土壤管理措施及环境因素对土壤微生物多样性影响研究进展

本文综述了土壤管理措施及环境因素对土壤微生物多样性影响的研究进展,并介绍了土壤微生物多样性的研究方法,土壤微生物多样性包括微生物物种多样性、遗传多样性和生态多样性。传统上,土壤微生物群落的分析依赖于培养技术,但使用该技术只能培养和分离出一部分土壤微生物群落。现在国际上普遍使用Biolog分析、磷脂脂肪酸(PLFA)分析和核酸分析等多种现代技术研究和表征土壤微生物多样性。土壤微生物多样性受土壤管理措施和多种环境因素的影响。农药可能使土壤微生物多样性减少或改变其结构和功能;施有机肥有利于维持土壤微生物的多样性及活性;但在施用无机肥的影响上目前的报道有矛盾之处。农业土壤减少耕作可能增加微生物多样性和生物量;轮作可能比单一栽培耕作更有利于维持土壤微生物的多样性及活性。土壤微生物多样性也受土壤有机质、植被、季节变化等因素的影响,且通常遭受干旱、过度放牧、营养缺乏等的胁迫作用。     

不同施肥处理对玉米-小麦轮作土壤微生物群落功能多样性的影响

土壤微生物多样性能反应土壤的肥力,不同的施肥措施对土壤微生物的种群和功能多样性也会产生重要的影响。以山东德州连续两年小麦季和玉米季收获后土壤为研究对象,利用Biolog技术研究了6种不同施肥处理对土壤微生物群落功能多样性的影响。结果表明:其中各个施肥处理的平均颜色变化率(average well color development,AWCD)差异显著,常规氮磷钾肥+全量秸秆还田+秸秆腐熟剂(FS)处理代谢活性最高;物种丰富度指数(H)和均匀度指数(E)也表明各施肥方式均能够维持微生物种群的多样性,其中FS和30%猪粪+70%常规氮磷钾肥(OF)处理物种丰富度指数(H)和均匀度指数(E)最高;PCA及RDA分析显示,OF和FS处理微生物功能多样性相似,且其微生物功能多样性与有机质(Soil organic matter,SOM)、全氮(Total N,TN)、速效磷(Available P,AP)和速效钾(Available K,AK)密切相关。猪粪堆肥有机无机复合肥3 600 kg/hm2(OI2)处理与猪粪堆肥有机无机复合肥1 800 kg/hm2(OI1)处理相似,其功能多样性比常规施肥(CF)处理稍高。综上所述,OF处理和FS处理的土壤微生物群落功能多样性程度高于其他处理,说明秸秆还田+秸秆腐熟剂和有机肥部分替代氮磷钾肥能够显著提高土壤微生物功能多样性,有利于保护土壤微生态。     

长期不同施肥对稻田土壤微生物群落功能多样性的影响

微生物群落功能多样性对土壤管理具有重要指示作用,施肥措施对土壤微生物群落功能多样性产生重要的影响,从而影响土壤有机质的含量,引起土地碳贮量变化,进而影响到陆地生态系统的碳汇.以位于湖南省桃江县国家级稻田肥力长期定位试验点的土样为研究对象,采用BIOLOG测试板对不同施肥处理下土壤微生物功能多样性进行了研究.研究结果显示,土壤微生物的碳源利用率因长期不同的施肥处理而发生分异.Shannon和Simpson指数的结果显示所有施肥处理均有利于维持微生物群落多样性,但秸秆还田和习惯施肥使群落均匀度(McIntosh指数)降低.主成分分析表明,试验点土壤微生物群落利用的主要碳源为氨基酸类和糖类,但不同施肥处理碳源利用类型有差异.结果可以得出,不同的施肥对土壤微生物功能多样性产生了不同影响,从而影响土壤有机质中碳、氮含量.这些信息可以为深入研究施肥对全球碳氮循环以及全球气候变迁提供依据.     

