南京农大汪鹏教授课题组发现自由基效应是影响稻田土壤镉释放的重要作用机制等8则进展|（国内土壤科研进展2021年第17期）
导 读
南京农大汪鹏教授课题组发现自由基效应是影响稻田土壤镉释放的重要作用机制等8则进展。
来源：根据南京农大资环学院网站、南京土壤研究所网站、中科院网站等近期相关报道及作者来稿整理。
汪鹏教授课题组发现自由基效应是影响稻田土壤镉释放的重要作用机制
稻田具有周期性交替的土壤淹水还原和排水氧化过程，这些过程对土壤镉有效性以及水稻籽粒镉的积累有着重要的影响。在土壤淹水还原阶段，硫酸盐还原会导致亲硫重金属（包括镉）生成难溶的金属硫化物，会显著降低土壤镉的有效性；在土壤排水氧化阶段，硫化镉会重新氧化溶解，导致土壤镉的释放，镉的有效性大幅提高。然而，目前对排水氧化过程中土壤镉释放机制及影响因素的认识尚不清楚。南京农业大学汪鹏教授课题组前期揭示了金属硫化物之间形成的原电池（voltaic cell）是控制稻田土壤排水过程中镉释放的重要作用机制（Huang et al., Environ. Sci. & Technol. 2021, 55, 1750-1758）。在土壤淹水阶段，无定形铁氧化物会发生还原溶解，释放大量游离的亚铁离子，能与硫酸盐还原产生的S2-/HS-结合生成硫化亚铁（FeS）。在土壤氧化阶段，FeS与硫化镉能形成原电池，影响硫化镉的氧化溶解，同时，FeS氧化能产生羟基自由基（•OH），这一过程是否会影响硫化镉的氧化溶解，目前也不是很清楚。
围绕以上问题，汪鹏教授课题组通过一系列土壤培养试验，土壤胶体原位表征和稳定同位素标记试验，以及光谱和能谱等分析方法，揭示了自由基（free radical）直接氧化作用是影响硫化镉氧化溶解的另一个重要作用机制。在土壤氧化阶段，FeS主要通过三种作用来影响硫化镉的氧化溶解（图1）。首先，在土壤氧化的初始阶段，FeS与CdS之间能形成原电池，该效应能抑制CdS的氧化溶解。其次，随着土壤氧化的进行，FeS氧化产生羟基自由基，改变了FeS的电化学势，从而削弱甚至逆转了原电池效应。第三，产生的羟基自由基能直接氧化CdS，促进了CdS的氧化溶解。随着土壤氧化的进行，第三种效应逐渐起主导作用，从而导致土壤镉释放大幅增加。
金属硫化物之间的原电池效应和FeS氧化介导产生的自由基效应是控制稻田土壤氧化阶段镉释放的重要作用机制，是导致不同土壤镉释放速率存在差异的重要原因。这些研究结果对认识稻田土壤镉的生物地球化学过程有着重要的意义，这些机制不仅适用于稻田环境，还适用于厌氧-好氧循环交替的体系以及河流沉积物、湿地土壤等环境体系，对元素的生物地球化学循环过程有着重要的影响。
图1. 自由基效应对稻田土壤硫化镉氧化溶解的影响
该研究成果以“Free Radicals Produced from the Oxidation of Ferrous Sulfides Promote the Remobilization of Cadmium in Paddy Soils During Drainage”为标题发表在Environmental Science & Technology上，南京农业大学博士研究生黄辉为该论文第一作者，汪鹏教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目的资助。
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https://doi.org/10.1021/acs.est.1c00576
汪鹏教授课题组揭示稻田土壤中毒性砷化合物（二甲基一巯基砷）的动态变化规律和作用机制
