邵明安院士团队在土壤侵蚀与微生物群落变化方面取得进展等6则进展（国内土壤科研进展2021年第8期）

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邵明安院士团队在土壤侵蚀与微生物群落变化方面取得进展等6则进展。

来源：根据西北农林科技大学、中国科学院、广东省科学院生态环境与土壤研究所等单位网站、土壤与农业可持续发展国重室公号近期相关报道、作者供稿整理。

邵明安院士团队在土壤侵蚀与微生物群落变化方面取得进展

土壤侵蚀是全球土壤健康和可持续发展面临的最大的环境问题之一，土壤微生物对土壤和生态系统功能有着巨大的支撑作用，联合国粮农组织分别将“Stop Soil Erosion, Save Our Future”和“Keep Soil Alive, Protect Soil Biodiversity”作为2019和2020年世界土壤日的主题。但是目前对侵蚀如何影响土壤微生物群落结构以及土壤多功能性尚不清楚，对这一问题的理解，有助于深入认识土壤侵蚀的生态环境效应以及侵蚀环境的修复。

西北农林科技大学水土保持研究所邵明安院士团队魏孝荣研究员等以我国典型的侵蚀区—黄土高原和东北黑土区为对象开展研究，在土壤侵蚀与微生物结构和多功能性变化方面取得进展。研究发现，侵蚀降低了土壤微生物多样性、网络复杂性以及优势微生物的相对丰度，但是增加了与氮循环有关微生物的丰度，而且微生物群落指标的变化与土壤多功能性的变化极显著正相关，表明侵蚀引起的土壤退化是由微生物多样性和结构复杂性以及土壤多功能性共同损失造成的，对侵蚀环境的修复应同时注重这几个方面的恢复。

研究结果以“Erosion reduces soil microbial diversity, network complexity and multifunctionality”为题于3月12日发表在国际微生物生态学学会杂志The ISME Journal，为该杂志创刊以来发表的首篇土壤侵蚀领域微生物生态研究论文。研究受到中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目和中国科学院前沿科学重点研究项目资助。

论文链接

https://doi.org/10.1038/s41396-021-00913-1

土壤与农业可持续发展国家重点实验室在再生稻田温室气体排放及净生态系统经济预估方面取得进展

气候变暖导致农业热量资源增加，为再生稻的种植提供了有利条件。再生稻是利用头季稻收割后稻桩上存活的休眠芽，在适宜的水、温度、光照和养分等条件下重新发苗，生长成穗，再收一季。对于我国南方种植一季稻热量有余而种植双季稻热量又不足的稻麦两熟区，或双季稻区仅种一季中稻的稻田，种植再生稻是提高复种指数、增加单位面积稻谷产量和经济收入的主要措施之一。发展再生稻对适应全球变暖环境下的农业结构调整、增加粮食产量和提高农民收入、保障国家粮食安全具有重要意义。

土壤与农业可持续发展国家重点实验室徐华研究员团队通过连续三年的大田试验，比较了覆膜再生稻和单季稻的温室气体排放及净生态系统经济预估。研究结果表明：与中稻季相比，再生季CH4排放降低78%，可能与再生季生育期短、气温低、根际分泌物少和植株生物量小有关。再生稻田的CH4年排放量比常年淹水稻田低58%，比雨养稻田高67%，与覆膜单季稻田相当。再生稻田的N2O年排放量是其它三类稻田的1.90~8.68倍，这归因于再生稻促芽肥和发苗肥的施用。尽管再生稻种植增加了N2O排放，但其综合温室效应仍比常年淹水稻田低50%，且两季水稻总产量最高（9.78 t ha–1），因此，其温室气体排放强度（1.02 t CO2-eq t–1 yield）比常年淹水稻田和覆膜单季稻田低57%和12%。由于再生季米质优、市场价格高，增加了产量收益，在碳排放成本与覆膜单季稻田相当的情况下，再生稻田的净生态系统经济预估最高为4827 CNY ha–1 y–1，比其它三类稻田高726~5806 CNY ha–1 y–1。种植再生稻在显著增加水稻产量和净生态系统经济预估的同时可以减少温室气体排放强度，是值得在我国西南地区推广的具有良好前景的水稻栽培模式。

该研究成果得到国家重点研发计划、国家基金委、中国科学院青年创新促进会等项目资助，相关论文发表在Journal of Cleaner Production期刊上。

文章链接

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126650

图1 四种水稻栽培模式比较

植被演替对亚热带喀斯特区土壤质量的影响研究获进展

我国西南地区喀斯特地貌广布且水土流失和石漠化问题严重，外加过度的人为干扰进一步导致该地区土壤质量下降。在实施生态修复工程后，随着次生植被演替的逐步进行，土壤功能和质量发生了不同程度的改变。开展不同的植被演替对土壤质量影响的研究，有助于为脆弱喀斯特地区的生态修复和管理提供实践和理论的支持。 

