国内土壤科研进展（2021年第3期）
导 读
揭示1987年以来全球土壤呼吸的演变特征等4则进展。
来源：根据“环境模拟与污染控制国重”公号、中国科学院网站、南京农业大学资源与环境学院网站、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所网站近期相关报道整理
[ESPC]杨云锋与郭雪课题组发文揭示1987年以来全球土壤呼吸的演变特征
杨云锋、郭雪联合课题组于1月15日在《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表题为《1987年以来全球土壤呼吸的演变》（Temporal changes in global soil respiration since 1987）的研究论文，揭示了1987-2016年期间全球土壤呼吸的演变特征，并通过模型预测了2016年后全球土壤呼吸的变化规律，形成了重要的阶段性成果。
土壤呼吸即从土壤中释放到大气中的二氧化碳，是陆地第二大碳通量，仅次于光合固碳。自工业革命以来，全球年均温逐渐上升，显著促进了土壤呼吸。深入了解全球范围内土壤呼吸的变化幅度及时间动态规律，对于准确预测未来气候情景下土壤呼吸的变化、评估碳中和目标和相关技术途径具有重要价值。
利用开源土壤呼吸数据，课题组分析了1987-2016年期间全球土壤呼吸的年度变化。研究发现，1987-1999年期间全球土壤呼吸快速上升，但在2000-2016年期间，由于全球增温暂时停滞（warming hiatus），以及不同地区土壤碳储量变化的影响，出现了土壤呼吸上升趋势的停顿。然而，由土壤微生物主导的异养呼吸在1987-2016年期间仍持续增加，预示微生物对土壤有机碳的分解作用加强，因此加剧了土壤碳损失的风险。自2015年之后，全球年均温重新开始攀升，使得2015-2020年成为有历史记录以来地球上最热的年份。模型分析发现，全球土壤呼吸在2015年后恢复急剧上升趋势，因此，应对气候变化挑战、在全球范围内控制温室气体排放的难度将加大。
根据全球范围内的监测数据，土壤呼吸的变化趋势在1987-1999年和2000-2016年期间差异显著
清华大学环境学院博士研究生雷杰斯和助理研究员郭雪为论文第一作者，杨云锋与课题组博士后高群为共同通讯作者。研究得到了国家杰出青年科学基金项目、国家第二次青藏高原综合科学考察专项及国家重点研发计划项目的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20616-z
汪鹏教授课题组揭示植物吸收Cr(VI)的分子机制
铬（Cr）是一种常见的土壤污染物，据全国土壤污染调查公报显示，我国耕地土壤Cr点位超标率约为1.1%。在土壤中，Cr主要以Cr(III)和Cr(VI)的形式存在，其中Cr(VI)的可移动性和植物毒性要显著强于Cr(III)，因而更容易被植物吸收，抑制植物生长。一直以来，Cr(VI)被认为是通过必需元素，尤其是其结构类似物如硫酸盐、磷酸盐的吸收通道进入植物体的，但迄今为止，植物根系吸收Cr(VI)的转运蛋白仍不清楚。
南京农业大学环境生物学团队采用反向遗传学的技术路线对模式植物拟南芥潜在的Cr(VI)吸收转运蛋白进行筛选，发现硫酸盐转运蛋白基因Sultr1;1和Sultr1;2的突变会显著提高拟南芥对Cr(VI)的耐性，而磷酸盐转运蛋白基因Pht1;1和Pht1;4以及钼酸盐转运蛋白基因MOT1的敲除则对拟南芥的Cr(VI)敏感性无显著影响。酵母异源表达结果表明Sultr1;1和Sultr1;2均具有Cr(VI)的转运活性，但后者的转运活性要远高于前者。进一步的Cr(VI)吸收实验发现，敲除Sultr1;1基因仅在Cr(VI)浓度较高时会稍微降低根部对Cr(VI)的吸收，而敲低Sultr1;2基因（-40%）显著降低了根部对Cr(VI)的吸收，这两个基因的双敲除突变体则几乎丧失了对Cr(VI)的吸收能力。反之，过量表达Sultr1;2基因显著提高拟南芥体内Cr的积累。这些结果表明，硫酸盐转运蛋白Sultr1;2是负责拟南芥Cr(VI)吸收的主要转运蛋白。
图1硫酸盐转运蛋白基因Sultr1;1和Sultr1;2的突变降低了拟南芥对Cr(VI)的吸收。sultr1;1为敲除突变体，sultr1;2为敲低突变体，DKO为Sultr1;1和Sultr1;2的双敲除突变体。
该研究成果以“The high-affinity sulfate transporter Sultr1;2 is a major transporter for Cr(VI) uptake in plants”为题，在线发表在Environmental Science & Technology上。徐仲瑞博士为第一作者，汪鹏教授为通讯作者。该研究得到国家重点研发专项基金（2016YFD08004002）资助。
文章链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c04384
青藏高原所揭示冻土成土年龄影响土壤微生物群落对冻土融化的响应
全球永久冻土中存储了大量土壤有机碳。全球变暖引起冻土融化，加速土壤有机碳分解，并释放甲烷等温室气体进入大气，形成正反馈效应。微生物活动驱动冻土中有机碳的分解，因此，微生物群落组成及其功能变化能够深刻影响冻土融化过程中的有机质分解和温室气体排放。研究表明，不同年龄冻土的微生物多样性及群落结构存在较大差异，但学界尚不确定对土壤微生物群落影响更大的因素是冻土成土年龄还是融化程度。
