随着集约化农业生产、矿业活动和塑料制品广泛使用，重金属、邻苯二甲酸酯（PAEs）、微塑料等污染物不断进入农田生态系统。污染生态学研究也由早期的污染物含量调查和风险评价，逐步转向污染物对微生物群落、生物地球化学循环、温室气体排放及作物养分利用等生态过程的机制解析。近年来，方华军课题组以我国南方典型红壤稻田为主要研究对象，综合运用区域调查、田间试验、室内微宇宙培养、稳定同位素示踪、宏基因组测序、宏基因组组装基因组、微生物共现网络及机器学习等方法，围绕“污染来源—环境调控—微生物响应—元素循环—生态功能”开展了系统研究，形成了具有鲜明过程生态学特色的农田污染生态学研究体系。

1. 从污染分布识别走向污染形成与空间驱动机制解析

针对农业土壤中新兴有机污染物累积及其生态风险认识不足的问题，课题组率先对南方典型红壤稻田PAEs的组成、空间分布和健康风险进行了系统调查。研究共检出8种PAEs，总含量为0.17–1.97 mg/kg，其中DBP、DEHP和DIBP占PAEs总量的81%。研究进一步表明，PAEs具有显著空间异质性，其分布受到土壤有机质、水分条件及区域环境因素共同影响，其中DEHP经膳食摄入途径表现出潜在致癌风险。该研究表明，农田有机污染风险并非简单由污染物浓度决定，而是受到土壤环境和区域背景的综合调控，为红壤稻田塑化剂污染风险识别提供了基础依据。

在重金属污染方面，课题组进一步将污染空间分布研究推进到自然—人为驱动机制解析。基于304个土壤样品，融合地理探测器、随机森林和结构方程模型发现，研究区Cd含量具有显著空间变异性，变异系数达到103.70%，污染高值区主要集中于矿区附近。距离采矿区是Cd空间分异最主要的直接驱动因子，同时土壤pH、有机碳、地形高程和居民区分布也具有重要作用，采矿活动与土壤pH之间的协同作用可进一步增强Cd累积。研究实现了从“污染热点识别”向“污染来源—土壤环境交互—空间累积机制”解析的推进，为区域重金属污染精准管控提供了科学依据。

2. 揭示长期重金属胁迫下土壤微生物群落重构与功能适应机制

污染生态效应最终通过土壤生物过程体现。针对长期Cu、Cd复合污染对稻田微生物群落和生态功能影响机制不清的问题，课题组综合16S rRNA测序、宏基因组测序和微生物网络分析发现，Cu、Cd污染显著降低细菌多样性，重塑微生物群落和生态模块结构，并筛选出AD3、HSB_OF53-F07、Rokubacteriales和Nitrospira等具有污染耐受特征的微生物类群。同时，污染促进copAB、pcoBCD、czcABCD等金属抗性基因富集，并影响碳固定、硝化和反硝化等生态功能。该研究说明，长期重金属污染不仅改变土壤微生物“有哪些”，还会同步改变微生物“能做什么”，揭示了污染胁迫下微生物适应与生态功能重构的耦合机制。

针对真菌群落，课题组在矿区下游长期污染稻田采集92份土壤样品，发现Cu、Cd复合污染显著改变真菌群落组成和共现网络结构，其影响强于常规土壤理化性质。Eurotiomycetes和Pezizomycetes等类群表现出较强的重金属耐受性，而Mortierellomycetes对污染较为敏感；与此同时，Cu、Cd浓度升高显著降低碳、氮和磷循环相关水解酶活性。结果表明，长期重金属胁迫能够通过“群落筛选—网络重构—酶活性下降”共同削弱土壤生态功能，为理解污染土壤生物功能退化提供了重要依据。

3. 从微生物群落响应深入到氮循环过程与氮损失风险

在明确重金属可重塑微生物群落后，课题组进一步聚焦其对关键氮循环过程的影响。对长期Cu、Cd复合污染红壤稻田的宏基因组研究发现，重金属污染对微生物氮循环功能和群落结构的影响强于土壤常规理化性质，并促进硝化、反硝化和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）过程，同时抑制固氮，进而增加土壤氮损失风险。其中，Nitrospira通过富集驱动硝化、反硝化和DNRA过程，而Desulfobacca减少则与固氮能力下降相关。研究还组装获得携带氮代谢及重金属抗性基因的Nitrospirota基因组，从基因组层面揭示了污染胁迫下关键微生物的适应策略及氮循环调控路径。

课题组进一步将这种氮循环变化与作物养分利用联系起来。多水平Cd添加田间试验表明，Cd胁迫虽然可促进水稻氮吸收，但降低植株氮浓度和氮利用效率，高Cd处理使水稻氮利用效率下降10.59%。机制分析显示，Cd积累改变根际微生物群落结构，抑制amoA相关硝化潜力，同时促进DNRA和反硝化相关功能，导致土壤氮循环失衡并削弱有效氮供应。该研究建立了“Cd污染—根际微生物调控—氮转化过程改变—水稻氮利用效率下降”的作用链条，将污染生态学研究由土壤过程延伸至农田生产功能。

4. 强调环境情景依赖性，揭示“水分×污染物”非线性交互机制

农田污染物的生态效应通常受环境条件调节，其中水分状态是稻田中最重要的生态控制因子之一。课题组通过56天土壤微宇宙培养，结合宏基因组测序和宏基因组组装基因组技术发现，高水平Cd、Cu复合污染在淹水和非淹水条件下均降低N₂O排放，但具体机制存在明显差异：非淹水条件下主要表现为硝化过程受抑，而淹水条件下则进一步抑制硝化、反硝化及DNRA过程。研究还鉴定出Nitrosospira和Ramlibacter等与N₂O产生密切相关的关键功能微生物，说明水分状态能够改变重金属污染作用于N₂O排放的微生物途径。