中国科学院亚热带农业生态研究所徐宪立研究团队在贵州省普定县陈旗小流域以空间代替时间的方法，选取次生林、灌丛、草地和耕地（对照）等四种典型植被演替阶段的土壤为研究对象，分析土壤的理化指标，考虑喀斯特区土壤浅薄这一特性另采集土壤厚度指标，通过构建基于全数据集法（TDS）和最小数据集法（MDS）的土壤质量指数（SQI）对不同演替阶段的土壤质量进行评估。 

研究表明：（1）土壤指标和土壤质量指数在不同植被演替阶段都呈现显著性差异（P<0.05），植被演替对土壤质量产生显著影响。（2）两种方法都显示从耕地到次生林地，土壤质量指数不断提升，次生林地对土壤质量的恢复能力更高。最小数据集法（MDS）在评价土壤质量时和全数据集法（TDS）相比，具有足够的精确度。（3）广义线性模型（GLM）结果证实造成土壤质量变异的最主要因素是植被类型其次是退耕年限。 

相关研究成果以Improvements in soil quality with vegetation succession in subtropical China karst为题，发表在Science of The Total Environment上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中科院跨学科创新团队的资助。 

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721009438

植被演替对亚热带喀斯特区土壤质量的影响研究获进展 

植物所土壤碳稳定机制研究获进展

土壤中储存着约2.4万亿吨碳，是陆地生态系统最大的碳库，其微小变化会引起大气CO2浓度的显著改变。因此，阐明土壤碳稳定机制对于准确预测陆地碳循环与气候变暖之间的反馈关系十分重要。然而，以往研究主要关注气候、土壤有机质组成和矿物保护等非生物因素的作用，植物碳输入如何影响不同层次土壤有机碳的周转及其稳定性尚不清楚。

中国科学院植物研究所研究员杨元合研究组以青藏高原高寒草地为研究对象，基于样带调查、14C同位素技术以及全球尺度的整合分析等手段，揭示了植物碳输入对不同层次土壤碳稳定性的影响差异。研究发现，随着植物碳输入增加，表层土壤碳稳定性减弱。同时，植物碳输入超过其他非生物因素的作用，是影响表层土壤有机碳稳定性的关键因素。然而，随着土壤深度的增加，植物碳输入的调控作用逐渐减弱，矿物保护则成为决定深层土壤碳稳定性的主要因素。基于全球土壤14C数据库的分析进一步证实了区域尺度上观察到的“不同层次土壤碳稳定性调控因素存在差异”的规律。上述发现拓展了学术界关于土壤碳稳定机制的认识，为提高地球系统模型对土壤碳动态的预测能力提供了实验依据。

3月12日，相关研究结果在线发表在Ecology Letters上。植物所研究员陈蕾伊为论文第一作者，杨元合为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助。

论文链接 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/ele.13723

植物碳输入和矿物保护调控土壤有机碳的稳定性

广东省科学院生态环境与土壤研究所揭示不同水分管理下稻田中锑的迁移转化及其微生物群落响应机制

近日，广东省科学院生态环境与土壤研究所孙蔚旻研究员团队在不同水分管理下稻田中锑形态及其微生物群落研究取得新进展，揭示了不同水分管理下稻田中锑的迁移转化及其微生物群落响应机制，对水稻的安全种植具有潜在的实践价值。

锑（Antimony，Sb）是一种具有毒性和致癌性的类金属，稻米中锑（Sb）的积累对人民生命安全造成了严重的威胁。据报道，与淹水（厌氧）管理相比，旱作（好氧）管理可大大减少水稻对Sb的吸收，此外，微生物是稻田中Sb地球化学行为的主要驱动力之一。然而，目前不同水分管理驱动土壤-水稻系统中Sb转运的微生物机制知之甚少。不同水分管理下稻田中的微生物可能存在不同的微生物群落结构，对锑的迁移转化也可能存在着不同的响应机制。因此，研究不同水分管理下稻田中锑形态和微生物群落结构具有重要的科学意义。

