙向质地孔隙的转变，但忽略了脱水过程中土壤颗粒排列等物理性质的变化，与小麦和玉米产量间均未表现出明显关系。（2）da Silva 等（1994, Soil Sci. Soc. Am. J. 58 (6): 1775–1781）综合土壤容重、土壤强度、土壤通气性、土壤水分有效性等参数，提出土壤物理质量的作物生长最小限制水分范围（Least limiting water range，LLWR）指数能够有效反映土壤物理质量与小麦产量间的关系，但LLWR与玉米产量间却无相关性。这主要是由于该区玉米季降雨集中，加之砂姜黑土通气透水能力差，生长季内土壤水分胁迫频率对作物生长的影响大于LLWR量级。（3）为此，研究团队基于土壤水分动态变化创新地提出水分胁迫时间占比（Water stress percentage, WSP），作为评价该地区玉米生长的土壤物理质量新参数。该参数定义为土壤含水量超过田间持水量（涝渍胁迫时间, Waterlogging stress percentage, WLP），或低于萎蔫系数的时间（干旱胁迫时间, Drought stress percentage, DSP）占整个作物生长季的百分比。玉米产量与WSP，特别是与土壤涝渍胁迫时间占比（WLP）间具有极显著的负相关关系。涝渍胁迫时间（WLP）可以作为评价影响该地区玉米产量的关键物理质量参数。

该研究成果得到国家基金委和国家重点研发计划等项目资助，相关论文发表在Soil and Tillage Research期刊上。

文章链接

 https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167198721000404

土壤水分胁迫时间占比 Water stress percentage (WSP)

南京土壤所在农膜酞酸酯的释放与风险评价方面取得进展

邻苯二甲酸酯（phthalate acid esters，PAEs），又称为酞酸酯，是一种常见的增塑剂。农膜的广泛使用被认为是设施菜地环境中酞酸酯的主要来源，但是，农膜产品中酞酸酯的释放及其风险却尚未被报道。

中国科学院南京土壤研究所研究员王芳团队对全国不同地区和类型的农膜酞酸酯进行了调查，发现农膜中酞酸酯的含量范围为2.59—282,000 mg kg-1，其中，邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯（DEHP）占主导。以DEHP为代表研究农膜中酞酸酯的释放规律表明，不同类型农膜中DEHP的释放均可用一级动力学方程描述，释放半衰期1-78天。风险评估发现，在农膜使用的前90天内，设施大棚中聚氯乙烯棚膜和茂金属聚乙烯棚膜释放的DEHP的风险值始终大于1；而其他农膜释放的DEHP风险值均低于0.1，并在一个月内逐渐降到10-4以下，达到美国环保署建议的安全阈值。因此，建议选用低酞酸酯含量的农膜，并在农膜使用的初期，对温室进行持续通风，以降低酞酸酯的污染风险。研究结果对农膜的安全使用、设施菜地农产品安全与人体健康保护具有重要意义。

以上研究结果已在Environmental Science & Technology期刊上发表，博士生王宇为论文第一作者，王芳研究员为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划专项等资助。

农膜中酞酸酯的释放与风险评价

文章链接：Yu Wang, Fang Wang*, Leilei Xiang, Cheng gang Gu, Marc Redmile-Gordon, Hongjie Sheng, Ziquan Wang, Yuhao Fu, Yongrong Bian, Xin Jiang. Risk Assessment of Agricultural Plastic Films Based on Release Kinetics of Phthalate Acid Esters. Environmental Science & Technology 2021, https://doi.org/10.1021/acs.est.0c07008. (Open access).