稻米是人体无机砷摄入的主要来源，而砷在水稻土中的化学形态多样，且不同形态砷的毒性及生物有效性截然不同。因此，水稻土中不同形态砷的迁移转化过程对水稻籽粒中砷的积累及其安全具有重要意义。近期的一些研究发现稻田土壤中除了存在无机砷（如无机三价砷及五价砷）与甲基砷[如一甲基砷及二甲基砷（DMA）]外，还广泛存在着巯基砷化合物，包含无机巯基砷及甲基巯基砷，其中二甲基一巯基砷（DMMTA）具有高毒性。然而目前关于二甲基一巯基砷在稻田土壤中的生物地球化学过程及其在稻米中的积累等尚不清楚。
图1.稻田土壤中二甲基一巯基砷（DMMTA）的动态变化
近日，我院汪鹏教授课题组首先合成了甲基巯基砷标准物质，建立了利用传统的高效液相色谱串联电感耦合等离子体质谱仪（HPLC-ICP-MS）分析及保存土壤孔隙水中甲基巯基砷种类的方法。利用该方法结合实验室微宇宙培养试验和大田试验，研究了不同砷污染水稻土孔隙水中二甲基一巯基砷的动态变化及籽粒积累。研究发现，淹水条件下，二甲基一巯基砷为土壤孔隙水中主要的甲基巯基砷形态，其浓度占溶解态砷的1 ~ 34%，且其产生及动态变化由DMA控制。通过微生物专性抑制剂，发现DMMTA的产生主要由硫酸盐还原菌介导，而其消亡主要由产甲烷菌介导，即厌氧条件下，土壤中无机砷倾向先甲基化为DMA，再巯基化为DMMTA；在厌氧后期，DMMTA由于产甲烷菌的脱甲基作用而消亡。在好氧条件下，DMMTA会氧化脱巯基化为DMA（图1）。大田试验发现，DMMTA也是大田土壤中孔隙水中主要的甲基巯基砷形态，且DMMTA能在水稻籽粒中积累，施加硫肥和秸秆还田都能导致籽粒中DMMTA增加。这些结果表明，DMMTA是水稻土中重要的砷形态，可在水稻籽粒中积累，会对食品安全和人体健康构成威胁。
该研究成果以“Dynamics of di-methylated monothioarsenate (DMMTA) in paddy soils and its accumulation in rice grain”为标题发表在Environmental Science & Technology上，博士生戴军为该论文第一作者，汪鹏教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金及国家重点研发计划项目的资助。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c00133
南京土壤所在农田管理影响捕食性粘细菌群落结构方面取得进展
捕食被认为是一种重要的进化和生态力量，影响着生态系统的群落结构和功能，是驱动生态系统多样性的关键因素。捕食性细菌在土壤微生物食物网中具有很强的代谢活性与捕食行为，能够驱动土壤微生物群落的变化，然而目前对不同农田管理措施下土壤捕食性细菌的群落结构、丰度及其对细菌群落的影响还知之甚少。
南京土壤研究所王辉研究员团队与南京农业大学崔中利教授团队合作，利用16S rRNA基因测序技术，对长江流域6对有机和常规管理的农田土壤进行了捕食性细菌丰度分析。研究发现，10组优势捕食性细菌相对丰度占所有土壤样品中总细菌群落的0.53 ~ 16.27%，其中捕食性粘细菌的丰度最高，且在调查的所有土壤类型中均有分布；多数捕食性细菌的丰度与土壤pH显著正相关(P <0.05)。与常规管理相比，有机管理显著提高了粘细菌的相对丰度，粘细菌与土壤细菌群落的α多样性指数（Shannon和ACE）显著正相关。网络分析表明，粘细菌与其他营养相关的细菌存在显著的共现性。
为进一步探究不同施肥管理对土壤粘细菌群落的影响，研究团队采用高通量绝对丰度定量(HAAQ)技术和16S rRNA基因测序技术，研究了长期不同施肥措施（29年）对红壤中粘细菌的丰度和细胞密度的影响。研究结果表明，与有机肥处理相比，氮肥施用显著降低了粘细菌的丰度、拷贝数、物种积累指数(S)和Shannon指数(P < 0.05)，氮肥处理的OTU数量仅为有机肥处理的24.4%，且显著降低了低丰度粘细菌OTU的数量(P < 0.05)。网络分析、冗余分析(RDA)和随机森林分析(RF)表明，粘细菌丰度和拷贝数是预测土壤细菌群落和功能基因多样性最重要的变量(P < 0.05)，氮肥施用引起的土壤酸化是引起土壤中粘细菌丰度和拷贝数下降的主要驱动因素。
