导 读
揭示了青藏高原不同生境下甲烷氧化微生物的群落分异；建立了测定金属离子在土壤胶体双电层中分布的新方法；高地下水位使得土壤剖面中硝酸盐难以累积。
来源：根据南京土壤所网站、土壤与农业可持续发展国家重点实验室网站近期相关报道整理
揭示了青藏高原不同生境下甲烷氧化微生物的群落分异
自然湿地是大气甲烷重要的排放源，在自然湿地生态系统中，有高达90%的甲烷在还未释放到大气之前就被好氧甲烷氧化微生物所消耗。因此，甲烷氧化微生物对全球甲烷循环起着重要的作用。以往的研究主要集中在甲烷氧化微生物群落组成及甲烷原位气体通量观测等方面，然而，在甲烷氧化微生物群落构建过程及共存网络模式方面的研究尚无报道。
南京土壤研究所褚海燕课题组于青藏高原海北生态试验站采集了三种不同生境（高寒草甸、沼泽化草甸、湿地）的土壤样品，利用高通量测序研究了甲烷氧化微生物的群落组成、群落构建及共存网络模式。结果表明：甲烷氧化微生物在三种不同生境中显著分异；随机性过程主导甲烷氧化微生物的群落构建过程，其对群落构建的相对贡献随着土壤水分的增加而增加；三种不同生境下甲烷氧化微生物共存网络（Co-occurrence Network）结构存在显著差异，土壤水分较少的高寒草甸生境网络结构更加稳定，表明了干湿水分的筛选作用对甲烷氧化微生物共存关系的潜在影响；网络中关键物种分析发现，I型甲烷氧化菌（主要是Methylobacter、USCγ、RPC-1）在网络模块中起着连接作用，可能在种间合作关系中扮演重要角色。
该研究首次探明了青藏高原不同生境下甲烷氧化微生物群落构建机制及共存网络模式，为认识自然湿地生态系统甲烷氧化的微生物学机制提供新的视角，对理解全球变化背景下湿地生态系统中甲烷氧化过程也有助益。
研究结果发表在Soil Biology and Biochemistry上。
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038071719300471
不同生境下甲烷氧化微生物的群落构建过程
不同生境下甲烷氧化微生物的共存网络关系及稳定性
建立了测定金属离子在土壤胶体双电层中分布的新方法
离子与土壤尤其是与土壤黏粒（包括带电的和具有较高比表面积的矿物和有机质等）之间的相互作用是影响土壤溶液中离子活性的关键因素。经典双电层理论揭示了离子与土壤黏粒之间的相互作用，对准确预测离子在土壤中的迁移能力及生物有效性具有重要意义。因此，定量分析离子在土壤黏粒双电层中的比例对于土壤肥力管理和环境污染治理都具有重要意义。
土壤悬液Wien效应是指在外加电场作用下，吸附在土壤黏粒表面的离子尤其是通过静电引力吸附的离子可以被剥离下来进入溶液增加土壤悬液电导率的现象， Wien效应的产生机理如图1所示。在国家自然科学基金项目（40401030、40871114、41422105）长期资助下，中国科学院南京土壤研究所王玉军研究员课题组深入开展了土壤胶体悬液Wien效应研究，结合土壤胶体电解质理论和悬液Wien效应，推导并建立了重金属离子与土壤胶粒间的平均结合自由能和平均吸附自由能的计算公式，获得了多种重金属离子在不同土壤胶体表面的平均吸附自由能和平均结合自由能（Soil Sci Soc Am J, 2008, 72: 56-62；Adv Agron 2013, 122: 127-178; J Soil Sediment 2015, 15(11): 2276-2284），揭示了负Wien效应产生的机制（Soil Sci Soc Am J, 2009, 73:569-578），探讨了有机质等对金属阳离子与土壤黏粒之间的结合能和吸附能的影响（Soil Sci Soc Am J, 2013,77: 442-449; Soil Sci Soc Am J, 2015, 79: 794–802; Environ Sci Technol 2016, 50: 2931-2937 ）。
1947年Grahame提出将stern层分为内外Helmholtz层的理论，内Helmholtz层（IHP）主要是化学吸附为主，而在外Helmholtz层（OHP）是以静电吸附为主，但目前同样没有测定金属离子在内外Helmholtz层中的方法。同步辐射技术为分析重金属离子在土壤中的物理吸附与化学吸附提供了新的手段，但由于金属离子在黏土矿物层间通常是以水合态离子为主，利用同步辐射分析重金属在土壤中形态容易高估扩散层中金属离子含量。离子与胶核之间的相互作用与离子与胶核之间的距离呈显著负相关，在外加强电场的作用下，扩散层中首先解吸下来的金属离子，其实是外Helmholts层中的金属离子，内Helmholts是以化学吸附的形式吸附在胶体表面，这部分离子很难解吸下来。王玉军研究员课题基于悬液Wien效应分析了双电层中金属离子解吸速度的变化，建立了测定金属离子在内外Helmholtz层中分布的方法（图2）。
