日本研究团队发现土壤挥发性有机化合物标定对大豆田土壤评估有效

日本研究团队发现土壤挥发性有机化合物标定对大豆田土壤评估有效

日本筑波大学生命环境系的草野都教授与理化学研究所、福岛大学、北海道大学、东京大学、京都大学等机构的研究人员组成的研究团队，近日发表了一项重要研究成果。研究团队在福岛县的大豆田中，历时3年采集了不同土壤条件下的土壤样本，分析了挥发性有机化合物（VOC）的成分标定。研究发现，开花期的大豆田存在土壤VOC含量显著增加，并与土壤相关的其他数据存在关联性。这一发现为可持续农业的发展提供了新的评估方法。

图：研究概要

A. 从播种期到收获期的大豆田状态。开花期通常在8月，可见大豆生长旺盛。

B. 在福岛县农业综合中心采集的牛粪区土壤VOC标定的时间序列变化。箭头表示开花期，可见开花期前后土壤VOC含量增加。

C. 2020年和2021年共同检测到的土壤VOC剖面的多变量分析结果。从中发现了根据田间有无种植大豆，某些VOC含量显著增加。

D. 利用主成分的土壤VOC标定与其他组学数据的相关性分析结果。圆圈越大代表关联性越强，＊越多表示统计学上的相关性越显著。蓝色表示正相关关系，红色表示负相关关系。（供图：筑波大学）

可持续农业的发展需要基于对土壤健康状况的深入理解，进行合理的土壤改良和利用。土壤中的挥发性有机化合物（VOC）在生态系统中发挥着重要作用，但针对该类化合物的全面分析仍然不足。此次研究团队在福岛县农业综合中心的大豆田中，历时三年分析了不同条件（未施肥条件、化肥施肥条件、牛粪施肥条件、未种植大豆的土壤）下从播种前到收获期的土壤VOC标定的变化。研究采用HS-SPME-GC-MS法进行VOC分析，同时收集了土壤物理特性数据，以及土壤中化学成分、微生物的数据。

研究结果显示，3年间检测出了约200个VOC峰值，从中发现了作为指标的36～62种潜在指标化合物。3年间，醇类、醛类、烷烃类、芳香族、萜烯类5类化合物占到总量的80%以上。各年份检测出的VOC标定各有差异，揭示了土壤VOC标定的年际多样性。

开花期牛粪堆肥条件下VOC累积水平增加到了通常水平的2倍。而在未种植大豆的田地里，VOC的相对含量非常低。研究团队还成功鉴定出了戊酸等物质。

研究团队进一步对土壤VOC标定与元素浓度、微生物、代谢物等与土壤相关的6类综合组学数据（土壤离子组、土壤微生物组、根系微生物组、土壤代谢组、根际特化代谢物、土壤物理特性数据）的相关性分析。结果发现，土壤VOC标定的第一主成分与其他组学数据的第一成分在统计学上呈现显著相关性。而根际特化代谢物和根系微生物组数据集之间未呈现相关性。

其中，大豆开花期对土壤VOC水平的影响有可能成为评估土壤生物学活性方面的重要指标。

草野教授表示：“在本研究中，我们从播种期到收获期的约半年时间里每隔1至2周进行一次土壤采样，这项工作的艰巨程度是我们未曾想到的。我对参与采样的研究人员深表感谢。此外，我们正在努力钻研数据，思考如何处理综合组学数据才能发现有意义的结果。此次研究成功揭示了挥发性成分的组学分析有可能成为土壤评价指标，我对此倍感欣慰。”

【论文信息】

期刊：Scientific Reports

论文：Soil volatilomics uncovers tight linkage between soybean presence and soil omics profiles in agricultural fields

DOI:10.1038/s41598-024-70873-x