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《稀土矿废弃地植被恢复过程中土壤微生物演变》

  • 来源专题：农业立体污染防治
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2019-11-12

  • 以福建长汀典型离子型稀土矿堆浸冶炼废弃地作为研究对象，采取"空间代时间"的方法，对堆浸废弃地不同植物恢复年限样地土壤理化性质及微生物进行调查测定，分析植物恢复对稀土矿堆浸废弃地土壤理化特性及微生物的影响.结果表明：在植被恢复第3a和4a土壤理化性质显著高于未治理废弃地，但仍显著低于矿区周边未开采对照（P<0.05）.植被恢复年4a以后，长汀稀土矿废弃地土壤理化性质则呈下降趋势，但仍显著高于未治理废弃地（P<0.05）.长汀稀土矿堆浸废弃地不同植被恢复年限土壤细菌丰度及多样存在一定差异.随植被恢复年限的增加，土壤细菌多样性及丰度降低，但一些特殊细菌群如γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、a-变形杆菌纲（Alphaproteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、蓝藻菌门（Cyanobacteria）等在不同植被恢复年限样地中其相对丰度明显增加.具有固氮作用的蓝藻菌门（Cyanobacteria）随着植被恢复年限的增加，其相对丰度降低.广古菌门（Euryarchaeota）仅存在于未开采对照样地；土壤寡营养细菌酸杆菌门（Acidobacteria）随植被恢复年限的增加，相对丰度呈增大趋势.土壤中优势菌群广古菌门（Euryarchaeota）、厚壁菌门（Firmicutes）、β-变形菌门（Proteobacteria）、Methanobacterium属、罗尔斯通菌属（Ralstonia）与土壤pH、全磷、全钾、速效磷等呈正相关.土壤pH值、全磷、全钾等是影响广古菌门（Euryarchaeota）、厚壁菌门（Firmicutes）等细菌菌群多样性及相对丰度变化的重要因素.以上结果表明，离子型稀土矿堆浸废弃地植被恢复治理到3~4a时，应采取防治措施对其进行人工抚育管理，否则可能会出现前期恢复后期退化的问题.