相关成果发表在Applied Soil Ecology（2020）、Science of the Total Environment（2020）上，研究工作得到国家重点研发计划、国家“973”计划和国家自然科学基金的资助。
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0929139319302616?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004896971935106X?via%3Dihub
UpSet图 不同农田管理措施下粘细菌OTUs之间的关系
南京土壤所在蚯蚓肠道微生物研究方面取得进展
蚯蚓对陆地生态系统中有机物的分解与养分循环起着重要的作用。蚯蚓通过肠道转运分解有机物，即有机物在前肠和中肠的消化、同化和后肠的排泄过程，但有机物在蚯蚓肠道转化过程中其微生物群落的变化尚不清楚。
南京土壤研究所王辉研究员团队博士研究生王宁采用腐熟牛粪饲喂赤子爱胜蚓（(Eisenia fetida），并采集蚯蚓前肠、中肠和后肠内容物样品，进行细菌16S rRNA基因测序分析，发现蚯蚓肠道转运降低了牛粪中优势门类变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度，增加了放线菌门(Actinobacteria)、绿杆菌门(chloroflex)和酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度；蚯蚓中肠细菌群落的α多样性最低，前肠细菌群落结构与中肠和后肠存在显著差异，而且不同肠段对蚯蚓摄入的菌群有不同的选择性刺激和抑制作用，这些作用还会延伸到蚯蚓粪中。FAPROTAX功能预测的结果表明，蚯蚓肠道中富含C和N代谢菌群。参与发酵和产甲烷的菌群在后肠富集，反硝化菌群在前肠富集。经蚯蚓肠道转运刺激后，蚯蚓粪中氮代谢菌群得到显著富集，动植物病原菌群受到抑制。结合相关性和生化特征分析结果显示，蚯蚓肠道转运显著改变了细菌群落的结构和功能，加速了有机质的降解矿化和磷、钾养分的富集。这些研究结果表明，蚯蚓肠道转运过程在陆地生态系统中有机物降解与养分循环过程中起着重要的调节作用。
该研究得到国家自然科学基金，国家重点研发计划支持。研究结果已在Science of the Total Environment上发表。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721024633?via%3Dihub
蚯蚓不同肠段和蚯蚓粪富集和消耗的ASVs数量
蚯蚓肠道转运过程中的潜在碳氮代谢功能菌群
南京土壤所在铬污染场地土壤噬菌体组学研究方面取得进展
噬菌体 (Bacteriophage) 是一类专性捕食活体细菌或古细菌的病毒，其生化结构主要由蛋白衣壳和核酸组成，根据形态特点可划分为：有尾、短尾 (或球状) 和丝状噬菌体等。噬菌体长度通常在20~200 nm，在土壤、水、空气乃至人/动物体表、口腔、肠道内均有大量定殖。据估算环境中噬菌体总数量级约为1031。国内外学者针对养分胁迫、深海高压、极端气候等环境条件下，噬菌体-宿主群落组成及多样性变化机制，已有较多报道。已有研究表明，噬菌体-宿主群落共同应对逆境的响应特征，能够反映环境因子的胁迫压力。探究重金属胁迫下土著噬菌体-宿主群落生态响应过程，对于表征污染物毒性具有重要指示意义。
