国内土壤科研进展（2020年第26期）
导 读
揭示土壤微生物特性与碳氮资源利用的关系等7则进展。
来源：根据中国科学院、中国科学院沈阳应用生态研究所等单位网站近期相关报道整理。
南京土壤所揭示土壤微生物特性与碳氮资源利用的关系
微生物是土壤物质转化的驱动者，微生物多样性越高通常被认为生态系统服务功能越强，然而微生物多样性与土壤碳氮元素转化及利用效率的关系并不明确，严重影响优质土壤资源保护和中低产田改良。
中国科学院南京土壤研究所谢祖彬团队利用土壤学、稳定性同位素生态学和分子生物学技术，研究了土壤微生物特性与碳氮资源利用的关系。结果表明，氮肥施用在高产土壤上比在低产土壤上具有更高的利用率、留存率和低损失率。外源有机质输入土壤后，能够促进土壤微生物的生长和对有机质的分解，高产土壤微生物对外源有机质的代谢效率是低产土壤的2倍，有利于土壤有机质的周转与更新。同时，外源有机质的添加抑制了土壤原有有机质降解菌的生长，而在低产土壤上促进了土壤原有有机质降解菌的生长，导致低产土壤不利于土壤有机质积累。低产土壤微生物多样性比高产土壤高，而高产土壤中有更多的秸秆降解菌数量和更高的群落均匀度，这是高产土壤具有更高的稳定性和回复力的原因。综上所述，在高产土壤上秸秆还田更有利于地力维持和更新，在低产土壤上秸秆还田配施养分能更快增加土壤有机质。
研究结果发表在Applied Soil Ecology，Global Change Biology和Plant and Soil上。该研究得到科学技术部、农业农村部、国家自然科学基金和中科院创新项目支持。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/authShare/S0929139320307770/20201219T115400Z/1?md5=7f119784ba5911ace74a362452f7045d&dgcid=author
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/03650340.2019.1650171?journalCode=gags20
https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-013-1636-x
秸秆添加后秸秆降解菌与土壤有机质降解菌的动态变化
新疆生地所在昆仑山北坡高山草地土壤N2O排放机理研究中获进展
氧化亚氮（N2O）是对全球气候变化影响最大的温室气体之一。草地是我国最大的陆地生态系统，其碳/氮循环过程在全球碳/氮循环中占重要地位。放牧既为人类活动提供经济效益，又影响着草地生态系统的生态服务价值。放牧动物的采食、践踏行为、排泄物等会影响草地土壤的N2O产生和排放过程。目前有关草地生态系统N2O的研究主要集中在放牧对N2O排放的影响，然而其潜在的微生物机制还缺乏研究。
针对上述问题，中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室研究员曾凡江团队，在南疆昆仑山北坡高山草地设置不同放牧强度处理，利用静态箱-气象色谱法监测不同放牧强度下土壤N2O排放，应用定量PCR等生物学手段测定土壤氮转化微生物（硝化菌和反硝化菌）丰度和活性对不同放牧强度和采样时期的响应。在多个时间尺度上，首次揭示高山草地N2O排放特征与硝化和反硝化相关功能基因丰度和活性的关系。
研究结果表明：1、南疆昆仑山北坡高山草地生态系统的土壤N2O排放量整体较低，与封牧处理相比，重度和轻度放牧显著增加了N2O排放；2、不同放牧强度处理下，草地土壤N2O排放速率与硝化和反硝化功能基因的丰度和活性无显著相关，而更受到土壤性质包括有机碳含量和温湿度的影响；3、轻度放牧较重度放牧增加植物N吸收和地上生物量，同时减少N2O排放。
该研究丰富了高山草地N2O产排的微生物机制，为制定合理的放牧管理措施提供了理论基础。相关成果以Enhancement of N2O emissions by grazing is related to soil physicochemical characteristics rather than nitrifier and denitrifier abundances in alpine grassland为题发表在Geoderma上。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114511
土壤N2O排放及对不同放牧强度的响应
南京土壤所在土壤生物体型影响群落构建研究中获进展