基于此，孙蔚旻研究员团队对淹水（厌氧）和旱作（好氧）水分条件下稻田中锑形态和微生物群落进行探索。通过生物学盆栽手段、地球化学分析结果表明，旱作水分管理条件明显降低了水稻根和谷粒中Sb积累，而且降低了土壤Sb(III)含量。通过分子生物学分析结果表明，旱作水分管理条件下，Sb氧化的基因（aioA）得到显著富集，淹水条件下，Sb还原基因（arrA）得到显著富集，这揭示了氧化还原条件变化可能驱动不同微生物群落对Sb的响应。通过高通量测序分析结果表明，Singulisphaera, Aquisphaera和Mycobacterium为水稻根际土壤的核心微生物菌群，其对水稻健康生长具有一定的促进潜能，Candidatus Udaeobacter , Conexibacter 和 Ellin6067为旱作水稻根际土壤主要微生物菌群，Geobacter， Anaeromyxobacter和Anaerolinea为淹水水稻根际土壤主要微生物菌群，这些微生物菌群与稻田中Sb的迁移转化密切相关，对水稻Sb的吸收起到了重要的影响。

该研究受到了广东省科学院先导项目的资助，相关研究成果发表在环境科学一区期刊《Science of the Total Environment》（IF=6.551）。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145408

湖南农大张振华教授课题组关于稻油轮作系统提质增效机制研究取得新进展

SBB:比表面积大的生物炭可招募更多N₂O还原菌减少N₂O排放

来源：湖南农大张振华教授供稿

文献信息：Jiayuan Liao^#,Ang Hu^#, Ziwei Zhao, Xiangrong Liu, Chu Jiang, Zhenhua Zhang^*.Biochar with large specificsurface area recruits N₂O-reducing microbes and mitigate N₂Oemission[J].Soil Biology and Biochemistry, Available online 13March 2021. DOI:10.1016/j.soilbio.2021.108212

Soil Biology and Biochemistry最新影响因子：5.795

秸秆制备成生物炭还田既可以培肥土壤，又可以高效循环利用稻油轮作系统生产的大量秸秆资源，是一举两得的好措施。但是，生物炭还田对于稻田氮循环的调控机制研究有待进一步加强，以期为生物炭还田技术的推广应用提供理论支撑。

湖南农大“南方粮油作物协同创新中心”张振华教授团队近年系统开展了稻油轮作系统提质增效机制研究，相关成果已分别发表在Biology andFertility of Soil, Plant and Soil和Scientific Reports等期刊。特别是近期（3月14号）在线发表于SBB的文章较为全面的解析了粮油作物秸秆生物炭还田对于土壤氮循环和N₂O温室气体排放的调控机制，具体内容如下：

摘要

研究发现定殖于生物炭的微生物具有氮代谢能力。比表面积更大的生物炭或许可以提高N₂O还原菌的丰度，从而减少N₂O排放，但其机制有待研究。本研究制备了3种不同比表面积生物炭（比表面积分别为：1193，2023，2773 m²·g^-1），进行56天的土壤培养试验，探究不同比表面积生物炭对N₂O排放的影响。以典型南方双季稻田土壤为基质，设置5个处理：土壤无添加处理，单施尿素处理，尿素分别与3种不同比表面积生物炭混合添加处理。结果表明，N₂O排放量随着生物炭比表面积先增加后减少，当生物炭比表面积达到2773 m²·g^-1时，与单施尿素处理相比N₂O排放降低了37%。比表面积更大的生物炭通过增加土壤pH值、C/N比、氮有效性和阳离子交换量，提高土壤细菌和N₂O还原菌群落的多样性。固氮(nifH)、硝化(amoA)和反硝化(nirK、nirS和nosZ)功能基因丰度随着生物炭比表面积增大而增大。相比于单施尿素处理，比表面积较小的生物炭通过增加amoA的丰度促进硝化作用显著提高了N₂O的排放。同时nosZ的丰度随着生物炭比表面积的增加而增加，当生物炭比表面积达到2773 m²·g^-1时，nosZ/(amoA+nirS+nirK)的比值最大，显著降低了N₂O的排放。此外，nifH、amoA、nirK和nosZ在生物炭（培养56 天后从土壤中提取）与土壤中的丰度呈正相关关系。因此，在农业生态系统中使用生物炭时应考虑其比表面积，同时不能忽视定殖于生物炭上的微生物，因为比表面积较大的生物炭招募更多N₂O还原菌，减少了N₂O排放。

Figure 1. Scanning electronmicrograph (SEM) (a), specific surface area (b), total pore volume (c) andtotal pore diameter (d) of different biochars (biochar1: B1, biochar2: B2, andbiochar3: B3). Red arrows in panel (a) show the porous structure of biocharthat serves as a potential habitat for microorganisms.

Figure 2. Temporal (a), cumulative (b) N₂O emissions,dynamic variation of NH₄⁺ (c) and NO₃^-(d) contents in five experimental groups during 56 days of incubation.Statistically significant differences among treatments are represented bydifferent lowercase letters (p < 0.05). No addition (Control), urea only (+N), and three kinds of SSA combinedwith urea (NB1, NB2 and NB3).