中国科学院青藏高原研究所生态系统功能与全球变化团队研究员孔维栋等，研究了北极阿拉斯加Barrow半岛不同成土年龄和不同融化程度（活动层、过渡层和永冻层）的冻土土壤微生物多样性和群落结构特征。由于Barrow半岛冻土成土于不同历史时期干枯的湖盆沉积物之上，按冻土年龄划分为四个序列，即年轻（0-50年）、中年（50-300年）、老年（300-3000年）和古老（3000-5000年）。研究显示，活动层冻土的土微生物多样性显著高于其他两个融化程度；年轻冻土的微生物多样性显著高于其他三个年龄段（图1）。此外，仅在年轻（<50年）冻土中，融化显著增加了微生物丰富度；在更古老的冻土中，融化对微生物丰富度的影响则不显著。冻土成土年龄和融化程度均显著影响了微生物群落结构，且两者具有交互作用，但融化程度对微生物群落结构变化的影响更大（图2）。
研究人员探究不同冻土年龄中的土壤微生物群落构建过程，发现永冻层和活动层的土壤微生物群落构建过程主要受随机过程驱动，但活动层受决定过程影响更大，说明活动层土壤微生物受环境筛选作用更强（图3）。不同冻土年龄土壤中微生物群落构建主要以随机过程为主，但年龄对其构建过程影响不显著。结构方程模型结果表明，融化程度和冻土年龄均显著影响微生物丰富度，但融化程度的影响更大（图4）；融化程度和冻土年龄均显著影响微生物群落结构，但融化程度的影响更大。此外，冻土融化可直接影响微生物群落结构，也可通过影响土壤有机氮而间接影响群落结构。研究表明，不同成土年龄冻土中的微生物群落对冻土融化的响应不一致，可能导致微生物功能差异，进而影响冻土有机质分解及温室气体排放过程。
近日，相关研究成果以Permafrost thawing exhibits a greater influence on bacterial richness and community structure than permafrost age in Arctic permafrost soils为题，发表在The Cryosphere上。青藏高原所副研究员计慕侃为论文第一作者，孔维栋为论文通讯作者。研究工作得到中科院战略性先导科技专项（A类）、中科院前沿科学重点研究计划和国家自然科学基金等的支持。
论文链接
https://tc.copernicus.org/articles/14/3907/2020/
图1.不同冻土融化程度（A）和冻土成土年龄（B）的微生物丰富度
图2.微生物群落结构在不同冻土融化程度（A）和不同成土年龄冻土（B）的差异
土壤植物互作团队构建农田污染场地修复方法筛选机制
作者：陈瑞晖、张倩茹
污染场地已被公认为是严重的综合性社会和环境问题，并引起了全世界的关注。中国作为世界上最大的污染场地修复市场之一，特别是农田周边污染场地已严重威胁到土壤质量和粮食安全，亟待修复。然而，由于污染评估不全面、修复策略不恰当，往往导致高昂的经济成本，使得修复规划大打折扣，甚至受阻。近期中国农业科学院农业资源与农业区划研究所土壤植物互作团队张倩茹课题组系统研究了中国农田周边污染场地修复现状，率先构建了适用于农田周边污染场地修复的方法筛选机制。
“在耕地是粮食生产的命根子”这一中心思想的指导下，该成果是建立在深入东北污染场地评估调查的基础之上，为修复方案筛选提供必要的基线数据，进而提出一种新的基于健康风险评估的多标准决策支持框架。通过这一方法运行HRA（health risk assessment，健康风险评估）和MCDA（multicriteria decision analysis，多标准决策分析）程序，提出了四种修复备选方案。其中，MCDA结果表明，PRB是整合相关技术补救所需的环境、社会、经济和技术方面最为适用的农田污染场地修复方法。这项研究成果的建立将有助于环保、农业等管理部门和机构在应对农田污染场地修复和管理问题时的精准施策，也为基于大数据管理模式的有效实施提供理论及方法的指导。
上述研究成果以A coupled optimization of groundwater remediation alternatives screening under health risk assessment: An application to a petroleum-contaminated site in a typical cold industrial region in Northeastern China为题，发表在国际环境领域Q1区TOP期刊《Journal of Hazardous Materials》（IF=9.038）上。我所博士后陈瑞晖博士为第一作者，合作指导教师张倩茹研究员和北京师范大学滕彦国教授为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目、中国农业科学院创新工程和博士后创新人才支持计划项目的共同资助。
【原文链接】
Chen RH, Teng YG*, Chen HY, Yue WF, Su XS, Liu YN, Zhang QR*. A coupled optimization of groundwater remediation alternatives screening under health risk assessment: An application to a petroleum-contaminated site in a typical cold industrial region in Northeastern China. Journal of Hazardous Materials . 2021. 407: 124796.
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124796