土壤微生物多样性产生和维持的微生物群落构建机制是微生物生态学的基本问题，控制微生物种内遗传多样性的进化过程包括突变、选择、基因流动以及遗传漂变，与之对应，控制微生物种间多样性的生态过程包括物种形成、选择、扩散和生态漂变。在微生物生态学中，选择是确定性过程，漂变是随机性过程，扩散和多样化通常被认为是随机过程，但在某些情况下也可以是确定性过程。土壤中生物体型大小是生物的基本属性之一，决定生物个体的生活史特征，影响生物物种的生理属性及其与周围环境间的相互作用，并最终影响生物群落的动态变化，例如选择、扩散、漂变等。然而，在土壤微生物生态学中，关于体型大小在多大程度上影响微生物的群落构建仍缺乏研究，从而制约了对土壤生物多样性与生态多功能性之间协同机制、以及土壤生物系统对环境变化响应机制的深入认识。
中国科学院南京土壤研究所孙波团队结合跨东亚大陆尺度的水稻土样本和全球尺度的荟萃分析，揭示体型大小在土壤微生物和微动物群落构建中的重要作用，首次发现生物的体型大小与群落构建之间存在普遍而统一的关系。从已有的生物体型（繁殖体大小）数据看，细菌为0.2-5微米，真菌为1.5-380微米，原生动物为3-199微米，线虫为199-1612微米。生物体型大小与丰富度、扩散速率和生态位宽度负相关，从而影响生物群落的周转率。较小的生物（细菌）由于受到较弱的环境过滤和扩散限制的影响，群落构建趋向随机性过程；而较大的生物（真菌、原生动物和线虫）由于受到较强的环境过滤和扩散限制，群落构建趋向确定性过程。研究揭示生物体型大小在生物群落构建机制中的作用，可以指导肥沃和健康土壤生物群落的构建，促进土壤生物网络实现养分转化和增产增效功能。
相关研究成果发表在Nature Communications上。研究工作得到国家自然科学基金重点项目、国家优秀青年基金和国家重点研发项目的资助。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20271-4#Ack1
土壤不同体型生物的群落组装过程
沈阳生态所揭示氮沉降促进草原凋落物分解机理
凋落物分解是陆地生态系统物质循环的重要过程，其速率主要受到凋落物质量、土壤性质、气候条件及土壤微生物群落的影响。氮沉降的逐渐增加对凋落物分解过程的诸多调控因素具有重要影响。厘清各种生物因子和非生物因子如何调控凋落物分解过程对氮沉降的响应，将有助于理解氮沉降对凋落物分解过程和生态系统物质循环的影响机制。
中国科学院沈阳应用生态研究所生态化学计量组研究团队与中科院植物研究所及法国国家科研中心等单位合作，以中国北方半干旱草原长期氮素添加的实验平台为依托，在物种和群落水平上研究了氮沉降对该地区植物凋落物分解的影响。结果表明，氮素添加促进了物种水平和群落水平的凋落物分解，这种促进作用是由多种因素共同驱动。其中，氮素添加诱导的土壤酸化所导致的土壤中锰元素有效性增加是促进凋落物分解的重要因素。氮素添加通过降低土壤碳氮比和提高土壤细菌和真菌比也促进了凋落物分解，而氮素添加导致的凋落物化学质量增加对凋落物分解的促进作用相对较小。本研究揭示的这种土壤驱动作用对凋落物分解过程的改变可能持续地影响生态系统的养分循环、土壤有机质动态及生态系统功能。
研究结果以Increasing rates of long-term nitrogen deposition consistently increased litter decomposition in a semi-arid grassland为题发表在New Phytologist上。该研究得到国家自然科学基金优青项目、中科院青年创新促进会项目等支持。
论文链接
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.16854
氮素添加促进凋落物分解的多途径解析
沈阳生态所在不同粒径团聚体介导土壤与植物关联关系方面取得进展
不同粒径团聚体可为土壤微生物提供异质性生境，进而成为驱动土壤物质和能量循环与转化的等级性单元，最终对养分供储关键过程产生差异性影响。土壤团聚体在固碳、保肥和防侵蚀等生态系统服务方面的重要作用，已得到系统性研究；然而，其在介导土壤性质与植物群落关联关系方面的作用，较少被关注。
中国科学院沈阳应用生态研究所土壤化学组研究团队依托额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站，以长期施氮与刈割管理的半干旱草甸草原为研究对象，研究了不同粒径团聚体理化性质与植物生物量、物种丰富度间关联关系，及其对相关草地管理措施的响应特征。研究发现，施氮与刈割处理下，植物特性（生物量和物种丰富度）与大团聚体性质（有效养分和真细菌比值）呈现显著的关联关系；而该关联关系并不适用于微团聚体（图1）。这表明1）大团聚体是土壤养分氮、磷供应的主要结构单元，对植物生长具有更大的驱动作用；2）植物物种多样性可能通过调控植物源碳的多样性，影响土壤大团聚体的微生物群落组成，继而对大、微团聚体内养分循环过程产生不同影响。
以上研究成果以“Carbon storage and plant-soil linkages among soil aggregates as affected by nitrogen enrichment and mowing management in a meadow grassland”为题发表在Plant and Soil（2021,457:407-420；IF = 3.299）上，王汝振副研究员与博士研究生吴辉为论文共同第一作者，姜勇研究员为通讯作者；该论文得到国家自然科学基金面上项目和中科院青促会人才项目等的资助。