恩诺沙星对土壤微生物群落功能多样性的影响

为了评价恩诺沙星(enrofloxacin)对土壤微生物群落的影响,借助BIOLOG检测法比较了不同浓度恩诺沙星影响下的土壤微生物的群落特征。结果表明,各添加药物组与空白对照组的土壤微生物群落代谢多样性差异显著(P<0.05),空白对照组土壤微生物在BIOLOG微平板上的平均每孔颜色变化率(AWCD)和微生物代谢多样性指数(丰富度和多样性)显著高于添加药物组;药物显著影响微生物群落对BIOLOG微平板中碳源的利用能力,较低浓度的恩诺沙星(0.01μg/g)就显著影响了土壤微生物群落对α-Ketobutyric Acid、L-Phenylalanine、1-Erythritol、D-Xylose等碳源的利用代谢能力(P<0.05),且土壤微生物群落利用各类碳源的能力随药物浓度加大而降低。由此可见,恩诺沙星在土壤中残留时对土壤微生物的影响不容忽视。     

岩溶区植被和季节对土壤微生物遗传多样性的影响

基于土壤微生物遗传多样性随植被和季节的变化而变化的假设,运用变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)检测岩溶区草丛(T)、灌丛(S)、次生林(SF)和原生林(PF)群落演替过程中土壤细菌和真菌群落的遗传多样性及其季节变化.随着地上植被的演替土壤细菌群落具有连续性但优势种群不明显,真菌群落没有连续性但优势种群明显.植被和季节对于细菌和真菌群落的Shannon多样性具有不同程度的显著影响,同时存在显著的植被和季节交互作用.草丛土壤中细菌和真菌群落的Shannon多样性有显著的季节变化(p<0.01);灌丛土壤中仅细菌群落多样性有显著季节变化(p<0.05);而森林土壤中细菌和真菌群落多样性没有显著的季节变化.土壤真菌和细菌多样性具有显著正相关关系.随着地上植被的正向演替,土壤微生物遗传结构逐渐稳定;植被恢复早期阶段,土壤中存在着丰富的微生物遗传多样性,但并不稳定.     

农业土壤微生物基因与群落多样性研究进展

介绍了群落基因组多样性、结构多样性与功能多样性相互关系的研究方法 ,重点论述了近年来农业土壤微生物群落遗传、结构与功能多样性的研究进展。同时总结了耕作措施和养分管理对农业土壤微生物群落多样性的影响 ,提出微生物序列分析、比较基因组学和微生物芯片技术与传统研究技术结合将有助于对微生物群落结构与功能和生物与环境因素对土壤微生物群落影响的深刻理解     

粉垄耕作对耕地土壤酶活性、微生物群落结构和功能多样性的影响

粉垄耕作是中国的一种新型耕作技术,对耕地质量和作物增产有重要影响。设置传统耕作深度20 cm(CK)、粉垄耕作深度35 cm(FL1)和粉垄耕作深度50 cm(FL2)对玉米耕地进行处理,重点研究了粉垄耕作技术对土壤微生态的影响,并阐明土壤微生物群落组成及功能对粉垄耕作的响应。结果表明,FL1、FL2和CK处理玉米产量分别为8.58、8.38和6.22 t/hm~2,FL1和FL2处理增产率分别为34.7%—37.9%。在0—20、20—40 cm土层中,粉垄耕作两个处理的土壤酶活性、微生物群落多样性和功能多样性均显著高于CK处理。通过结构方程模型发现,粉垄耕作直接提高了土壤酶活性、细菌参与养分循环的功能基团和细菌的群落结构,并通过细菌群落间接影响了真菌群落,增加了真菌参与养分循环的功能基团和真菌群落多样性,使土壤微生物碳源利用的能力和功能多样性指数得到提升,以FL1效果更佳。总之,研究从微生物的角度解释了粉垄耕作对土壤微生态的影响机制,为粉垄耕作提升土壤耕地质量提供了理论依据。     