中国科学院南京土壤研究所蒋新课题组叶茂副研究员与美国Rice大学Pedro J. J. Alvarez院士团队俞萍锋博士合作，以位于四川泸州和甘肃张掖等铬渣污染场地作为典型研究对象，结合宏基因组学、宏病毒组学和分子生物学等技术，探究了铬污染场地土壤中噬菌体-宿主细菌群落结构组成与多样性特征，揭示了梯度铬胁迫下土著噬菌体群落的生存策略及耐受机制。结果显示：随着铬污染胁迫增加，噬菌体-宿主交互作用由“捕食关系”逐渐转向“互利共生”；其中侵染高抗性宿主、多价噬菌体与溶源策略是铬污染场地中噬菌体群落主要的逆境适应机制；并且噬菌体作为重要的重金属抗性基因储存库，可通过溶源转化促进抗性基因在宿主群落间的传播，进而实现对宿主抵御重金属毒害能力的调控。该研究结果可为重金属污染土壤微生物修复技术的发展提供新的理论思路和科学依据。
相关研究工作已在国内外知名学术期刊Microbiome、Environment International、Environmental Pollution、《土壤学报》和《土壤》上发表。上述研究得到了国家重点研发计划项目、江苏省优秀青年基金、中国科学院青年创新促进会项目等资助。
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https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-021-01074-1
土著噬菌体-宿主群落生存策略转化
研究发现土地利用的遗留效应削弱土壤有机碳稳定性
热带亚热带森林土壤有机碳固存在缓解全球气候变化中扮演关键角色。人类活动对该区域土壤碳汇潜力的影响受到广泛关注，但土地利用历史带来的遗留效应（legacy effect）如何影响土壤有机碳稳定性尚不清楚。
中国科学院华南植物园生态与环境科学研究中心博士后苏芳龙在研究员鲁显楷的指导下，在鼎湖山国家自然保护区选取了两类典型的南亚森林生态系统，即季风常绿阔叶林（原始林，林龄>400年）和马尾松针叶林（人工林，原始林皆伐后进行马尾松再造林形成，林龄约80年），以土壤有机碳物理化学保护为切入点，探讨了两类森林土壤有机碳的固存机制。研究发现，原始林比人工林具有更大的土壤碳库。大团聚体（直径>250 μm）或重组（密度>1.8 gcm-3）有机碳是两种森林土壤有机碳分布的主要形式，其在总有机碳中的比例基本一致。然而，在微团聚体（直径<250 μm）保护与土壤矿物保护方面，原始林和人工林有明显不同。在同层土壤，人工林中微团聚体有机碳含量高于原始林，但是原始林中矿物结合碳（钙结合碳与铁铝结合碳）含量显著高于人工林，导致人工林土壤有机碳稳定性低于原始林。
研究表明，原始阔叶林向人工针叶林的转变导致土壤有机碳的物理化学保护发生改变，削弱了土壤碳固存能力；森林植被组成的改变对土壤结构和碳储存的影响具有长久性。该研究可为森林碳汇经营管理提供重要的决策依据。
相关研究成果发表在Journal of Environmental Management上。研究工作得到国家自然科学基金、中科院青年创新促进会基金、广东省自然科学基金和中国博士后科学基金等的支持。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479721012044?dgcid=coauthor
南亚热带原始林（BF）和人工林（CF）土壤矿物结合有机碳与团聚体有机碳的分配格局。
成都生物所在高寒森林植物根系调控土壤氮素转化过程研究中获进展
土壤氮养分有效性是高寒森林生产力和结构、功能稳定性的重要限制元素。前期大量研究表明，高寒针叶树种根系偏好吸收铵态氮；相对于非根际区而言，根际通常具有更高的铵态氮养分供给模式。然而，目前学界对上述生态现象的根际土壤N素循环微生物调控过程尚不清楚，这在一定程度上制约了对高寒森林群落结构和功能稳定的根际养分维持机制这一前沿基础科学问题的深入认识。
针对上述问题，中国科学院成都生物研究所森林生态过程与调控项目组尹华军团队以青藏高原东缘典型的高寒针叶林为研究对象，以根际N素转化微生物过程为核心，利用15N稳定性同位素标记技术，探究了高寒针叶林树木根系如何差异化地调控土壤NH4+和NO3-的产生和留存过程的方向与幅度。结果表明，与非根际土壤相比，根际土壤具有更高的总N矿化、NH4+的微生物固持和硝酸盐异化还原为铵的速率，而表现出较低的总硝化速率。总体而言，高寒森林植物通过根系活动促进了根际土壤NH4+的产生与留存，同时限制了NO3-的产生，从而实现了根际高效NH4+养分供给模式。该研究为深入理解高寒森林根系养分获取策略及其群落结构和功能稳定性维持的根际养分维持机制提供了新见解。
