水稻土和旱地土壤碳氮积累、稳定及其环境驱动的差异机制研究获进展等8则进展（国内土壤科研进展2021年...

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水稻土和旱地土壤碳氮积累、稳定及其环境驱动的差异机制研究获进展等8则进展。

根据中国科学院、华南植物园、西北农林科技大学、中国农科院等单位网站近期相关报道整理。

水稻土和旱地土壤碳氮积累、稳定及其环境驱动的差异机制研究获进展

水稻土是在长期淹水条件下形成的特殊土壤，具有微生物生物量大，管理类型广泛的特点。与旱地土壤不同，水稻土具有特殊的氧化还原过程，影响养分循环利用以及微生物介导的土壤有机质（SOM）周转。因此，稻田与旱地的SOM形成和保存机制有很大的差异，导致其土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）含量明显高于旱地土壤。然而，这一现象的内在机制尚缺乏解释。

中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水研究团队从Web of Science数据库中筛选出578个水稻土的SOC和TN含量及其碳氮储量，对其进行荟萃分析，并与邻近旱地土壤进行比较。结果发现，稻田土壤SOC和TN含量分别是旱地土壤的1.5～1.8倍和1.4～1.6倍。旱地土和水稻土在35 cm深度的平均碳储量分别为31和47 Mg C ha-1，氮储量分别为2.2和3.2 Mg N ha-1。对气候和土壤理化因子的定量分析表明：气候效应被人类活动（如耕作、淹水）减弱，特别是在稻田中控制土壤有机质稳定的因素更重要，如与铁（氢）氧化物的有机结合、粘土矿物、酚类化合物的沉淀以及微团聚体内更长时间的保护；气候（如年平均降水量）主要影响旱地土壤C、N储量，而化学性质（如pH）则主要影响水稻土C、N储量。

相比于旱地土，水稻土碳氮储量增加主要是由于：水稻秸秆和根系分泌物等对土壤有机碳的输入量大于大多数旱地谷物；植物残体和有机质在稻田缺氧条件下的分解较慢；铁氧化物在有机质的稳定中更重要（如图）。尽管经过长期的集约化管理，水稻土仍比临近旱地土固定了更多的有机碳和氮。该研究可为农田土壤有机碳库管理提供科学依据。

相关研究成果以Comparing carbon and nitrogen stocks in paddy and upland soils: Accumulation, stabilization mechanisms, and environmental drivers为题，发表在Geoderma上。研究工作得到国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、亚热带生态所青年创新团队等的资助。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016706121002019

水田和旱地土壤碳氮储量差异的影响因素概念框架图

地理资源所在农田土壤绿色修复新技术研究中取得进展

农田土壤重金属污染已成为世界范围内的环境问题，给粮食安全和公众健康带来威胁。基于低重金属积累品种（Low HM accumulating cultivars, LACs）的植物阻隔技术被认为是一项应用前景广阔、实用性强的农田土壤绿色修复新技术。然而，目前对于LACs的概念、筛选鉴定标准、重金属低积累的生物化学机制以及区域性的应用策略仍存在许多不确定性。

中国科学院地理科学与资源研究所研究员廖晓勇研究组在论文中综述了多年来国内外在LACs领域取得的重要进展，定义和完善了LACs概念和鉴定标准，评估发现已鉴定的低镉积累水稻品种平均降镉率为58%，应用效果显著。研究人员总结提炼了低镉积累品种阻隔镉的生物化学机制（图1），提出一个基于LACs适用阈值的区域性分级安全利用技术体系（图2），可为大尺度受污染耕地安全利用提供经济实用的综合解决方案。论文还讨论了LACs研究需要重点解决的几个关键问题，包括构建LACs快速筛选和分级评价的标准化技术体系，建立适用不同地域、不同重金属和不同作物的LACs种质名录，突破LACs应用阈值以及配套技术靶向优化等。

相关研究成果在线发表在Journal of Hazardous Materials上。论文第一作者为中科院地理资源所特别研究助理王亮，论文通讯作者为廖晓勇。研究工作得到国家重点研发计划等的资助。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389421003903?via%3Dihub

图1.低镉积累水稻品种镉低积累的生物学机制

图2.基于低累积作物品种的区域受污染耕地安全利用技术策略

城市环境所在固氮微生物群落组装过程和活性的研究中取得进展

近日，中国科学院城市环境研究所姚槐应团队利用15N同位素标记方法和高通量测序的方法，探究了地理因素和施肥策略对固氮微生物群落的组装过程机制的影响，为农业生产提供理论支撑，并为微生物生态学研究提供理论参考。相关研究成果以The geographical scale dependence of diazotroph assembly and activity: effect of a decade fertilization为题，发表在Geoderma上。