人参种植对林地土壤细菌群落结构和代谢功能的影响

揭示人参种植对土壤微生物群落结构和代谢功能的影响,对防治人参连作障碍具有重要的理论意义。利用高通量测序技术研究了林地和由林地开垦耕种人参3a和4a后土壤微生物群落结构和代谢功能的变化。结果表明,变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、绿弯菌门(Chloroflexi)是林地和人参种植土壤微生物的主要优势类群。林地开垦种植人参后,土壤放线菌门和疣微菌门的相对丰度显著增加,土壤酸杆菌门的相对丰度显著降低;而土壤微生物多样性指数明显降低。除趋势对应分析(DCA)显示不同种植a限人参的土壤微生物群落结构存在明显差异。Tax4Fun功能预测表明,人参种植后土壤微生物的萜类化合物和聚酮类化合物代谢与信号转导功能的相对丰度显著降低,而膜转运功能的相对丰度增加。典范对应分析(CCA)和Partial Mantel Test分析表明,土壤速效钾、全钾含量和土壤pH值是影响土壤微生物群落结构的重要因子。因此,林地开垦种植人参对土壤微生物群落结构、多样性以及代谢功能产生了显著影响,土壤速效钾、全钾含量和pH值是影响土壤微生物群落结构的重要因素。     

小叶锦鸡儿根际微生物群落功能多样性对环境变化的响应

利用Biolog技术对内蒙古草原灌丛优势种小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)根际土壤微生物群落功能多样性特征及其对大气CO2浓度、土壤氮水平和土壤水分3个环境因子变化的响应进行了研究。结果表明:(1)小叶锦鸡儿根际土壤微生物利用碳源总量在整个培养过程中呈逐渐增加的趋势。其利用比例较高的碳源类型为聚合物、糖类和氨基酸。(2)主成分分析表明,8个处理组的微生物群落功能多样性差异显著,其中与主成分1显著相关的碳源有14种,分别属于聚合物、糖类、氨基酸和羧酸。(3)加倍CO2浓度极显著提高平均颜色变化率(AWCD)以及丰富度指数和Shannon均匀度。(4)氮素添加使AWCD、丰富度指数和Shannon均匀度均极显著降低,其抑制效应在加倍CO2浓度时有所缓解。(5)加水处理对上述指标均有一定的促进作用,但是差异未达显著水平。(6)加倍CO2浓度和氮素添加联合处理下,小叶锦鸡儿根际微生物活性高于对照处理,说明加倍CO2浓度对微生物活性的促进效应强于添加氮素的抑制效应。(7)CO2和氮素对上述指标有交互作用。综上所述,小叶锦鸡儿根际土壤微生物群落的功能在很大程度上受到外界环境因子的影响,对环境变化较敏感的碳源类型为聚合物、糖类、氨基酸和羧酸,与利用比例较高的碳源类型基本一致。     

环丙沙星对土壤微生物量碳和土壤微生物 群落碳代谢多样性的影响

采用氯仿熏蒸浸提法和Biolog法,分析环丙沙星作用下的土壤微生物量碳和微生物群落碳代谢多样性,以揭示环丙沙星在环境中残留对土壤微生物学性状的影响.结果表明,环丙沙星(wCIP≥0.1 μg/g)对土壤微生物量碳含量影响显著(P＜0.05),土壤中环丙沙星浓度愈高,微生物量碳含量愈低,100μg/g的环丙沙星处理使土壤微生物量碳含量下降58.69％.环丙沙星对土壤微生物群落碳代谢功能影响显著,环丙沙星降低了土壤微生物对碳水化合物、羧酸、氨基酸、聚合物、酚类和胺类的碳源利用率;环丙沙星(wCIP≥0.1 μg/g)显著影响了土壤微生物群落碳源代谢强度和代谢多样性,但不同浓度的环丙沙星对土壤微生物群落碳代谢功能的影响不同,0.1、1、10 μg/g的环丙沙星处理对土壤微生物群落碳代谢功能的影响主要表现在处理前期(用药第7天、21天),这种影响在处理后期(用药第35天)表现不明显,100μg/g的环丙沙星在用药的前期和后期均显著影响土壤微生物群落碳代谢功能,土壤中环丙沙星积累到该浓度可能对土壤微生物群落碳代谢功能产生难以逆转的长期影响.     