文章链接
https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-020-04749-0
施氮（N）与刈割（M）处理下，植物与土壤性质间关联关系（红线代表与大团聚体的显著相关，虚线代表与微团聚体不显著相关关系）
沈阳生态所提出量化草地根际沉积碳分解的新方法
根际沉积碳的易分解特性，使其在激发土壤微生物活性、驱动生态系统碳循环等方面发挥重要作用。量化根际沉积碳的产生与分解特性，将有利于理解根际碳与养分等关键过程，为根际过程模型的构建与完善提供基础数据与参考依据。但受量化方法的局限，根际沉积碳分解之于土壤碳通量的贡献尚不清楚。
中国科学院沈阳应用生态研究所土壤化学组研究团队与悉尼大学Feike A. Dijkstra副教授等合作，利用13C-CO2脉冲标记方法，量化了草地根际沉积碳的分解速率及其对干旱和氮添加的响应特征。该量化方法通过测定空白土壤（无根际沉积碳输入）呼吸及活根呼吸的碳同位素信号值，借助同位素混合模型将土壤呼吸区分为根际沉积碳分解、根系呼吸及原土壤有机碳分解3个组分。结果表明，根际沉积碳分解释放的CO2量占土壤呼吸总量的7%-31%；干旱降低了根际沉积碳和土壤有机碳的分解速率，主要原因是微生物分解活性及根际沉积碳产生量减少所致；氮添加仅通过增加根氮浓度促进了根呼吸，而对根际沉积碳的分解速率无显著影响。本研究提出的全新量化方法，揭示了根际沉积碳分解是草地土壤呼吸的重要CO2源，且受到土壤水分有效性的调控。
上述结果以A novel 13C pulse-labelling method to quantify the contribution of rhizodeposits to soil respiration in a grassland exposed to drought and nitrogen addition为题，发表在New Phytologist（DOI: 10.1111/nph.17118，IF = 8.5）上，沈阳生态所王汝振副研究员为论文第一作者，姜勇研究员为通讯作者。该论文得到中科院公派出国留学项目、国家自然科学基金面上项目(31770525、31870441)、中科院青促会人才项目及Australian Research Council（Grant no. DP190102262）等的资助。
文章链接
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17118
根际沉积碳分解的量化方法示意图
沈阳生态所在氮素和水分添加影响草地无机磷组分研究方面取得进展
磷是陆地生态系统初级生产力的限制性养分。在半干旱草地生态系统，很大一部分土壤磷以矿物结合态的无机磷存在（钙质土壤高达全磷的75%），虽然很难被植物直接利用，但其是重要的土壤储积磷库。在全球氮沉降增加与降水格局发生变化背景下，植物生产力显著提高，该储积磷库的活化情况，对缓解植物磷素限制具至关重要作用。
沈阳应用生态研究所土壤化学组研究团队以不同利用历史的北方半干旱草地为研究对象，将矿物结合态无机磷划分为低活性无机磷组分（主要被铁、铝化合物吸附固定）和难溶性无机磷组分（钙磷与闭蓄态磷），并研究了氮素和水分添加如何通过驱动无机磷组分的活化，而调控天然草地和弃耕草地土壤磷有效性和全磷含量。结果表明：1）弃耕草地因前期的耕作，促进了土壤有机质矿化过程，导致总无机磷含量较天然草地高；低活性和难溶性无机磷的变化均显著影响土壤全磷含量。2）两种草地利用历史下，土壤无机磷组分对处理的响应具趋同性，即氮添加通过引起土壤酸化，而加速难溶性无机磷向低活性无机磷转化，继而提高土壤有效磷。3）水添加降低了土壤有效磷含量，这主要是通过缓解土壤酸化、降低铁铝有效性和增加植物磷吸收，而减少低活性无机磷含量所导致。
以上研究成果以“Interacting effects of urea and water addition on soil mineral-bound phosphorus dynamics in semi-arid grasslands with different land-use history”为题发表在European Journal of Soil Science（DOI: 10.1111/ejss.13046, IF = 3.742）上，王汝振副研究员与刘贺永特别研究助理为论文共同第一作者，王汝振为通讯作者；该论文得到国家自然科学基金面上项目、中科院青促会人才项目等资助。
文章链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ejss.13046
氮素和水分添加通过影响无机磷活化过程而调控土壤有效磷和全磷含量