进一步结合¹⁵N同位素示踪、Markov链蒙特卡洛模型、高通量功能基因检测和微生物网络分析，课题组发现Cd生态效应具有显著的水分依赖性和非线性特征：淹水条件下，Cd抑制氮供应并提高氮损失风险；非淹水条件下，低—中浓度Cd反而可促进部分氮转化过程，而高浓度Cd则导致微生物网络破碎和功能下降。由此可见，污染风险不能简单按照污染物浓度进行线性外推，而应同时考虑水分环境、污染水平及微生物网络稳定性。

5. 拓展至塑化剂和微塑料等新污染物，解析其生物地球化学效应

除传统重金属外，课题组近年来进一步拓展至农业土壤新污染物。针对不同PAE分子类型在不同水分条件下如何影响氮循环和N₂O排放的问题，91天微宇宙实验结合N₂O监测、土壤氮素分析和宏基因组测序发现，PAE“类型”比“浓度”对微生物群落和氮循环功能的影响更为显著。非淹水条件下，DEHP促进硝化并增加N₂O排放，而DMP抑制自养硝化并降低排放；淹水条件下，DMP及复合污染通过增强nosZ相关N₂O还原潜力降低净排放。该研究揭示了“污染物分子类型—水分环境—微生物功能基因—N₂O排放”的耦合机制，表明新污染物气候效应具有明显的化合物特异性和环境依赖性。

在微塑料污染方面，课题组基于144篇文献、3132组观测数据开展全球层级Meta分析，系统评估微塑料类型、粒径、浓度和可降解性对土壤碳氮过程及氮循环功能基因的影响。结果显示，高浓度和1–100 μm粒径微塑料显著提高土壤TC、DOC和MBC含量，促进NH₄⁺-N积累并降低NO₃⁻-N水平；不同粒径微塑料可通过调控amoA、nirK和nosZ等关键功能基因影响硝化与反硝化过程，而可降解微塑料则可通过释放活性碳源增强反硝化。该研究从全球尺度揭示了微塑料通过改变土壤微环境和微生物功能过程调控氮循环的规律，为新污染物生态风险评价建立了更具普适性的认识框架。

6. 形成“污染胁迫—微生物网络—元素循环—生态功能”研究框架

总体而言，方华军课题组近年来在农田污染生态学领域形成了由现象识别向过程机制、由单一污染物向多类型污染物、由局地案例向全球综合评价逐步深化的研究体系。系列研究表明，重金属和新污染物的生态效应并非仅取决于污染物浓度，而是受到污染物类型、水分状态、土壤环境和微生物群落结构等多因素共同调节。同时，污染物可以通过筛选耐受微生物、重构微生物网络及改变功能基因组成，进一步扰动硝化、反硝化、DNRA和固氮等关键氮循环过程，并最终影响N₂O排放、土壤氮保留及作物氮利用效率。

这些研究推动了农田污染生态学由传统的“污染物浓度—风险”评价模式，向“污染物—环境情景—微生物过程—生态功能”的机制化研究范式拓展，并表明污染农田管理需要从单一污染物控制转向污染防控、水分管理、养分调控和微生物过程协同优化。相关成果为重金属和新污染物风险评价、污染农田精准管理、温室气体减排以及农业生态系统可持续利用提供了重要科学依据。

成果目录

Shi F., Fang H., Cheng S., et al. The interaction between cadmium and water induces a nonlinear response in nitrogen cycling in paddy soils by restructuring microbial networks. Journal of Hazardous Materials, 2026, 513: 142384.

Liu B., Fang H., Cheng S., et al. Global hierarchical meta-analysis of microplastic-induced changes in the soil nitrogen cycle. Environmental Research, 2026, 296: 124014.

Li Y., Hu Y., Cheng S., et al. Compound-specific effects of phthalate esters on nitrogen cycling and N₂O emissions in paddy soils under contrasting moisture regimes. Environmental Pollution, 2026, 405: 128593.

Shi F., Fang H., Cheng S., et al. Cadmium accumulation suppresses rice nitrogen use efficiency by inhibiting rhizosphere nitrification and promoting nitrate reduction. Journal of Hazardous Materials, 2025: 139298.

Guo Y., Cheng S., Fang H., et al. Water regime alters microbial mechanisms of N₂O emission in metal-contaminated paddy soils. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2025, 298: 118304.

Geng J., Yu Y., Tan Q., et al. Disentangling natural and anthropogenic influences on the spatial variability of soil cadmium contamination. Environmental Pollution, 2025, 384: 126946.

Guo Y., Cheng S., Fang H., et al. Copper and cadmium co-contamination increases the risk of nitrogen loss in red paddy soils. Journal of Hazardous Materials, 2024, 479: 135626.

Guo Y., Cheng S., Fang H., et al. Copper and cadmium co-contamination influences on soil bacterial taxonomic and functional attributes in paddy soils. Environmental Pollution, 2023, 329: 121724.

Li Y., Cheng S., Fang H., et al. Composition, distribution, health risks, and drivers of phthalates in typical red paddy soils in southern China. Environmental Science and Pollution Research, 2023, 30(41): 94814–94826.

Guo Y., Cheng S., Fang H., et al. Responses of soil fungal taxonomic attributes and enzyme activities to copper and cadmium co-contamination in paddy soils. Science of the Total Environment, 2022, 844: 157119.