来源：根据中科院网站近期相关报道整理 水稻根际和非根际土微生物碳源利用效率对施肥的响应研究获进展 陆地生态系统中，微生物在调控碳循环过程中扮演着两种截然不同的角色：1）通过分解代谢作用使有机物矿化向大气释放CO2；2）将非稳态的有机碳通过微生物“碳泵”的形式不断形成稳定态有机碳库。微生物这种分解代谢与合成代谢的相对过程强弱可以通过碳源利用效率（CUE）反映，其决定了土壤中碳周转的去向。 中国科学院亚热带农业生态研究所研究员苏以荣团队选取经过31年不同施肥处理稻田，研究了水稻根际土和非根际土中CUE、微生物生物量周转及其残留物的积累特征。结果表明，秸秆和粪肥添加降低了根际土CUE，而对非根际土中CUE无显著影响，且根际土中的CUE显著低于非根际土（图1）。究其原因，水稻根系分泌物的释放和养分的吸收提高根际土C/养分比，使得C相对富余、养分缺乏，CUE降低。添加有机物料增加地上部生物量、进而增加根系分泌物释放和根系吸收养分，促进以上根际过程，加强CUE降低趋势。微生物CUE在非根际土中取决于呼吸作用，而在根际土中取决于其生长，这反映了微生物在根际土和非根际土中对有机碳利用存在差异。与单施化肥相比，添加有机物料提供了碳源，提高了微生物的生长速率，进而促进了微生物残留物积累（图2）。这项研究结果强调添加秸秆和粪肥尽管促进了根际土中微生物呼吸作用，但其通过增加微生物生物量的净通量，进而促进微生物残留物积累，从而提高水稻土碳固持，其结果为解释不同施肥管理下水稻土固碳的微生物机制提供科学依据。 该项研究近期以Microbial carbon use efficiency,biomass turnover,and necromass accumulation in paddy soil depending on fertilization 为题发表在农林科学国际期刊Agriculture, Ecosystems and Environment上。该研究得到国家重点研发计划（2016YFD0200106）、国家自然科学基金（41671298，41977100，41877035）、广西自然科学基金（2018GXNSFAA138020）和湖南省自然科学基金创新小组（2019JJ10003）的支持。 论文链接 https://www./science/article/abs/pii/S0167880920300013?via%3Dihub 图1 长期施肥处理下水稻根际土和非根际土中微生物碳源利用效率和滞留时间 图2 长期施肥处理下水稻根际土和非根际土中微生物生物量碳和氨基糖的含量 丘陵山地土壤水-氮耦合优化模拟研究取得进展 东南丘陵山地农业综合开发导致土地利用/覆被变化剧烈，从而改变了土壤水文过程，加剧了面源氮素的排放，成为流域水体富营养化的重要诱因之一。精确模拟不同土地利用覆被类型面源氮素输移循环过程并计算其排放通量，是评估土地利用/覆被变化生态环境效应的重要基础。众所周知，模型参数和模型结构不确定性是模拟误差的重要来源；而面源氮素输移循环受土壤水文与生物地球化学的共同作用。因此，中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员朱青课题组基于土壤水文的视角，从模型参数和结构两个方面，在丘陵山地土壤水-氮耦合优化模拟中取得进展： （1）开发了一系列土壤水力参数提取方法，提升了土壤水、氮输移循环模拟的精度。土壤水力性质（如导水率、田间持水量、凋萎系数等）是氮素输移循环模型中对土壤水文过程的概化，也是最为敏感的参数之一。但其获取困难，不确定性大，严重制约了模拟精度。土壤水力参数一般通过土壤水分特征曲线或土壤转换函数来提取。在土壤水分特征曲线优化方面，针对东南丘陵区土壤砾石含量高的特点，引入多峰持水函数，分别描述土壤和砾石持水性，构建适用于高砾石土壤的水分特征曲线函数（图1）；同时，针对传统土壤水分特征曲线函数难以完整刻画“湿润-干旱”过程且忽略入渗过程滞后效应的特点，通过耦合适用于湿润状况的Van Genuchten模型与干旱状况的Wang模型而构建完整描述土壤水分特征曲线函数，并改进Jensen函数以刻画从干到湿的滞后过程，显著提升了导水率提取的精度。在土壤转换函数方面，针对现有土壤转换函数繁多且区域适用性不同的问题，引入集合预报方法，集成不同类型的土壤转换函数，提升了土壤水力参数的预测精度。将这一系列土壤水力参数的优化提取方法集成到现有的土壤水文（Hydrus）和生物地球化学模型（如DNDC和DayCent）中，显著降低了模型的误差。 （2）发展了土壤水文与生物地球化学的耦合模拟方法。