沈阳生态所在土壤有机碳形成的微生物学机制研究中取得进展

微生物是土壤碳循环的重要驱动者，一方面微生物通过分解土壤有机质获得自身生长所需要的养分和能量，另一方面微生物死亡后，其残留物是土壤有机碳的重要组成部分。近年来，关于微生物死亡残留物与土壤有机碳关系的研究逐渐增多，但是，对微生物自身的生理属性是否影响微生物死亡残留物量，如何构建活体微生物、微生物死亡残体和土壤有机碳形成之间的关系等的研究较缺乏。 

基于此，中国科学院沈阳应用生态研究所生物地球化学组以中国东部南北分布的16个森林生态系统为研究对象（图1），选取土壤微生物碳利用效率、微生物量周转速率和微生物生物量作为微生物生理参数，选取氨基糖作为微生物死亡残留物指标，分析区域尺度下气候、土壤条件、微生物特性等生物和非生物因素对土壤有机碳形成的影响。研究发现：（1）土壤有机碳与微生物生物量碳、氨基糖含量均呈显著正相关关系，与年均气温和降水均呈显著负相关关系（图2）；一般线性模型结果显示，具有微生物碳利用效率、周转速率和微生物残留物的模型能更好地模拟土壤有机碳含量的变化；（3）结构方程模型结果显示，气候因子、土壤因子主要通过调控微生物生物量碳库和微生物残留物碳库的大小间接影响土壤有机碳形成（图3）。研究成果为分析大尺度上微生物群落结构、微生物生理属性以及微生物死亡残留物对土壤有机碳的影响提供了重要研究思路。 

相关研究成果以Large-scale importance of microbial carbon use efficiency and necromass to soil organic carbon为题，发表在Global Change Biology上。沈阳生态所副研究员王超和博士生曲聆瑞为论文共同第一作者，研究员白娥为论文通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金重点项目和中科院青年创新促进会项目等的资助。 

图1.研究样点分布及研究思路模型

图2.土壤有机碳与气候、微生物生物量、氨基糖含量之间的关系

图3.具有微生物生理属性和死亡残留物的土壤有机碳模型 

城市环境所在微塑料影响土壤微生物群落结构等的研究中获进展

微塑料污染已在世界范围内成为日益普遍的问题，但其对土壤环境的影响有待探究。近日，中国科学院城市环境研究所研究员姚槐应团队利用磷脂脂肪酸（PLFA）技术、实时荧光PCR方法、细菌16S rRNA和真菌ITS高通量测序技术以及温室气体监测气相色谱（GC）法，研究了微塑料污染对菜地土壤微生物群落结构和土壤温室气体二氧化碳（CO2）、氧化亚氮（N2O）排放的影响，为土壤微塑料污染下微生物群落结构改变及碳氮元素循环提供了直接证据。

科研人员利用低密度聚乙烯微塑料进行了土壤微观培养试验，研究了微塑料污染对土壤养分循环和土壤微生物群落结构的影响。研究表明，微塑料的添加显著促进了土壤CO2的排放，但对土壤N2O的释放没有明显促进作用。土壤pH值、可溶性有机碳、铵态氮、总磷脂脂肪酸（PLFA）含量、革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌、饱和与单不饱和PLFA比值显著增加。此外，随着微塑料添加量的增加，硝态氮和真菌与细菌、总异支链脂肪酸与总前异支链脂肪酸以及环丙基与前体PLFA的比值显著降低。微塑料的加入降低了氨氧化细菌和亚硝酸盐还原酶（nirS）的基因丰度，但对氨氧化古菌、亚硝酸盐还原酶（nirK）和一氧化二氮还原酶功能基因丰度影响不大。微塑料添加处理细菌16S rRNA和真菌ITS测序结果主成份分析表明，细菌和真菌群落形成明显的聚类；添加微塑料处理中部分耐降解微生物的平均丰度显著高于对照处理。研究结果说明，微塑料对菜地土壤微生物群落存在明显影响，并可能影响全球碳氮循环。

相关研究成果以Microplastic addition alters the microbial community structure and stimulates soil carbon dioxide emissions in vegetable-growing soil为题，发表在Environmental Toxicology and Chemistry上，城市环境所博士研究生高波为论文第一作者，姚槐应为论文通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金等的资助。

论文链接 

https://setac.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/etc.4916

微塑料改变微生物群落，并影响二氧化碳排放

东北地理所在干旱胁迫下保护性耕作对作物产量的调控研究中获进展

保护性耕作是我国北方粮食产区应对干旱的积极应对策略之一。然而，少有研究将土壤碳排放、微生物和作物三者结合起来分析保护性耕作对自然干旱的综合响应。中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土有机碳与保护性耕作学科组以保护性耕作长期定位试验为研究平台，比较了自然干旱和正常降水年份下的土壤CO2排放、土壤微生物群落和作物产量，以评价保护性耕作的影响及其应对干旱的适应机制。