利用该方法测定了Zn2 在土壤黏粒双电层中的分布（图3），发现84%的Zn2 通过化学吸附固定在内Helmholtz层；其他的Zn2 则主要通过静电吸附分布在外Helmholtz层和Gouy-Chapman扩散层。其中分配在外Helmholtz层的离子占总静电吸附的2-22%，分配在Gouy-Chapman扩散层的离子占总静电吸附的78-98%。该方法克服了利用同步辐射高估Zn离子在扩散层中分布的缺点，从实验角度测量了双电层中金属离子的分布，推进和深化了人们对土壤胶体化学中双电层理论的认识。论文近期发表在美国土壤学会志（Soil Sci Soc Am J, 2019, 83:97-106.）上。
文章链接
https://dl.sciencesocieties.org/publications/sssaj/pdfs/83/1/97
图1 Wien效应机理示意图
图2 悬液Wien效应外推法理论概念图
图3 基于悬液Wien效应外推法计算Zn不同土壤黏粒上的双电层分布
高地下水位使得土壤剖面中硝酸盐难以累积
长江三角洲（长三角）地区地下水位高，农田氮投入量大，降雨频繁，硝态氮（NO3–N）容易淋溶出根层直至进入地下水，造成地下水潜在的污染风险。虽然现有的研究表明长三角地区菜地和果园表层土壤存在NO3–N累积，但不同土地利用方式下NO3–N剖面分布特征并不清楚，对于根层以下土壤或地下水中是否存在NO3–N累积尚不明确。反硝化是一种能够减少NO3–N淋溶并防止地下水NO3–N污染的有效途径。近年来，太湖地区稻田耕层土壤以及河流沉积物通过反硝化作用能有效去除NO3–N的能力已经被证实。但是由于研究方法的限制，至今对太湖地区农田深层土壤及地下水反硝化作用缺乏了解，从而影响到对其去除NO3–N能力的准确评估。
南京土壤所颜晓元课题组利用膜进样质谱仪（MIMS）可以准确测定水体中溶解性N2浓度的技术优势，通过(N2 N2O)直接定量法，建立了含水层土壤反硝化原位测定方法，可准确、快速评估反硝化对地下水NO3–N的去除效率，在此基础上，课题组以太湖地区3种典型的农田为研究对象，通过两年的野外观测结合室内培养实验研究了不同种植模式下农田地下水NO3–N及溶解性N2的浓度变化，目的在于：（1）探明不同种植模式下农田土壤及地下水NO3–N浓度剖面分布特征；（2）验证农田土壤剖面是否存在NO3–N累积现象；（3）明确反硝化对地下水NO3–N的去除效率及主要影响因素。
通过连续两年的野外观测结合室内培养实验，发现长三角地区3种不同类型的高氮投入农田1～4 m地下水NO3–N剖面分布特征存在明显差异：水稻田地下水NO3–N浓度始终很低（＜1 mg·L-1），不同深度之间无差异；蔬菜地和葡萄园1 m处地下水NO3–N年平均浓度分别为5.6和17.5 mg·L-1，但是地下水NO3–N浓度随着深度增加急剧下降，至4 m处，NO3–N浓度降至小于1 mg·L-1，与水稻田无差异。蔬菜地和葡萄园地下水高浓度NO3–N仅出现在施肥期间，非施肥期地下水NO3–N浓度较低，这表明长三角农田不存在明显的NO3–N累积。原状土柱培养实验结果表明，0～4 m土壤均存在较强的反硝化活性。通过对地下水中反硝化产物N2及N2O的直接定量测定，发现反硝化对地下水NO3–N的去除效率随着深度而增加，至4 m处，反硝化对地下水NO3–N的去除效率分别为86%（水稻田）、93%（蔬菜地）和89%（葡萄园）。这表明反硝化能有效去除地下水NO3–N，是长三角地区农田土壤剖面未产生NO3–N累积的重要原因。反硝化产生的溶解性气态氮主要通过地下水流入临近水域，对于蔬菜地和葡萄园而言，溶解性气态氮流失量与NO3–N淋溶损失量相当，是一个重要的氮素去向，值得关注。
文章链接
http://pedologica.issas.ac.cn/trxb/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=trxb201809040445&flag=1
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