氮素输移循环受土壤水文与生物地球化学的共同作用。但主流土壤水文模型的生物地球化学过程薄弱，而生物地球化学模型则相反，限制了模拟的精度。研究基于氮素淋失公式，构建了Hydrus-3D和DNDC的耦合模拟平台（图2）。该耦合模型将Hydrus-3D的土壤水文输出模块替换掉DNDC模型中原本的土壤水文模块，更加精确地刻画土壤水分运动通量（四个验证样点壤中流通量模拟的RMSE降为原来的25%-70%）。相较于新模型的开发，更加经济、简便地解决了传统生物地球化学模型中土壤水文过程薄弱的问题，极大增强了模型模拟结果的可靠性。此外，研究在耦合模型中改进氮素流失的土壤含水量阈值。传统模型中壤中流和氮素流失在土壤达到饱和或田间持水量时发生。通过长期野外定位监测发现，坡面氮素流失的土壤含水量阈值（如茶园坡面为17%）并不是饱和含水量或田间持水量，而是土壤水分特征曲线的拐点（如图1中实测数据的拐点）。基于该发现，改进了耦合模型中壤中产流的计算方法，提升了壤中产流和氮素迁移通量的模拟精度。 该研究成果近年来在Journal of Hydrology、European Journal of Soil Science、Journal of Geophysical Research 等期刊发表。 论文链接 https://onlinelibrary./doi/abs/10.1111/ejss.12936 https://onlinelibrary./doi/abs/10.1002/jpln.201900087 https://agupubs.onlinelibrary./doi/abs/10.1029/2018JG004780 https://acsess.onlinelibrary./doi/full/10.2136/vzj2018.04.0082 https://linkinghub./retrieve/pii/S0022169418306358 https://onlinelibrary./doi/abs/10.1111/sum.12282 https://www./science/article/abs/pii/S0378377417301919?via%3Dihub https://onlinelibrary./doi/abs/10.1111/sum.12282 https://www./science/article/pii/S1364815214000942?via%3Dihub 图1 实测土壤水分-基质势与多峰持水函数（Dual-porosity）、ROSETTA土壤转换函数和DNDC模型自带土壤转换函数拟合结果的对比 图2 坡面土壤水文与氮生物地球化学模型耦合方案 亚热带生态所揭示不同活性碳输入量对稻田土壤有机碳矿化激发效应的影响机制 外源活性碳输入引起的土壤碳矿化激发效应，是影响全球土壤碳平衡的重要过程，其对土壤有机质（SOM）矿化的影响强度，甚至超过温度等环境因子。一般认为，激发效应的产生，是由于外源碳输入导致土壤微生物C-N计量学上的不平衡，驱使微生物加快分解SOM以获取更多的N——这称为“N-mining”假说。然而，激发效应可能随土壤活性碳输入量的增加而改变其强度甚至方向（即由正激发变为负激发效应）；在不同碳输入量下，激发效应的机制是否都可用“N-mining”假说加以解释，至今尚难定论。 为此，中国科学院亚热带农业生态研究所吴金水团队通过向淹水水稻土添加不同量的13C标记葡萄糖，连续观测了60d培养期内的SOM激发效应动态，并结合13C-PLFA技术，分析了不同类群微生物的碳源利用情况，探讨了在不同葡萄糖输入量下激发效应机制（微生物N获取策略）的变化。结果表明：SOM矿化的激发效应随着葡萄糖输入量的增加，呈单峰曲线的变化形式（图1），在葡萄糖输入量相当于50-300%微生物量碳（MBC）时达到最大；此后，激发效应反而下降，甚至变为负激发效应（即抑制土壤碳矿化）。随葡萄糖输入量的增加，土壤无机N含量急剧下降，同时，与氮获取有关的土壤胞外酶活性也明显上升，显示微生物的氮缺乏随碳输入量而上升。据此，可以用“N-mining”假说解释在低—中等碳输入下的激发效应，即当活性碳添加低于50-300% MBC时，微生物可以通过加速SOM的分解获取足够N素。然而，这一假说不能解释极高碳输入量（300-500% MBC）为何抑制SOM矿化，因在此情况下，土壤N水解酶活性的增强并未伴随SOM矿化速率的上升。