Forest gene diversity is correlated with the composition and function of soil microbial communities

The growing field of community and ecosystem genetics indicates that plant genotype and genotypic variation are important for structuring communities and ecosystem processes. Little is known, however, regarding the effects of stand gene diversity on soil communities and processes under field conditions. Utilizing natural genetic variation occurring in Populus spp. hybrid zones, we tested the hypothesis that stand gene diversity structures soil microbial communities and influences soil nutrient pools. We found significant unimodal patterns relating gene diversity to soil microbial community composition, microbial exoenzyme activity of a carbon-acquiring enzyme, and availability of soil nitrogen. Multivariate analyses indicate that this pattern is due to the correlation between gene diversity, plant secondary chemistry, and the composition of the microbial community that impacts the availability of soil nitrogen. Together, these data from a natural system indicate that stand gene diversity may affect soil microbial communities and soil processes in ways similar to species diversity (i.e., unimodal patterns). Our results further demonstrate that the effects of plant genetic diversity on other organisms may be mediated by plant functional trait variation.     

施肥和土壤管理对土壤微生物生物量碳、氮和群落结构的影响

以中国科学院沈阳生态试验站的长期定位试验为平台,研究了不同施肥和土壤管理对潮棕壤微生物生物量碳、氮和群落结构的影响。结果表明,裸地和农田处理的微生物生物量碳、氮较低,但是农田处理下施肥增加了微生物生物量,其中NPK+M效果最明显。DGGE图谱显示,处理间细菌条带分布较相似,其中裸地的细菌多样性最高;长期施肥和土壤管理改变了土壤真菌群落结构,施肥增加了真菌多样性,且有机肥的影响大于化肥;不同处理间氨氧化细菌群落结构差异显著,NPK+M显著增加了氨氧化细菌多样性,且无机肥和有机肥对氨氧化细菌群落影响不同。施肥和土壤管理对细菌影响较小,但显著改变了真菌和氨氧化细菌的群落结构。聚类分析结果显示,土壤管理措施较施肥对细菌、真菌和氨氧化细菌群落的影响更为显著。     

Biodiversity of soil microbial communities in agricultural systems

The productivity and health of agricultural systems depend greatly upon the functional processes carried out by soil microorganisms and soil microbial communities. The biodiversity of the soil microbial communities and the effect of diversity on the stability of the agricultural system, is unknown. Taxonomic approaches to estimating biodiversity of soil microbial communities are limited by difficulties in defining suitable taxonomic units and the apparent non-culturability of the majority of the microbial species present in the soil. Analysis of functional diversity may be a more meaningful approach but is also limited by the need to culture organisms. Approaches which do not rely on culturing organisms such as fatty acid analysis and 16S/18S rRNA analysis have provided an insight into the extent of genetic diversity within communities and may be useful in the analysis of community structure. Scale effects, including successional processes associated with organic matter decomposition, local effects associated with abiotic soil factors, and regional effects including the effect of agricultural management practices, on the diversity of microbial communities are considered. Their impact is important in relation to the minimum biodiversity required to maintain system function.     

