化肥有机替代促进水稻土氮素积累的微生物机制研究取得新进展等7则进展|（国内土壤科研进展2021年第19期）

导    读

化肥有机替代促进水稻土氮素积累的微生物机制研究取得新进展等7则进展。

来源：根据中国科学院、中科院亚热带农业生态研究所、南京土壤所、沈阳应用生态研究所、中国农科院等单位网站近期相关报道整理。

化肥有机替代促进水稻土氮素积累的微生物机制研究取得新进展

作者：陈香碧 

微生物是驱动土壤生态系统元素生物地球化学循环的引擎。在氮循环方面，微生物通过分解代谢将土壤中大分子有机物解聚、矿化，向土壤释放矿质氮（NH4+-N），持续供应作物生长所需的矿质氮。与此同时，微生物通过合成代谢产物的迭代过程（摄取底物-细胞生长-繁殖-死亡-残留物积累）将非稳态有机质转化为稳定态土壤有机质，从而促进土壤有机态氮固定、减少氮素损失。农业生产中，有机肥替代部分化肥已被证明能高效促进土壤氮积累。然而，与单施化肥相比，化肥有机替代下土壤氮积累的增量来源、稳定性及其微生物机制并不清楚。 

中国科学院亚热带农业生态研究所苏以荣研究员团队基于31年长期施肥定位试验，研究了有机物料（水稻秸秆和有机粪肥）替代部分化肥下水稻土中微生物残留物积累特征，并计算了化肥有机替代下土壤氮积累的增量来源。结果表明，有机物料替代显著增加了微生物生长速率，促使总微生物生物量增加，进而微生物残留物积累增加，这是化肥有机替代促进土壤氮积累的重要来源之一。具体来说，有机肥替代30~60%化肥比单施化肥的土壤全氮增加48~76%，这部分氮素增量中微生物残留物与植物残体贡献相当，其中真菌残留物贡献30~35%、细菌残留物贡献15~22%、未被微生物利用的植物碎屑贡献为43~55%；秸秆还田比单施化肥增加的22%全氮中，微生物贡献（74%）远大于植物残体（26%），其中真菌残留物贡献高达62%。因此，有机肥和秸秆两类有机物料均能有效促进土壤氮积累，但以有机肥效果好于秸秆；不同有机物料施用促进土壤氮积累的过程中微生物贡献差异较大，有机肥处理下微生物过程对氮积累的贡献小于秸秆，这主要是由于相较于秸秆，有机肥处理下真菌对有机肥分解的参与作用减弱。研究结果为解释不同施肥管理下水稻土氮素积累差异的微生物机制提供科学依据。 

该项研究以Manure application accumulates more nitrogen in paddy soils than rice straw but less from fungal necromass为题发表在农业科学国际期刊Agriculture, Ecosystems and Environment上。该研究得到了国家自然科学基金（41977100，41877035，31872851），广西基金（2018GXNSFAA138020）和国家重点研发计划（2016YFD0200106）等项目的支持。 

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167880921002796

长期施肥处理下水稻根际土和非根际土中微生物残留物氮含量及其占全氮的比例

有机物料替代部分化肥比单施化肥促进土壤（非根际土）氮素积累的来源

南京土壤所在酸性土壤上玉米铵硝偏好方面取得进展

氮肥为世界粮食增产做出了巨大贡献，未来很长一段时间内作物高产仍离不开氮肥。然而，过量施用氮肥会引起多个负面的生态环境效应，土壤酸化是其中之一。我国南方红壤本身呈酸性，氮肥施用加剧了红壤酸化，这提高了土壤毒性铝和重金属活性，制约了作物生产力发挥，降低了植物和微生物多样性，对国家粮食安全、农产品品质和生态环境构成了严重威胁。合理利用氮素对于减缓红壤酸化和实现酸性土壤可持续利用具有重要意义。玉米适合在南方红壤地区高温多雨的气候条件下生长，但是红壤的酸性极大限制了玉米生产潜力的发挥。玉米氮肥用量大，氮肥利用率低，氮肥加重的红壤酸化进一步限制了玉米生产力，在一些极端酸性红壤上，玉米颗粒无收。提高酸性红壤上玉米氮肥利用率，减少氮肥用量，对于提升红壤上玉米生产力、减缓红壤酸化、降低氮的负面生态环境效应等多个方面具有重要意义。

