近年来，我国南方红壤地区的重金属污染问题日益严重，已成为威胁公众健康和粮食安全的重大挑战。土壤中重金属与氮转化过程的耦合作用是一个新兴的交叉学科领域，两者之间存在着复杂的交互作用，许多科学问题悬而未决。例如，重金属胁迫下红壤中氮的转化与排放过程如何变化？重金属污染是否以及如何影响红壤中氮循环与水稻氮素利用的耦合？解决这些问题将有助于提高南方地区重金属污染稻田中的氮素利用效率，并推动土壤生物修复的研究与应用。

    方华军研究团队基于典型流域重金属污染梯度带、原位控制试验和室内培养实验，结合环境因子分析、稳定性同位素示踪和微生物分子生态学技术，从微生物群落特征、土壤氮转化、N₂O排放和作物氮吸收等多个层面，系统研究了南方红壤区稻田重金属与氮素交互作用及其微生物驱动机制。研究团队取得了以下重要进展：

1、 阐明重金属对水稻土微生物群落和功能的影响及其环境驱动机制

通过野外调查与采样，结合环境因子分析、16S/ITS扩增子测序、宏基因组测序和微生物荧光测定等方法，研究明确了江西泰和县仙槎河污灌区水稻土中重金属的区域分布，揭示了重金属对水稻土细菌和真菌群落的影响及其环境驱动机制，界定了重金属抗性微生物类群。研究进一步阐明了不同重金属污染程度对微生物群落潜在功能和酶活性的影响及其主导因素。此研究为稻田土壤重金属污染的生物修复提供了理论依据，有助于维护红壤丘陵区土壤健康及其生产力。

2、 揭示长期重金属胁迫下水稻氮素供应能力的变化特征

运用宏基因组测序和分箱技术，研究探讨了铜（Cu）和镉（Cd）复合污染下水稻土氮转化微生物群落的空间演变规律，并量化了关键微生物物种在氮循环过程中的代谢潜力。研究表明，重金属污染对水稻土氮循环微生物的代谢潜力影响显著，且这种影响超出了土壤理化性质的范畴。Cu和Cd复合污染促进了硝化、反硝化及硝酸盐异化还原为铵（DNRA）过程，但抑制了生物固氮。研究揭示了长期重金属污染下水稻土氮素循环的响应特征及其微生物驱动机制，推动了水稻土重金属-氮耦合循环的深入研究。

3、 解析典型重金属富集对水稻土N₂O排放的差异性影响

通过构建重金属单独和复合添加的培养实验，研究了不同水分管理条件下水稻土N₂O排放对典型重金属浓度、种类及其组合的响应特征及其微生物驱动机制。研究表明，高剂量的Cd和Cu单独污染在非淹水条件下对土壤N₂O排放产生拮抗效应，而在淹水条件下则呈现协同效应。水分条件及高剂量复合污染改变了氮转化功能基因的丰度和物种组成，进而影响土壤硝化、反硝化和DNRA过程，导致了土壤N₂O排放的差异性变化。该研究为探讨重金属污染水稻土在不同水分管理策略下土壤N₂O排放与氮循环微生物群落之间的耦合作用提供了新的视角。

4、 揭示Cd污染对水稻氮素利用效率（NUE）的影响机制

通过田间原位Cd添加梯度控制实验，系统分析了Cd污染对根际与非根际土壤氮转化过程、微生物群落和水稻NUE的影响机制。研究发现，土壤化学性质、微生物群落及水稻NUE对Cd污染的响应呈现剂量依赖性，且根际土壤对Cd污染更为敏感。尽管高剂量Cd添加促进了水稻地上部生物量和氮素吸收，但却降低了植株氮浓度和NUE，微生物介导的土壤氮循环过程变化是导致NUE降低的主要原因。此研究深化了对重金属污染下水稻NUE驱动机制的理解，并为优化农田氮素管理策略提供了理论基础。

5、 揭示Cd污染对水稻土氮供应潜力和损失风险的影响机制

通过¹⁵N成对标记、Ntracebasic模型、基因芯片和宏基因组学等技术，研究分析了Cd污染水平及水分管理对南方红壤性水稻土氮供应潜力和损失风险的影响机制。结果表明，Cd富集增加了水稻土中氮和磷的有效性，有利于喜铵型水稻的生长。非淹水条件下，Cd富集促进了总矿化和NH₄⁺固持，加速了土壤NH₄⁺-N的周转；而淹水条件下，Cd富集促进了自养硝化和NO₃⁻-N的固持，加速了土壤NO₃⁻-N的周转。不论水分条件如何，Cd富集均降低了水稻土的氮供应潜力。淹水条件下，Cd对氮循环微生物的抑制作用得到缓解，从而显著增加了土壤氮损失风险，而非淹水条件下则相反。总之，非淹水管理（落干）有助于促进Cd污染水稻土中NH₄⁺-N的吸收并降低NO₃⁻-N的损失风险。研究结果精确描绘了Cd污染对水稻土氮素有效性、氮供应潜力及损失风险的影响机制，为优化南方红壤区中轻度Cd污染稻田的NUE提供了有力的过程调控策略。

以上研究成果得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项和江西省井冈山农高区省级科技专项“揭榜挂帅”项目等项目的资助，并已发表相关论文5篇，出版专著1部。

发表的论文目录如下：

 Shi,F.,Fang,H.,Cheng,S.,Guo,Y.,Wang,H.,Chen,L.,Pu,H.,Liu,B.,2025. Cadmium accumulation suppresses rice nitrogen use efficiency by inhibiting rhizosphere nitrification and promoting nitrate reduction. Journal of Hazardous Materials,496,139298. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139298.( IF=12.2)

 Guo,Y., Cheng,S., Fang,H., Geng,J., Shi,F., Wang,H., Chen,L., Pu,H., Liu,B., Zhou,Y., 2025. Water regime alters microbial mechanisms of N₂O emission in metal-contaminated paddy soils. Ecotoxicology and Environmental Safety,298,118304. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2025.118304. (IF=6.2)

 Guo,Y., Cheng,S., Fang,H., Geng,J., Li,Y., Shi,F., Wang,H., Chen,L., Zhou,Y.,2024. Copper and cadmium co-contamination increases the risk of nitrogen loss in red paddy soils. Journal of Hazardous Materials,479,135626. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.135626. (IF=12.2)

 Guo,Y., Cheng,S., Fang,H., Yang,Y., Li,Y., Shi,F., Zhou,Y., 2023. Copper and cadmium co-contamination affects soil bacterial taxonomic and functional attributes in paddy soils. Environmental Pollution,329,121724. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2023.121724. (IF=7.6)

 Guo,Y., Cheng,S., Fang,H., Yang,Y., Li,Y., Zhou,Y., 2022. Responses of soil fungal taxonomic attributes and enzyme activities to copper and cadmium co-contamination in paddy soils. Science of The Total Environment,844,157119. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157119. (IF=8.0)

 郭一帆,方华军,程淑兰. 重金属胁迫下红壤性水稻土氮转化和微生物群落的耦合作用机制. 中国农业科学技术出版社,2024.

图1 Cd富集对南方红壤性水稻土养分有效性、植物性状和水稻NUE的影响