不同海拔红松林土壤微生物功能多样性

为全面了解红松林土壤微生物碳源利用特点,以长白山海拔700～1100 m红松林0～5和5～10 cm表土为研究对象,采用Biolog微平板法,分析了土壤微生物功能多样性沿海拔的垂直分布特征和变化规律.结果表明: 不同海拔红松林土壤微生物功能多样性差异显著,平均每孔颜色变化率（AWCD）随培养时间延长而增加,同一深度土层的AWCD值随海拔升高而降低;Shannon、Simpson和McIntosh多样性指数也随海拔升高呈现下降趋势,且不同海拔间3个多样性指数差异显著;物种多样性和功能多样性表现出相同的变化规律.土壤微生物对6大类碳源利用强度存在差异,各海拔土壤微生物对氨基酸类碳源利用率最高,为优势碳源;主成分分析表明,不同海拔土壤微生物在碳源利用上有明显的空间分异,土壤微生物功能多样性垂直地带性差异主要体现在对碳水类、氨基酸类和羧酸类碳源的利用上,其中碳水类尤为突出.对不同海拔土壤微生物群落功能多样性聚类分析表明,样地植被组成会对土壤微生物组成和功能活性产生重要影响.     

车八岭山地常绿阔叶林冰灾后土壤微生物群落功能多样性

研究了我国南方冰灾后常绿阔叶林林冠开度及土壤养分的空间异质性对土壤微生物功能多样性的影响.在受冰灾影响的粤北车八岭山地常绿阔叶林2 hm2固定样地中按照冠层受损程度选取16个20 m×20 m的样方,用半球面影像技术获取林冠开度,并取0～20 cm的表层土壤混合样品分析土壤的理化性质,同时应用Biolog技术分析微生物功能多样性.按林冠开度梯度对各样方土壤微生物群落利用单一碳源的分析发现,林冠开度大的样方土壤微生物的活性、丰富度、多样性和均匀度都较低,反之则较高.聚类分析的结果与林冠开度的梯度有高度的一致性.主成分分析表明各样方土壤微生物功能多样性具有显著差异(第一轴p<0.005;第二轴p<0.001),其结果与聚类结果基本吻合.冗余分析揭示了土壤全磷、全钾、全氮、速效氮、有机碳、容重、总孔隙度和林冠开度的综合作用对土壤微生物功能多样性有显著影响(p<0.005),其中林冠开度与土壤微生物群落功能多样性的关系最密切.土壤微生物功能多样性受土壤养分的影响,具体表现为:与土壤有机碳呈明显的正相关;与全氮正相关;与速效氮、全磷负相关.研究说明冰灾所造成林冠开度和土壤养分的空间异质性会影响到土壤微生物功能多样性,而土壤微生物功能多样性可用于对生境恢复的指示和评价.     

猫儿山不同海拔植被带土壤微生物群落功能多样性

为研究中亚热带森林土壤微生物群落功能多样性特征及其随海拔梯度的变化,应用Biolog微平板技术,对猫儿山不同海拔植被带(常绿阔叶林(EBF)、落叶阔叶混交林(DBF)、针阔混交林(CBF))土壤微生物群落功能多样性差异进行了比较。结果表明,不同海拔植被带土壤微生物群落功能多样性差异显著。土壤平均颜色变化率(AWCD)随培养时间延长而逐渐增加,随着海拔升高,土壤AWCD值逐渐降低,大小顺序为EBFDBFCBF。土壤微生物群落Shannon指数和丰富度指数的总体趋势为EBF最高,DBF次之,CBF最低。不同海拔植被带土壤微生物群落均匀度指数之间差异不显著。不同海拔植被带土壤微生物对不同碳源的利用能力存在差异,其中EBF利用率最高,CBF利用率最低,氨基酸类、胺类和酯类碳源为各海拔植被带土壤微生物利用的主要碳源。主成分分析结果表明,主成分1和主成分2分别能解释变量方差的40.42%和15.97%,在主成分分离中起主要贡献作用的是酯类、胺类和氨基酸类碳源。土壤理化性质与土壤微生物群落功能多样性之间的相关性分析结果表明,微生物群落多样性的Shannon指数与全钾(TK)呈极显著正相关(P0.01),与含水量呈极显著负相关(P0.01),与总有机碳(TOC)、全氮(TN)、速效氮(AN)、有效P(AP)之间的相关性显著(P0.05)或极显著(P0.01),且为负相关。土壤TK含量和含水量可能是造成不同海拔土壤微生物群落功能多样性差异的主要原因。     