南京土壤所沈仁芳研究员课题组长期从事酸性土壤可持续利用研究。铝毒是酸性土壤上植物生长的主要限制因子。铵态氮和硝态氮是对植物有效的两种主要无机氮源。土壤中铵态氮通过硝化作用转化为硝态氮以及植物吸收铵态氮降低土壤pH，相反，植物吸收硝态氮升高土壤pH。该课题组在土壤-植物系统种氮铝相互作用方面开展了系统深入研究，提出了“协同提升酸性土壤作物耐铝能力和氮肥利用率”的策略。前期在pH6.5的红壤上，采用15N标记和土壤灭菌的方法对玉米的研究结果表明，相对于硝态氮，玉米生长偏好铵态氮，而且这种偏好性显著提高了氮肥利用率（Zhang et al., 2019, Plant and Soil），但是在强酸性（pH<5.0）红壤上玉米的铵硝偏好性和氮肥利用率及其机制还不清楚。

此次在pH4.5的红壤上的研究结果表明，在不添加石灰时玉米偏好硝态氮且氮肥利用率高，但是在添加石灰提高土壤pH时，玉米生长和氮肥利用率在铵态氮与硝态氮之间没有差异；石灰在供应铵态氮时提高玉米生物量和氮肥利用率，而在供应硝态氮时效果较小。这表明玉米铵硝偏好特性和石灰效果依赖于土壤pH，酸性土壤上玉米偏好硝态氮，而在pH较高的土壤上玉米偏好铵态氮。对玉米根系不同距离的土壤理化性质和微生物群落结构研究表明：硝态氮导致玉米根际pH升高，对非根际pH影响较小，而铵态氮导致整个土体pH降低；硝态氮在玉米根际富集，铵态氮在玉米根际亏缺；玉米根区土壤细菌群落结构在两种氮源之间差异显著，而距根系较远区域差异不明显；玉米根系在铵态氮下招募耐酸耐铝菌群，而在硝态氮下招募根际促生菌。依据上述研究结果，解析了不同pH土壤中玉米铵硝偏好的机制（见图），这为提高酸性红壤上玉米生产力和氮肥利用率、减轻红壤酸化提供了思路。

上述研究工作近期分别发表在Journal of Soils and Sediments和Geoderma上，博士生王嘉林和张昊青分别为论文第一作者，赵学强研究员为通讯作者，梁玉婷研究员和时玉教授参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金和中科院战略性先导科技专项资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016706121001828?via%3Dihub

https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-019-04087-w

https://link.springer.com/article/10.1007/s11368-021-03007-9

不同pH土壤上玉米铵硝偏好的机制

南京土壤所揭示我国北方农牧交错带土壤微生物群落对双向频繁土地利用变化的响应特征

土地利用变化是土壤微生物群落变化的主要驱动力，但是过去研究主要涉及土地利用单向变化。然而，在中国北方农牧交错带，受气候变化和人为干扰的影响，农田和草地利用之间经常发生转换，这种双向频繁变化究竟如何影响土壤微生物群落多样性和组成尚不清楚。