为此，本研究提出，在活性碳输入量过高的情况下，土壤微生物无法通过单纯加快SOM（较难利用）分解而迅速获得足够的N素，转而通过死微生物量（Necromass）的再利用而解决严重的N匮乏（图2）。确实，该研究发现：（1）在培养的中后期，在300-500% MBC碳添加量下出现数个CO2、CH4排放的“异常峰”，不遵循一般培养中碳矿化的指数衰减动态，此类峰的13C含量约90%，很可能来自Necromass的分解；（2）Necromass在土壤中的累积量随葡萄糖添加量而上升；（3）13C-PLFA数据显示，部分微生物类群在培养前期迅速吸收利用了13C-葡萄糖，而在培养后期其13C含量大幅下降；与之相反，另一些微生物类群在培养初期利用13C很少，反而在培养后期显著增加了13C的利用，表明一部分微生物回收利用了另一部分微生物的Necromass。这一Necromass回收利用过程的提出，是对土壤SOM矿化激发效应机制的重要补充。 该项研究近期以Carbon and nitrogen recycling from microbial necromass to cope with C:N stoichiometric imbalance by priming 为题发表在土壤学期刊Soil Biology and Biochemistry上。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中科院亚热带生态所青年创新团队项目等资助。 论文链接 https://www./science/article/abs/pii/S0038071720300171 图1 土壤活性碳输入量与SOM激发效应的关系 图2 不同活性碳输入量情况下土壤微生物的N获取策略变化 华南植物园揭示氮沉降增加对南亚热带森林地下生态过程的影响 持续氮沉降增加会导致土壤酸化、生物多样性减少等一系列生态问题。土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库，微生物作为土壤碳库的重要组分和主要分解者，对土壤有机碳循环和储存具有重要的调节功能。细根的动态过程在地上和地下碳分配和养分循环中同样扮演着重要角色。然而，在氮富集的南亚热带森林中，持续高氮沉降如何影响土壤微生物生物量与微生物呼吸的关系，以及细根的生长动态等问题仍然缺乏研究。 中国科学院华南植物园生态及环境科学研究中心博士危晖在研究员申卫军指导下，以南亚热带常绿阔叶林表层土壤（0-10和10-20 cm）为研究对象，采用室内控制培养实验，研究不同温度梯度（10℃、20℃和30℃）和不同形态氮添加（铵态氮、硝态氮和有机氮）背景下土壤微生物生物量和微生物呼吸的关系。结果表明，不同形态的氮添加处理没有显著改变土壤的微生物量与呼吸速率，这可能由于研究对象土壤长期处于氮富集状态，土壤微生物群落产生驯化，从而对外源氮输入具有较高的抗性。温度升高会显著降低土壤微生物生物量，但增加土壤微生物活性，从而刺激土壤有机碳分解。土壤微生物生物量与微生物呼吸之间具有显著的线性关系，且两者之间的线性关系会随着温度升高而发生显著变化，但不会由于氮添加而发生变化。研究结果证实土壤微生物生物量对土壤有机碳分解的主导作用，且两者之间的关系可能会随着环境变化（例如温度升高）而发生变化。相关研究结果已于近日发表在国际微生物学期刊Frontiers in Microbiology上。 华南农业大学在读博士王文娟等通过微根管法和土钻法连续两年监测鼎湖山常绿阔叶林在四个氮沉降水平下的细根生长动态发现，在氮添加下，细根直径变细且长度增加；表层土壤细根以及一级吸收根对氮沉降的响应更为敏感；低氮和中氮添加促进细根的生长，而高氮添加抑制细根的生长与周转（图2）。研究结果表明，亚热带常绿阔叶林细根对氮沉降的响应模式主要取决于细根根序、土层、氮沉降水平以及实验周期。相关研究结果已于近期发表在国际期刊Biology and Fertility of Soils上。 以上研究得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大项目及国家人才工程项目的资助。 论文链接 https://www./articles/10.3389/fmicb.2019.01055/full https://link./article/10.1007/s00374-019-01386-3 图1.不同培养温度下土壤微生物生物量与微生物呼吸间的线性关系 图2.细根生产量动态变化对氮沉降的响应（微根管） |
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