Figure 3. Bacterial communitycompositions among different experimentalgroups. Principal componentanalysis (PCA) of bacterial community based on 16S-rRNA gene (a). Alpha diversity indices (i.e., Chao1 andshannon) of bacterial community (b). Relative abundances of bacterialphyla. “Other” refers all other taxa with abundances lower than 0.9% (c). The abundant bacteria at the OTU level andtheir cluster analysis in different treatments as visualised by heatmaps (d).The color intensity of the scale indicated the relative abundance of eachphylum. Relative abundance was defined as the number of sequences affiliatedwith that taxon divided by the total number of sequences per sample (%). Noaddition (Control), urea only (+N), and three kinds of SSA combined with urea(NB1, NB2 and NB3).

Figure 4.Community composition based on nosZgene in biochar and soil. Principalcomponent analysis (PCA) of bacterial community based on nosZ gene in biochar (a). Relative abundances of total OTUs in soil(b). Statistically significant differences among experimental groups are represented by different lowercase letters(p < 0.05). Urea only (+N),and three kinds of SSA combined with urea (NB1, NB2 and NB3). Electronmicrographs of FISH for OTU5 (red region) on different SSA biochar, Post-B1-3:represented B1-3 extraction from soil after 56 daysincubation (c).

Figure 5. Effects of biochar and N addition on the abundanceof nosZ (a), nosZ/(nirK+nirS)(b), nosZ/(AOA amoA+AOB amoA) (c), and nosZ/(nirK+nirS+AOA amoA+AOB amoA) (d). Error bars are standard errors (n = 3).Statistically significant differences among experimental groups are represented by different lowercase letters(p < 0.05). No addition(Control), urea only (+N), and three kinds of SSA combined with urea (NB1, NB2and NB3).

Figure 6. The abundance of AOA amoA (a), AOB amoA (b), nirK (c), nirS (d), nosZ (e) and nifH (f) on different SSA biochar, Post-B1-3: represented B1-3extraction from soil after 56 days incubation. Statistically significantdifferences among experimental groupsare represented by different lowercase letters (p < 0.05).

Figure 7. The relationships between the abundance of AOA amoA, AOB amoA, nirK, nirS, nosZ and nifH withbiochar specific surface area (a), total pore volume (b) and total porediameter (c), and the relationships of these genes on biochar and in soil (d). Solid lines indicate the predicted relationshipsare significant (p < 0.05) basedon linear regression estimated using ordinary least squares.

Figure 8. The relationships betweenN₂O flux and AOA amoA copy numbers (a); AOB amoA copynumbers (b); ratio of nosZ/(AOA amoA+AOBamoA) (c); ratio of nosZ/(nirK+nirS)(d); nosZ/(AOA amoA+AOB amoA+nirK+nirS) in soil(e), and relationships between total N₂O and nosZ in biochar(f), as determined by regression analysis. Gene copy numbers were logtransformed before regression analysis.

原文链接

https://authors.elsevier.com/sd/article/S0038-0717(21)00084-5

“文章得到科技部国家重点研发计划项目（2017YFD0200100）资助”。

该系列研究课题组近期文章：

(1) Lu Sheng, Joe Eugene Lepo, Song Haixing, Guan Chunyun, Zhang Zhenhua*. Increased rice yieldin long-term crop rotation regimes through improved soil structure, rhizospheremicrobial communities, and nutrient bioavailability in paddy soil. Biologyand Fertility of Soil, 2018, 54:909-923

(2) ShengLu, Haixing Song, Chunyun Guan, Joe Eugene Lepo, Zhimin Wu, Xinhua He, ZhenhuaZhang*. Long-term rice-rice-rape rotation optimizes 1,2-benzenediolconcentration in rhizosphere soil and improves nitrogen-use efficiency and ricegrowth. Plant and Soil, 2019, 445:23-37.

(3)Xiangrong Liu, Jiayuan Liao, Haixing Song, Yong Yang, Chunyun Guan, Zhenhua Zhang*. A Biochar-Based Route for Environmentally FriendlyControlled Release of Nitrogen: Urea-Loaded Biochar and Bentonite Composite.Scientific Reports, 2019, 9:9548.

(4) LiaoJiayuan, Liu Xiangrong, Hu Ang, Song Haixing, Chen Xiuzhi and Zhang Zhenhua*.Effects of biochar-based controlled release nitrogen fertilizer on nitrogen-useefficiency of oilseed rape (Brassica napus L.). Scientific Reports,2020, 10:11063.

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英国生态学会2006年度图书奖

《土壤生物学——群落与生态系统方法》

ISBN：978-7-04-055369-7

作者：Richard Bardgett

译者：周小奇  王艳芬

出版时间：2021年3月

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