原名：Heavy metal contamination threats carbon sequestration of paddy soils with an attenuated microbial anabolism.

譯名：重金屬污染威脅水稻土壤的碳封存，微生物分解代謝減弱。

期刊：Geoderma

IF：6.6

發表日期：2025.8

第一作者：熊麗 江西省農業科學院土壤與肥料及資源環境研究所（熊麗課題組）

耕地中的土壤有機碳（SOC）不僅是土壤肥力和生產力的基礎，更在緩解氣候變化中發揮著重要作用——僅表層1米的土壤中就儲存著全球SOC總量的近10%。SOC的生態功能主要取決于其循環轉化與長期存留能力，而這些過程極易受到重金屬污染等環境壓力因素的顯著影響。近百年來人類活動的密集開發，使農田土壤重金屬污染日益嚴重，已成為威脅土壤健康和糧食安全的全球性問題。作為土壤碳循環的主要調控者， 微生物如同“針眼”般精準調控著有機質碳的轉化過程，且對重金屬具有高度敏感性。因此，重金屬污染對微生物介導SOC轉化的影響正引發學界越來越多的關注。

圖1：研究區及沿縣岔河13個采樣點位置示意圖

（1）重金屬污染會降低微生物可利用碳元素（CUE）并加速生物量周轉；

（2）微生物合成代謝能力減弱將顯著影響污染稻田土壤中有機碳的變化。

（1）本次實地考察在自1934年開采至2020年關閉的小龍鎢礦周邊展開。屬亞熱帶季風氣候區，年均氣溫18.6℃，年均降水量1726毫米。?

（2）水稻種植是該地區最主要的農業類型，采用典型的早稻-晚稻輪作制度。?

（3）在河流上下游13個采樣點采集土壤樣本 （圖1），每個采樣點選取三塊相鄰的稻田作為三重復樣本。每塊稻田內設置五個2×2米樣方，每個樣方從表層（0-20厘米）隨機采集五個直徑2.5厘米的土壤芯樣。將同塊稻田內所有樣方的土壤芯樣混合制成復式樣本，24小時內送至實驗室經2毫米篩網過篩去除植物根系、石塊及雜物，并將土壤分成兩份。

（4）一份置于4℃保存用于微生物生理特性分析，包括微生物化學有效元素（CUE）、微生物生物量周轉率、氨基糖類分析。

（5）另一份在室溫下風干后用于檢測土壤pH、水解氮（HN）、有效磷（AP）、有效鉀（AK）、陽離子交換容量（CEC）、黏土含量、有機碳（SOC）、總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）及重金屬分析。

表2

（1）各采樣點土壤重金屬污染物鎘和銅（表1）含量超標，土壤pH均呈現典型農田土壤酸性特征，其中S4樣本的酸度值最高達5.86。在氨基糖含量方面，S2位點的含量最高（1740.34 mg/kg），顯著高于其他檢測點（表3 )。微生物碳水化合物含量（MBC）的范圍從S7位點的228.55 mg/kg到S2位點的847.70 mg/kg。微生物化學可逆性能量轉換（CUE）反映了分解代謝與合成代謝活動的平衡狀態，這一平衡主要決定了有機碳（SOC）的歸宿。本研究中CUE值介于0.14至0.42之間（表3），處于采用 18O-H2O培養法研究水稻田土壤時報道的正常范圍。我們的第一個假設得到驗證：重金屬污染會降低微生物CUE并加速微生物生物量周轉。

（2）在土壤養分中，僅有TN和HN與微生物CUE呈現顯著正相關( 圖5a、d）。土壤微生物指數與微生物特征之間存在顯著負相關關系，氨基酸糖與SOC（圖4）和土壤養分（圖5）存在正相關關系。微生物群落多樣性和組成的改變可能是微生物化學上可利用能量（CUE）降低的關鍵因素。微生物多樣性增強能拓寬代謝功能廣度，有利于高效利用多種促進微生物生長的碳源底物，從而形成微生物多樣性與CUE的正相關關系。此外，考慮到真菌在資源獲取方面的高成本，細菌群落表現出比真菌群落更高的CUE，因此本研究中觀察到的CUE降低可歸因于重金屬污染下細菌多樣性的減少。

圖4 nemerow指數與土壤養分的關系：(a) TN含量，(b) TP含量，(c) TK含量，(d) HN含量，(e) AP含量，(f) AK含量。

圖5 土壤養分與微生物生理特征的關系。（a-f）微生物CUE與以下指標的關系：(a) TN含量，(b) TP含量，(c) TK含量，(d) HN含量，(e) AP含量，(f) AK含量；（g-l）微生物周轉時間與以下指標的關系：(g) TN含量，(h) TP含量，(i) TK含量，(j) HN含量，(k) AP含量，(l) AK含量。

圖6.微生物變量與SOC含量的關系：(a)氨基糖含量，(b) MBC含量，(c)微生物CUE，(d)微生物周轉時間。

（3）垂直園藝分析（VPA）結果顯示，重金屬、土壤屬性和微生物因素共同解釋了69.49 %的有機碳（SOC）變異（圖7）。重金屬污染還通過直接抑制MBC對SOC產生負面影響圖（9a）。在重金屬污染環境下，作為微生物合成代謝副產物的微生物生物量形成和殘留物積累均減少( 圖2a、圖2b）。由此導致SOC總量下降( 圖3a）以及氨基糖在SOC中的比例降低(圖3b）。這些結果有力地證明，重金屬污染通過抑制微生物的合成代謝活性，顯著降低了微生物殘留物的積累，最終影響了SOC的儲存。這些發現支持了我們的第二個假設，即減弱的微生物合成代謝是重金屬污染水稻田土壤中SOC變化的主要驅動因素。

圖2 nemerow指數與微生物變量的關系：(a)氨基糖含量，(b) MBC含量，(c)微生物CUE，(d)微生物周轉時間。

圖3 nemerow指數與(a) SOC含量和(b)SOC中氨基糖比例的關系。

圖7 SOC變化的分區分析。X1，僅由重金屬解釋的部分；X2，僅由微生物因素解釋的部分；X3，重金屬和微生物因素共同解釋的部分；X4，重金屬和土壤因子共同解釋的部分；X5，三組因素共同解釋的部分。

圖8 針對SOC變化的預測因子進行的隨機森林分析含排列重要性（MSE增加百分比）。各預測因子的顯著性水平設定如下：*表示P < 0.05；**表示P < 0.01。

(1) 重金屬污染與微生物化學有效能量 （CUE）及微生物生物量周轉率呈負相關，表明污染稻田土壤中的微生物生理特征發生顯著改變。

(2) 微生物CUE的降低暗示著微生物合成代謝能力受損——在重金屬脅迫下，微生物生長獲得的碳比例相對呼吸作用有所減少。由此導致“微生物底物-微生物生物質-微生物殘渣”鏈中的碳流動減弱。

(3) 這使得重金屬污染對微生物生物量（MBC）形成和殘留物生成產生負面影響，最終降低有機碳（SOC）的儲存量。盡管觀察到微生物生物質周轉率加快，但其與氨基糖類或SOC無相關性。這種缺乏相關性的現象歸因于重金屬污染同時導致微生物生長速率下降。

(4) 綜上所述，實證證據明確表明：重金屬污染通過抑制微生物合成代謝并減少微生物殘渣積累，導致稻田中SOC流失。我們的研究結果提示重金屬污染將對水稻田土壤碳封存能力造成嚴重威脅。