生物固氮是陆地生态系统N循环中最重要的部分之一，该过程主要由土壤固氮微生物参与完成。然而，目前缺少关于固氮微生物群落组装过程和活性对地理因素和施肥策略响应的研究。因此，研究选择了大陆范围内较大地理尺度（约3500公里）的9个农业生态实验点，结合同位素标记技术和高通量测序方法，研究了固氮微生物群落组装过程，距离衰减模式和氮气固定活性对地理因素和长期不同施肥策略的响应。结果表明，地理因素（位置和气候）和施肥共同驱动固氮微生物群落的组装过程并决定固氮微生物的活性。固氮微生物群落的组装过程在较大的地理尺度和不同施肥策略下同时受到随机过程（~36.2％）和确定性过程（~63.8％）的影响。施肥增加了确定性过程的比例。固氮速率主要由地理位置决定。施肥改变了固氮速率，但并不总是抑制固氮活性。地理因素通过决定重固氮微生物群落组成和土壤性质间接地影响了组装过程和固氮速率。其中，pH是关键因素，与固氮微生物群落的组装过程呈线性相关，而固氮速率在接近中性的pH达到峰值。该研究阐明了土壤固氮微生物组装过程和活性受地理因素和施肥影响的机制，并为微生物生态学研究提供了理论参考。

城市环境所博士研究生孟祥天为论文第一作者，研究员姚槐应为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划，国家自然科学基金和宁波市科技局的资助。

论文链接 

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016706120326781

地理因素和施肥策略对固氮微生物群落的组装过程机制示意图

华南植物园在亚热带森林土壤固氮微生物的驱动机制研究取得重要进展

固氮微生物在生态系统氮循环中扮演着重要角色。虽然我国亚热带地区氮沉降日益加剧，有研究表明土壤固氮微生物依然非常活跃。然而，我们对于土壤固氮微生物群落在富氮缺磷的南亚热带森林中受哪些因素调控知之甚少。

中科院华南植物园恢复生态中心张静博士在刘占锋研究员指导下，依托鼎湖山和鹤山的植被恢复/演替序列，采用高通量测序技术研究人工恢复和自然演替过程中土壤固氮微生物的群落结构和多样性的演变特征。研究发现土壤固氮微生物多样性随着人工恢复的进程逐渐增加，而在鼎湖山的自然演替序列则无显著变化。优势固氮菌群Bradyrhizobium的相对丰度在演替/恢复的后期显著大于初期，而一些偶见种群的相对丰度在演替/恢复的前期大于后期。方差分解结果表明，南亚热带森林土壤固氮微生物群落结构主要受到土壤磷，尤其是植物可利用的有效磷的调控。研究结果不仅为揭示磷在调控固氮生物群落结构和土壤氮循环过程所发挥的生态功能提供了直接的证据，也对从土壤养分管理的角度指导南亚热带森林恢复实践具有重要意义。

相关研究成果已近日发表在国际学术期刊Applied Soil Ecology（《应用土壤生态学》）上。该研究得到国家自然科学基金、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）核心团队项目和中国科学院青年创新促进会优秀会员等项目资助。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2021.104009

华南植物园在氮磷交互作用影响陆地碳循环过程研究取得新进展

氮、磷是植物生长所必需的养分元素，在陆地碳循环中扮演了重要角色。尽管许多野外实验或meta分析论文都对氮、磷或两种养分同时添加如何影响地上、地下碳循环关键过程进行了广泛报道，但有关氮磷的交互作用如何影响地下碳循环的研究仍显缺乏，因此限制了人们在未来氮磷输入不平衡加剧背景下准确利用模型模拟陆地碳循环过程的能力。

中科院华南植物园生态中心江军博士在王应平研究员和闫俊华研究员的指导下，遴选了全球158篇氮磷施肥全因子实验 (control，+N，+P，+NP) 的研究论文，以编译的1928个有效观测数据为基础，运用meta分析方法，将氮磷交互作用划分为协同效应（synergistic）、对抗效应（antagonistic）和可加效应（additive），全面评估了8个地下碳循环关键变量（DOC、MBC、SOC、fungal/bacterial/total microbial biomass、Rh、Rs）对氮磷交互作用的响应。研究发现，地下碳循环过程对氮磷交互作用的响应以对抗和可加为主，氮磷交互作用促进了土壤有机碳的积累。