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  • 《从土壤微生物中找到“宝藏”》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2023-07-06
    •     谈起“双碳”，你会想到什么？或许是大气中的二氧化碳、气候变化、绿色能源的应用……事实上，“双碳”不仅与“天空”有关，也与“大地”密不可分——作为地球陆地生态系统中碳含量最大的生态系统，土壤的碳储量约为大气的2—3倍、植被的3—4倍，对于调控气候变化和碳中和的实现具有重要意义。     清华大学环境学院博士后高群就是一名与土壤打交道的科学家。她从土壤中的微生物入手，实现了碳排放的预测优化，寻找出减污降碳的新技术。用高群的话来说，她的研究就是从“挖土”到“挖宝藏”的过程。 揭示土壤碳排放的奥秘     “和人类一样，土壤也会通过‘呼吸’排出二氧化碳，这就是土壤的碳排放过程。”高群介绍，保护土壤碳库的大小和稳定性，是缓解气候变化的重要举措。科学》杂志曾经将土壤称为“最后的科学前沿”，揭示了土壤生物的多样性、复杂性和重要性。近年来，土壤学科发展和科学地位不断提升。特别是在全球气候变化挑战日益严峻的当下，土壤碳封存已被《联合国气候变化框架公约》列为实现长期碳中和的关键途径之一。     “土壤中大部分的碳储量集中在高纬度地区特别是寒冷的冰冻地区。比如青藏高原就是我国重要的‘碳库’，也是生态脆弱敏感区。”高群说，调控土壤碳含量，助力“双碳”实践，这是一个听上去简单，但实际上极其复杂的科学问题。     利用青藏高原等地区的监测数据，高群所在的研究团队对全球土壤碳排放的时空变异规律进行了探索。研究发现，过去30年间，全球的土壤碳排放在21世纪初期发生了短暂的“停顿”，这是因为此间全球气候温度的升高进入了停滞期。     与此同时，高群等科学家还通过研究，揭示了气候变化影响下青藏高原碳汇功能和变化特征，该成果被列为第二次青藏科考的重要进展之一。 打造微生物碳循环模型     土壤碳库如此重要，它是如何形成并储存在土壤中的？在传统观念中，人们认为植物的“枯枝落叶”是土壤碳储存的主要来源。很多土壤碳库模型也将植物中的木质素作为表征稳定碳库的重要参数。然而，科学家们逐渐发现，土壤碳循环过程中有一批重要的“生力军”——微生物。它们虽然个体微小，却与人类和生态系统关系密切。“微生物是生态系统的分解者，它们通过分解有机物，把土壤中的有机碳变成无机的二氧化碳。”高群说。有趣的是，微生物还能通过合成代谢，将碳转化成某种形式储存于土壤中。“这一被称为‘微生物碳泵’的过程，是一个现实可行又无环境风险的固碳途径。”高群说。近年来，土壤微生物对碳循环和气候变化的作用得到越来越多的关注。2019年，来自多个国家的33名科学家联合撰文呼吁，将微生物科研融入主流气候变化研究和气候变化框架中，以应对人为造成的气候变化问题。要想摸清微生物的奥秘并不容易。“微生物的碳循环过程非常微观，我们看不见、摸不着。如何将微生物的功能特性纳入到土壤碳库模型中，这是一个国际难题。”高群说。     经过数年的潜心研究，高群所在的科研团队开发出了基于微生物功能基因的新型碳库模型，这一成果推动了微生物组学与宏观气候变化生态学的融合，实现了对碳排放的预测优化，得到了世界上该领域很多科学家的广泛认可。 为“双碳”寻找“天才”菌株。我们常说的微生物，涵盖了有益与有害的众多微生物种类，包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生物群体。高群介绍，在1克土壤中，微生物的数量多达108—1012个，而人类目前已知的微生物只占1%，其余99%的微生物，其功能仍是不可知和不可预测的。既然微生物对固碳有重要作用，那么究竟是哪些微生物有这样“神奇”的能力？高群的又一项研究，是把这样的微生物找出来，让它们在更多场景发挥作用。“我们通过多年的野外定位实验，发现并筛选出了一部分在碳降解、碳固定方面起到重要作用的微生物，将他们的功能基因纳入到模型中。”高群说，科研团队挖掘出了一批具有雌激素降解功能的菌，通过将其与生物炭结合的方法，实现了土壤减污与降碳协同技术的初步研发。在实验室条件下，生物炭平均可以使土壤的二氧化碳减排24%，而高效固碳酶在工业废气、汽车尾气等固碳应用中有很好的产业化前景。     “微生物是一笔巨大的隐形财富。”高群说，“我相信土壤中一定还存在着一些‘天才’菌株。如果能够将它们的功能和应用发掘出来、解释清楚、规模应用，一定会对‘双碳’目标的实现起到重要作用。” 在“沉默”中探索攻坚     从大学开始，高群就与环境科学结下了缘分。“最初选择环境专业，是觉得‘环境’这个词看上去挺文艺，后来进入到土壤微生物领域，是因为微生物看上去很有神秘感。”在环境科学领域耕耘数年之后，高群对这一专业有了更多的认知和理解。     “环境科技工作者的角色就像是给地球‘治病’的‘医生’，通过治理水体、土壤、大气、固体废弃物污染，为地球的各个表面和圈层治疗‘痼疾’。”高群说。 与土壤和微生物打交道，是一个磨炼心性、坐冷板凳的过程。高群介绍，在减污降碳技术开发过程中，科研团队为了追踪雌激素在环境中的传播足迹，需要沿着其可能的传播链条，对各个环节的土壤进行大量采样。采集土壤后，还要完成冻干、预处理以及后续的研磨和固相萃取等工作，最终把需要鉴别的污染物提取分离出来，再测定其浓度。     “基础研究需要很长时间的‘沉默成本’。”高群说，要坐好、坐稳基础研究的冷板凳，既要有兴趣，也需要情怀。近年来，国家出台一系列政策支持基础研究，支持青年科技人才挑大梁、担重任，这给像高群一样的科学家创造了机遇。     “青年科学家要珍惜这个时代，肩负起自己的责任和使命。我会继续沿着关键的科学领域进行深入研究，在微生物固碳、微生物介导的减污降碳等领域不断探索、攻坚克难。”高群说。
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  • 《西北高原所在土地利用变化过程中土壤微生物对土壤多功能性调控机制方面取得新进展》
    • 来源专题：耕地与绿色发展
    • 编译者：张毅
    • 发布时间：2024-11-18
    • 土地利用变化对陆地生态系统具有广泛的影响。然而，青藏高原高寒生态敏感区土地利用变化对土壤环境因子、土壤微生物的影响以及初级生产力、土壤微生物和土壤多功能性之间的关系研究较少。特别是对于高寒生境土壤微生物多样性及其共生网络复杂性与土壤多功能性之间关系仍缺乏系统了解。 中国科学院西北高原生物研究所高原药用资源生态保护与繁育学科团队在环青海湖区域分别选择高寒草原、农田、人工灌丛为研究对象，构建了从天然草原—农田—人工灌丛的土地利用类型转化序列，测定了初级生产力、土壤真菌和细菌以及土壤因子。研究表明：随着农田向人工灌丛的转化土壤环境因子和微生物群落组成呈现出逐渐向天然草地恢复的趋势，土壤磷含量对土壤微生物群落组成的恢复发挥关键调节作用。退耕还林后土壤微生物共生网络复杂性的恢复比微生物群落组成和功能类群的恢复需要更长的时间。最重要的是，本研究揭示了土壤微生物共生网络复杂性在土地利用变化过程中介导初级生产力对土壤多功能性的影响。这些发现弥补了我们对咸水湖生境周围土地利用变化过程认识的不足，对于拓宽我们对土地利用变化的认识，促进全球高寒生态系统恢复决策的制定具有重要意义。 相关研究结果以?Soil microbial network complexity predicts soil multifunctionality better than soil microbial diversity during grassland-farmland-shrubland conversion on the Qinghai-Tibetan Plateau?为题于2024年10月11日发表于国际著名农林科学期刊?Agriculture, Ecosystems & Environment（5年影响因子/JCR分区：6.4/Q1）。西北高原所肖元明助理研究员为论文第1作者，周国英研究员为通讯作者。该研究得到青海省自然科学基金团队项目（2023-ZJ-902T）、中国科学院战略性先导计划项目（XDA26020201-2）以及中国科学院-青海省国家公园联合专项（LHZX-2020-11-1）的支持。
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