中亚热带森林土壤微生物群落多样性随海拔梯度的变化

运用Biolog EcoPlate技术, 对武夷山不同海拔植被带(常绿阔叶林(EBF)、针叶林(CF)、亚高山矮林(DF)、高山草甸(AM))土壤微生物群落多样性差异进行了研究。结果表明: 不同海拔植被带土壤微生物群落功能多样性差异显著。土壤平均颜色变化率(AWCD)随培养时间延长而逐渐增加, 同一深度土层的AWCD值随海拔升高而逐渐降低, 大小顺序依次为EFB > CF > DF > AM。同一海拔植被带, 不同深度土层的AWCD值总体趋势依次为0-10 cm > 10-25 cm > 25-40 cm。土壤微生物群落Simpson指数、Shannon-Wiener指数、丰富度指数和McIntosh指数的总体趋势为EBF最高, CF和DF次之, AM最低。不同海拔植被带土壤微生物对不同碳源利用强度存在较大差异, 其中EBF利用率最高, AM利用率最低, 碳水化合物和羧酸类碳源是各海拔植被带土壤微生物的主要碳源。主成分分析结果表明, 从31个因素中提取的与碳源利用相关的主成分1、主成分2分别能解释变量方差的75.27%和16.14%, 在主成分分离中起主要贡献作用的是胺类和氨基酸类碳源。土壤微生物群落多样性随着海拔上升、土层加深而逐渐下降的原因, 可能是生物量、林分凋落物、土壤养分、微小动物、植物根系等多种因素共同作用的结果。     

Biotic and Abiotic Properties Mediating Plant Diversity Effects on Soil Microbial Communities in an Experimental Grassland

Plant diversity drives changes in the soil microbial community which may result in alterations in ecosystem functions. However, the governing factors between the composition of soil microbial communities and plant diversity are not well understood. We investigated the impact of plant diversity (plant species richness and functional group richness) and plant functional group identity on soil microbial biomass and soil microbial community structure in experimental grassland ecosystems. Total microbial biomass and community structure were determined by phospholipid fatty acid (PLFA) analysis. The diversity gradient covered 1, 2, 4, 8, 16 and 60 plant species and 1, 2, 3 and 4 plant functional groups (grasses, legumes, small herbs and tall herbs). In May 2007, soil samples were taken from experimental plots and from nearby fields and meadows. Beside soil texture, plant species richness was the main driver of soil microbial biomass. Structural equation modeling revealed that the positive plant diversity effect was mainly mediated by higher leaf area index resulting in higher soil moisture in the top soil layer. The fungal-to-bacterial biomass ratio was positively affected by plant functional group richness and negatively by the presence of legumes. Bacteria were more closely related to abiotic differences caused by plant diversity, while fungi were more affected by plant-derived organic matter inputs. We found diverse plant communities promoted faster transition of soil microbial communities typical for arable land towards grassland communities. Although some mechanisms underlying the plant diversity effect on soil microorganisms could be identified, future studies have to determine plant traits shaping soil microbial community structure. We suspect differences in root traits among different plant communities, such as root turnover rates and chemical composition of root exudates, to structure soil microbial communities.     

土壤微生物多样性及其环境影响因子研究进展

土壤中存在丰富的微生物资源,不同土壤系统具有不同的微生物群落,微生物多样性既依赖于生态系统又服务于生态系统。本文从物种多样性、遗传多样性、生态类型多样性、功能多样性四个方面对土壤微生物多样性进行了新的诠释,总结论述了土壤微生物多样性与环境因子如土壤、植物群落和气候条件之间的关系,并对目前存在的问题和今后面临的挑战提出几点看法。