同时，由于磷添加有效降低了氮添加对土壤微生物的负面影响，微生物的碳利用效率在氮磷同时添加条件下得到提高，微生物生物量对土壤有机碳库的相对贡献因此增加。另外，由于微生物碳利用效率、土壤氮磷有效性与环境条件的不同，微生物生物量对土壤有机碳库的贡献在低纬度地区的生态系统要低于高纬度地区的生态系统。

相关研究成果于近日发表在国际知名土壤学SCI期刊Soil Biology and Biochemistry（《土壤生物学与生物化学》）上（IF=6.767）。该研究得到国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金的资助。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108216 

图. 氮磷的主效应与交互效应对8个地下碳循环变量的影响（Hedges’d）

华南植物园提出土壤碳吸存假说

——研究发现氮沉降促进热带森林捕获大气碳

热带森林碳吸存（Carbon sequestration）在调节全球碳循环和缓和气候变化中扮演着关键角色。以往关于森林碳吸存的研究主要集中在中高纬度的温带和北方地区，该区域森林生态系统生产力通常受氮限制，氮沉降增加促进生态系统碳吸存。相反，热带森林生态系统具有开放式氮循环，传统观点认为自然条件下氮不是植物生长的限制因子, 氮输入增加也不会提升生态系统固碳能力。然而这种观点并没有得到充分验证，热带森林地下生态系统固碳潜力也一直被忽略，特别是在氮沉降全球化背景下。

中科院华南植物园生态中心鲁显楷博士及科研人员，通过在鼎湖山“富氮”的南亚热带成熟林进行11年的长期模拟氮沉降试验研究（图1），鲁显楷博士等发现氮输入显著促进了土壤碳库，氮沉降促进的土壤碳吸存率约9公斤碳每公斤氮（kg C kg-1 N），与温带森林生态系统的相当。进一步研究还发现，土壤碳吸存增加的关键原因是物理保护作用增强（如增加重组碳含量）和碳素输出通量下降。有趣的是，长期氮输入并没有改变土壤碳氮比，土壤氮含量与储存的碳呈正相关。该发现得到了热带亚热带区域野外氮添加试验研究的进一步验证，表明氮沉降促进热带森林碳吸存的观点具有普适性。

为了进一步评估森林生态系统固碳潜力，研究团队基于目前研究进展提出了土壤碳吸存假说（Soil carbon sequestration hypothesis；图2）。该假说认为，氮沉降促进土壤碳吸存的现象在全球尺度上普遍存在，但是“氮限制”和“富氮”生态系统的表现机制不同。在“氮限制”生态系统，氮沉降增加促进了净初级生产力（NPP），土壤碳吸存增加的主要驱动因素是地上凋落物量输入增加和CO2排放通量降低；在“富氮”生态系统，长期氮沉降没有影响到净初级生产力，土壤碳吸存增加的主要驱动因素是降低CO2和可溶性有机碳（DOC）输出通量。尽管氮沉降驱动的两大生态系统碳流通过程有差异，但是在土壤有机碳积累的格局上表现一致，尤其是增加了不活跃碳库（Recalcitrant carbon stock）的比重。该假说把氮沉降作为驱动因子，为发展和完善陆地系统碳氮耦合循环模型提供了重要的机理支撑。此外，值得注意的是，土壤碳吸存的增加，并不是向大气增加活性氮排放的理由，因为人类对全球氮循环的干扰已超出了可控范围。

通过在鼎湖山南亚热带森林进行的长期氮沉降试验研究结合热带亚热带区域氮添加试验研究的整合分析，鲁显楷博士等发现长期氮沉降可促进热带森林捕获大气碳，并提出了土壤碳吸存假说。该研究首次提供了过量氮沉降促进热带“富氮”森林土壤有机碳积累的直接证据。研究的开展可为中国森林生态系统碳汇潜力评估和“碳中和”目标实现提供重要的决策基础。

相关研究成果于4月13日发表在国际知名学术期刊PNAS（《国家科学院院刊》）上，研究团队的莫江明研究员和美国斯坦福大学的Peter M. Vitousek教授/院士为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金优青项目和重点项目、以及中科院青促会优秀会员项目的资助。

文章链接

https://doi.org/10.1073/pnas.2020790118

图1. 长期氮输入对鼎湖山“富氮”森林土壤碳、氮含量及其吸存的影响。

图2. 土壤碳吸存假说的框架模型：氮沉降增加促进 “氮限制”生态系统（A）和 “富氮”生态系统（B）土壤碳吸存。

 科研人员揭示连作导致土壤抑病功能衰退机理

作者：郭荣君 

近日，中国农业科学院植物保护研究所土壤有害生物防控创新团队与荷兰生态研究所合作，发现连作会导致病原菌菌丝周围定殖细菌的抑病功能衰退，为连作条件下黄瓜枯萎病加重成因提供了新的解释，为枯萎病的治理提供了新的思路。相关结果在线发表在《应用土壤生态学（Applied Soil Ecology）》上。