相关研究成果以Roots regulate microbial N processes to achieve an efficient NH4+ supply in the rhizosphere of alpine coniferous forests为题，发表在Biogeochemistry上。研究工作获得国家自然科学基金和四川省科技计划项目的资助。
论文链接
https://link.springer.com/article/10.1007/s10533-021-00811-w
高寒针叶林根际土壤总N产生与留存概念框架示意图。NH4+产生与留存：总矿化（GM）和NH4+的微生物固持（IA）；NO3-产生与留存：总硝化（GN），NO3-的微生物固持（IN）和硝酸盐异化还原为铵（DNRA）。（方框表示土壤氮库，箭头表示土壤N通量。实线表示根际效应显著，虚线表示根际效应不显著）
西北农林科技大学水保所安韶山研究员团队在黄土高原乔木及草地光合碳在植被-土壤系统间的分配取得新进展
文/白雪娟
研究目的
森林和草地生态系统是陆地生态系统重要的碳库，碳在乔木和草本植物-土壤系统中分配的微小变化会对陆地生态系统碳平衡产生显著影响。植物叶片通过光合作用固定大气中的CO2是陆地生态系统主要的碳来源，光合作用固定的碳经过韧皮部及根系进入到土壤中，形成土壤有机碳。然而，C循环研究的进展往往受到建模所需的野外数据，特别是关于演替阶段植被和植被类型中C分配动态数据缺乏的阻碍。黄土高原经过30多年的植被恢复，乔木及草本植被覆盖度及土壤有机碳含量均大幅度提高。在气候变化背景下，开展乔木和草本光合碳在植物-土壤中分配的研究，对进一步加深森林及草地生态系统固碳能力的理解、定量估算植被类型或者措施对土壤有机碳固定的速率有重要意义，对准确估算植被恢复对“碳达峰”和“碳中和”战略目标的实现提供了重要的计算依据。
西北农林科技大学水土保持研究所安韶山研究员团队联合德国哥廷根大学，运用13C同位素原位标记技术，首次研究了黄土高原恢复乔木及草地新近光合碳在植物-土壤系统间的分配。结合已有研究，估算了黄土高原子午岭林区典型建群种山杨和辽东栎年均净根际碳沉积量；通过计算不同封育年限草地植物-土壤系统13C分配比例，为草地植被恢复土壤有机碳含量变化提供直接的数据支撑。
研究方法
本研究以黄土高原子午岭典型乔木山杨和辽东栎及云雾山自然保护区恢复5、10和30年草地为研究对象，运用13C脉冲标记原位标记后探究新近光合碳在植被-土壤系统间的分配。于2017年8月（植被地上生物量几乎达到最大）在连续几天晴天的情况下，利用Na213CO3（99 atom% 13C）与稀H2SO4反应产生13CO2，植物叶片进行光合作用固定13CO2进行标记。
分别选取3个山杨和辽东栎样地（40 m×40 m），每个样地内选取3株恢复年限为3-5年，高度为3 m左右的山杨和辽东栎，用透光不透气的PVC装置（1.5 × 1.5 × 4.0 m）罩住植株进行标记（图1）。在标记前清除样地内的杂草，并用胶将装置底部土壤密封，防止杂草及林下土壤吸收13CO2。在上午9点左右开始标记，于下午5点左右结束标记并撤掉标记装置。在标记后的当天、5天、12天和21天采集标记后的植物（叶片、茎和根系）和土壤（0-10 cm、10-20 cm和根际土）样品，并采集未标记的对照样品。