为此，南京土壤所潘贤章研究员课题组2017年在该区域采集了36对农田和草地土壤样品，进行了理化分析和高通量测序，同时对区域土地利用历史进行了遥感解译。结果显示，2008~2017年所有采样地农田和草地利用之间的平均转换速率为3~4次，2种利用持续时间为1~9年，平均均为4年。在农田和草地之间土壤微生物多样性差异不显著，但其群落组成差异显著（图1），且对群落组成差异贡献最大类群是Pseudarthrobacter、Azotobacter、Bacillus和Blastococcus，均与植被类型密切相关。结合考虑农田和草地之间土壤理化属性没有显著差异，可以看出，植被类型导致了农田和草地土壤微生物群落组成的差异。此外，土壤微生物多样性随农田持续利用时间的延长而减小，而随草地持续利用时间延长无明显变化（图2）；持续时间越长，2种利用方式的群落组成的差异越大（图3）。这预示着随着利用时间延长，到一定年限后农田和草地土壤微生物群落多样性可能会发生显著变化。

综上所述，在土地利用方式双向频繁转换的北方农牧交错带，土壤微生物群落组成比多样性对土地利用方式变化更加敏感，但它们在农田和草地中的差异随利用时间延长而变大。因此，相比于土壤微生物多样性，群落组成更适合评估人类短期干扰的影响。该研究也启示我们，结合历史信息有助于深入理解土壤微生物对外界干扰的响应机制。

上述研究工作发表在Geoderma期刊上。博士生徐爱爱为论文第一作者，研究员潘贤章为论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2020YFC1807401）的资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016706121002457

图1 农田和草地中土壤微生物多样性（A）和群落组成（B）

图2 土壤微生物多样性随农田和草地持续利用时间的变化

　　图3 农田和草地的群落组成的差异性随持续利用时间的变化

A短期（1-4年），B长期（5-9年）

版纳植物园揭示硫改良剂对农业污染土壤中植物重金属吸附的影响

土壤重金属污染问题已对农业领域的生物安全造成威胁，现今已有多种施加改良剂的方法来修复受损、污染的土壤。硫作为一种对植物吸附重金属有积极效应的非金属元素，可促进土壤的修复或减缓污染。由于植物吸附重金属的过程受控于多种因素，因此硫对植物重金属吸附的影响尚不明确。

中国科学院西双版纳热带植物园生态水文研究组博士后Zakari Sissou等，基于国内外有关硫改良剂对植物从污染土壤中吸附重金属效应的研究结果进行全面梳理，并采用随机效应模型（REM）对524个数据点的效应尺度大小开展分析。研究表明，施用硫改良剂后，植物对镉、铬、镍的吸附量分别提高了1.6、3.3、12.6倍，对铜吸附量降低了0.3倍，且无论施硫的类型如何，植物的重金属吸附量均随硫胁迫程度的增加而提高。施硫与未施硫处理下，植物的独立器官对重金属的吸附量差异显著，而组合器官则无显著差异；植物叶片和根系的重金属吸附量在施硫处理下高于未施硫处理，而籽粒、谷壳和茎秆的重金属吸附量则低于未施硫处理；植物各器官的重金属吸附量（响应率）顺序为: 根>叶>茎>籽粒 >谷壳。在土壤pH适宜（5.5~8）和碱性（8~14）条件下，施硫处理的植物重金属吸附量比未施硫处理的高2倍；在酸性土壤（1~5.5）条件下，则比未施硫的低0.2倍。施硫处理下，豇豆属、高粱属、芸薹属植物对镉、锰、镍和铬的吸附量最大；未施硫处理下，水稻属、玉米属、高粱属植物对铬、锰和铁的吸附量最大。硫对植物重金属吸附的影响取决于硫胁迫强度、硫化物类型、植物器官、植物类型和土壤pH条件的单一或综合效应。虽然土壤施用硫不影响粮食品质，但一些作物叶子在施硫下的重金属积累量可能超标，从而通过食物链对人体健康构成威胁，因此农产品的质量监控应针对植物器官分别制定相应标准。

相关研究成果以Influence of sulfur amendments on heavy metals phytoextraction from agricultural contaminated soils: a meta-analysis为题，发表在Environmental Pollution上。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0269749121014020