据郭荣君副研究员介绍，土壤生态系统复杂，真菌菌丝与土壤接触的微小区域是土壤细菌拮抗真菌的前沿阵地，定殖在菌丝周围的细菌群落，它的构成和功能随真菌种属的变化而有所不同。目前，国内外对不同耕作体系下植物病原真菌菌丝周围定殖细菌的研究非常缺乏，明确黄瓜枯萎病菌菌丝周围定殖细菌的种群构成和功能与耕作体系之间的关系，为从新的角度揭示连作条件下土壤抑病功能衰退机理，挖掘新的生防因子和寻找新的防控策略具有重要的意义。

该研究通过设立人工病圃和温室盆栽试验，考察连作和非连作、接种枯萎病菌以及接种枯萎病菌后长期连作对枯萎病菌菌丝周围定殖细菌的影响。采用因美纳（Illumina）测序方法，发现黄瓜生长时间和连作是影响枯萎病菌菌丝周围定殖细菌种群构成和丰度变化的主要影响因子。进而设计了根瘤菌属细菌和无色杆菌属细菌这两个细菌组合，并利用可培养细菌测定不同细菌组合的抑病功能，发现根瘤菌属细菌丰度下降和无色杆菌属细菌丰度上升导致了细菌对枯萎病的抑制作用下降。研究揭示了连作和枯萎病菌的引入是导致土壤中细菌群落抑病功能衰退的重要原因，发现根瘤菌有希望作为新的生防因子发挥防病作用，为黄瓜枯萎病的防控提供了新思路。

该研究得到了国家留学基金委留学基金、现代农业产业技术体系等项目资助。（通讯员  欧阳灿彬）

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2021.103977

　　连作土和非连作土中黄瓜枯萎病菌菌丝际细菌种群构成差异

　　

　　不同处理中黄瓜枯萎病菌菌丝际细菌相对丰度

西北农林科技大学周建斌教授团队在土地利用方式变化导致包气带累积大量硝态氮研究方面取得进展

作者: 赵杰 

近日，西北农林科技大学资源环境学院周建斌教授团队在区域尺度土地利用方式变化引起包气带（地面以下潜水面以上的地带）硝态氮累积及对地下水影响方面研究取得进展，成果以“High nitrate accumulation in the vadose zone after land-use change from croplands to orchards”为题在《Environmental Science & Technology》在线发表。论文第一作者为博士生高晶波，陈竹君副教授及周建斌教授为文章共同通讯作者。

自1990年以来，陕西秦岭北麓周至、眉县一带开始种植猕猴桃，土地利用方式由以粮田为主转变为猕猴桃园为主，已成为我国乃至全球最大的猕猴桃集中连片种植区。猕猴桃生产中过量施肥问题突出，带来的土壤氮素累积及对地下水水质的影响尚不清楚。该研究通过在猕猴桃主产区大范围采集土壤深层剖面样品及地下水样的方法从区域尺度上研究了粮田转变为果园后对土壤氮素盈余、包气带硝态氮累积及地下水水质的影响。发现与粮田相比，由于过量施肥导致猕猴桃园年氮素盈余量平均1260 kgN/ hm2，氮素利用效率（氮素携出/氮素投入）低于20%。猕猴桃园0-5 m、0-10 m土壤剖面硝态氮累积量平均高达3674 及7113 kgN/hm2。估算的周至、眉县猕猴桃产区包气带10 m深度硝态氮累积量高达266.5 Gg N，相当于该区域年氮素总投入的约3.5倍。监测的31个井水样品中有97%的超过WHO规定的饮用水硝酸盐含量标准。说明该区域由粮田转变为猕猴桃园后导致包气带累积了大量硝态氮，对地下水水质带来严重影响。

该研究的理论意义在于，提出在评价集约化生态系统氮去向、转化及效应时应考虑包气带累积的大量累积硝态氮。实践意义包括，亟待开展我省猕猴桃主产区源头减量施氮及水肥综合管理技术的研究及推广工作，以减少土壤氮素累积及损失，保证猕猴桃产业的持续健康发展；包气带累积的硝态氮会随水分迁移进入地下水，但存在延迟性（legacy），因此，在制定缓解或控制地下水硝酸盐污染措施及评价其效应时，应将考虑硝态氮在包气带迁移的这种延迟性。

该研究得到国家、及学校有关经费的支持。

论文链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.0c06730