利用“时空互带”方法，在云雾山自然保护区分别选取3个（10 × 10 m）过度放牧地、封育5年、10年和30年样地，在每个样地选取3个标记样方（1 × 1 m），用透光不透气的PVC装置（1 × 1 × 0.5 m）罩住样方内植被进行标记（图2）。在上午9点左右开始标记，于下午5点左右结束标记并撤掉标记装置。同时利用碱液吸收法原位测定草地植被呼吸和土壤呼吸。在标记后的3天、10天、19天和30天采集标记后的植物（地上部和根系）和土壤（0-10 cm、10-20 cm和根际土）样品，并采集未标记的对照样品。
图1 山杨和辽东栎原位标记装置
图2 草地原位标记装置
研究结果
对山杨和辽东栎标记后发现，山杨和辽东栎表层土壤富集的新近光合碳在标记后的第5天达到最大值，表明光合碳的运输具有时效性（图3）；标记6小时后，山杨和辽东栎叶片13C分配比例达到90%，且随着标记后采样时间逐渐降低（图4）；山杨和辽东栎茎、根系和土壤中13C分配比例随着标记后采样时间逐渐增大。将根系和土壤中13C分配比例做相关性发现，山杨和辽东栎土壤中13C分配比例均随着根系13C分配比例呈线性增大趋势。结合本研究根系和土壤13C分配比例间的相关性及已有研究，我们得到山杨和辽东栎地下净输入碳量分别为109和283 g C m2 yr-1，其中包括4.2和28 g C m2 yr-1的净根际碳输入量。
图3 山杨和辽东栎土壤中富集的13C 绝对量
图4 山杨和辽东栎根系中和土壤中13C分配比例相关关系
图5山杨和辽东栎植被-土壤系统13C分配比例变化及根际碳输入量
不同封育草地土壤中富集的13C绝对含量均高于过度放牧地（图6），标记后3天，封育5年、10年和30年草地土壤中富集的13C绝对含量分别为71.4 g m2、57.7 g m2和39.1 g m2，均显著高于过度放牧地，有趣的是，我们发现封育5年草地土壤中富集的13C绝对含量显著高于封育10年和30年。通过计算草地植被呼吸、土壤呼吸、植被地上部、根系和土壤13C分配比例发现，从标记后第3天到标记后30天，草地植被呼吸和土壤呼吸产生的CO2中的13C分配比例逐渐增大，且过度放牧地高于封育草地，封育30年草地植被呼吸产生的CO2中的13C分配比例高于封育5年和10年。因此，封育草地通过增大植被地上部固定CO2量及降低植被-土壤呼吸导致土壤富集的13C绝对含量高于过度放牧地；封育10年及30年草地土壤富集的13C绝对含量低于封育5年主要是因为前者通过植被-土壤呼吸消耗的新近光合碳高于后者。
图6过度放牧地及封育草地土壤中富集的新近光合碳绝对含量
图7过度放牧地及封育草地植被-土壤系统中13C分配比例变化趋势
该系列成果已发表在国际期刊Geoderma和Biology and Fertility of Soils上。该研究工作得到了国家自然科学基金（41671280, 42077072, 41877074和41771317）等项目的资助。
相关文章链接：
1. Xuejuan Bai, Yimei Huang, Baorong Wang, Yakov Kuzyakov, Shaoshan An*. Belowground allocation and fate of tree assimilates in plant-soil-microorganisms system: 13C labeling and tracing under field conditions. Geoderma. 2021. 404: 115296.
2. Xuejuan Bai, Xuan Yang, Shumeng Zhang, Shaoshan An*. (2021). Newly assimilated carbon allocation in grassland communities under different grazing enclosure times. Biology and Fertility of Soils. 57: 563-574.
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