研究表明：正常年份免耕条件下土壤具有较低的土壤温度（低约1℃），较高土壤含水量，同时免耕条件下的玉米产量和碳排放效率（产量与土壤CO2年排放量之比）比常规耕作处理降低22%和25%，只增加了播种前和生长季后期（8-9月）的土壤微生物磷脂脂肪酸含量；干旱年份（2015年），免耕的土壤温度（5、10、20 cm）比常规耕作低约2℃，土壤含水量显著增加28%（图1），并且显著增加玉米产量（47%）、碳排放效率（63%）和生长季节内的土壤微生物磷脂脂肪酸含量。耕作处理间碳排放效率的差异主要是由作物产量引起，这是由于无论正常年份还是干旱年份，免耕与常规耕作间的年土壤CO2排放量没有显著差异。结构方程模型揭示了耕作方式通过土壤含水量、温度、土壤真菌和细菌等间接影响碳排放效率（图2）。另外，运用FUNGuild评估土壤真菌功能发现，免耕抑制了土壤中某些致病菌（Fusarium oxysporum, Alternaria sp），而使共生菌（Leptodontidium sp）的相对丰度增加（图3）。研究表明，免耕（保护性耕作）是东北地区连作玉米抗旱的积极应对策略，且不是以增加土壤碳排放和减低土壤微生物群落功能为代价。

该研究由东北地理所副研究员贾淑霞（论文第一作者）、研究员梁爱珍与吴东辉（论文通讯作者）和硕士研究生王倩（论文第一作者）等共同完成。近日，相关研究成果发表在Geoderma和European Journal of Soil Biology上，研究工作得到国家自然科学基金和中科院前沿科学重点研究计划的资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016706120325684?via%3Dihub

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2013JB010466

图1.免耕和常规耕作土壤含水量

图2.土壤含水量、温度和土壤微生物与碳排放效率结构方程模型

图3.不同耕作处理下土壤优势真菌OTUs热图

地环所等在黄土高原人工林地和自然草地的土壤水-植物水同位素分析研究中取得进展

自1950年，我国在黄土高原实施系列的植被恢复工程，自然草地恢复和人工造林恢复是黄土高原生态治理重要的两种植被恢复模式。然而，关于这两种植被恢复模式如何影响土壤水-植物水之间相互作用的关系尚未报道。

中国科学院地球环境研究所副研究员刘金召、研究员金钊，与中科院南京地理与湖泊研究所副研究员吴华武合作，将对黄土高原中部南小河沟自然草地恢复（董庄沟）和人工造林恢复（杨家沟）对比小流域中的禾本科植物作为研究对象：董庄沟（1.15 km2）自1954年实施草地封育政策，现已形成天然的自然草地生态系统；杨家沟（0.87 km2）自1954-1958年实施人工造林措施，现已形成人工森林生态系统（图1）。采用氢和氧稳定同位素（δ2H 和δ18O）技术对两个小流域不同坡向的土壤水、根系水和叶片水进行连续测定。结果表明：两个流域的植物根系水和叶片水均可以很好地记录土壤水和降雨的同位素变化，主要受到温度的控制；自然恢复流域的草本科植物相比人工林地的草本科植物具有更大的土壤蒸发作用，而禾本科植物蒸腾作用在两个流域差异不显著（图2）；某些月份的植物根系水和土壤水之间存在偏差，暗示根系水吸收可能存在分馏，或存在其他的水源（如露水等）。该研究有助于理解黄土高原两种不同植被恢复模式下水文循环的差异。

近日，相关研究成果在线发表在Agricultural Water Management上，研究工作得到中科院和国家自然科学基金委员会的资助。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377421000652?dgcid=author

图1.黄土高原中部南小河沟自然草地恢复（董庄沟）和人工造林恢复（杨家沟）。两个小流域照片来自Jin et al., 2014

图2.降雨、土壤水、根系水和叶片水δ2H 和δ18O值的关系图：杨家沟（a）和董庄沟（b）

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