硫改良剂对植物重金属吸附的影响

科研人员揭示长期围封草地土壤功能提升新机制

近日，中国农业科学院草原研究所草原生态系统保护与恢复团队揭示了典型草原生态系统中植物、土壤和微生物在长期放牧后响应的耦合机制，相关研究成果发表在《植物科学前沿（Frontiers in Plant Science）》上。

对草地进行适宜的围封，可排除家畜的践踏、采食及排便等干扰，使其群落向着生态恢复的方向演替。尽管许多学者已经对围封下草地生态系统的地上部分植物群落、地下部分土壤理化性质及土壤微生物学进行了广泛而全面的研究，但是关于植物-土壤-土壤微生物互作效应的研究相对薄弱。该团队通过干旱、半干旱草地隔离放牧22年后，植物、土壤特征以及土壤微生物群落在生态系统功能中作用变化的研究，发现围封22年显著增加了细菌α多样性，影响了细菌群落结构，而真菌α多样性和群落结构不受影响；22年围封诱发土壤细菌多样性和组成的变化，从而调节草地生态系统功能、碳汇和土壤肥力的恢复。该研究揭示了草地围封恢复后土壤细菌和真菌的响应策略及其重要生态功能，不仅是对现有理论的验证、完善和发展，也进一步从地下生物的角度完善了植被退化机理及其恢复途径。

该研究得到国家自然科学基金等项目资助。（通讯员  乌兰巴特尔）

原文链接

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2021.640789/abstract

中国农科院农业资源利用与区划团队量化评估我国有机肥替代化肥政策对设施菜农施肥行为的影响

作者：易小燕

为缓解过量施用化肥带来的生态环境问题，2015年和2017年国家分别出台了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》，其中《开展果菜茶有机肥替代化肥行动方案》在全国范围内开展首批100个果菜茶有机肥替代化肥试点县（市、区），每个县获得100万元补贴。有机肥替代化肥政策实施以来效果如何？是否有效促进农民有机肥替代化肥？探讨有机肥替代化肥政策对农户施肥行为的影响和定量评估政策效果具有重要理论与现实意义。

近期，农业资源利用与区划团队对该政策效果进行定量评估，研究选取山东省设施蔬菜有机肥替代化肥项目试点县平原县和安丘市，非试点县禹城市和青州市，通过对281户设施蔬菜种植户调查，收集政策试点前后设施菜农的施肥行为数据，基于维克托·弗鲁姆的期望理论框架（Expectancy theory），运用双重倍差模型（Difference-in-difference model，DID）量化评估政策效果，结果表明有机肥替代化肥政策有助于显著减少菜农化肥施用量并增加有机肥施用量，政策实施后菜农平均减少化肥111.5公斤/公顷，增加有机肥346.4公斤/公顷，同时，政策效果受到化肥成本、是否加入合作及部分家庭特征的影响。最后，研究提出进一步增强政策效果的建议。

上述研究成果以“The Effects of China’s Organic-Substitute-Chemical-Fertilizer (OSCF) Policy on Greenhouse Vegetable Farmers”为题，发表在JCR环境科学与生态学1区期刊《Journal of Cleaner Production》（2020年影响因子：9.3）上，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所易小燕副研究员为第一作者。本研究得到中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（No. 1610132018010）和国家社科基金重大项目(18ZDA048)的资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652621008970

往期文章推荐

---

---

---

---

---

---

荐    书

识别图中二维码即可购买本书

• 《健康土壤培育与实践指南》单价158.00/本，《耕地污染防治知识问答》39.00/本。均免邮费（1月20日起售）。

• 购书联系人及联系方式：何小霞  15914500804（也可扫描何小霞微信二维码联系了解），或发信息至 [e-mail]

• 可提供发票（免发票九折）

                      何小霞老师微信二维码，请长按识别添加联系购书事宜

  更多好书，长按识别二维码了解

由于微信修改了推送规则，请大家将土壤观察加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到推文！投稿、合作、转载、入群，请加13719364476微信号（或发邮件至[e-mail]）

欢迎关注我们