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     

植物、土壤及土壤管理对土壤微生物群落结构的影响

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分,对土壤微生物群落结构多样性的研究是近年来土壤生态学研究的热点。本文综述了有关植物、土壤类型以及土壤管理措施对土壤微生物群落结构影响的最新研究结果,指出植物的作用因植物群落结构多样性、植物种类、同种植物不同的基因型,甚至同一植物不同根的区域而异;而土壤的作用与土壤质地和有机质含量等因素有关;植物和土壤类型在对土壤微生物群落结构影响上的作用存在互作关系。不同的土壤管理措施对土壤微生物群落结构影响较大,长期连作、大量的外援化学物质的应用降低了土壤微生物的多样性;而施用有机肥、免耕可以增加土壤微生物群落结构多样性,有利于维持土壤生态系统的功能。     

保护性耕作对土壤微生物群落及其介导的碳循环功能的影响

农田生态系统耕作方式显著影响土壤微生物群落结构和功能,进而影响土壤微生物介导的土壤碳循环过程。以免耕结合作物秸秆还田为核心的保护性耕作是提升土壤碳汇功能和肥力的重要措施,其中土壤微生物发挥了关键作用。尽管有较多关于保护性耕作下微生物群落结构与功能的研究,但由于土壤系统的复杂性、环境因素以及微生物群落评价方法的差异性,尚未形成对保护性耕作下土壤微生物群落响应规律的系统认知。此外,研究多关注土壤微生物作为分解者的作用以及植物源碳对土壤碳库形成的贡献,而忽略了微生物源碳对土壤碳库形成和稳定的贡献。本文在归纳土壤有机质形成和稳定理论体系演变的基础上,梳理了土壤微生物研究方法的进展,重点阐述了保护性耕作对土壤微生物生物量、群落多样性和组成、碳代谢活性以及微生物源有机碳截获的影响,并对未来该领域的研究方向进行展望,以期为探索农田生态系统土壤微生物群落响应规律及其介导的土壤碳循环功能提供参考。     

土壤微生物多样性海拔格局研究进展

生物多样性的海拔分布格局与维持机制是生物多样性与生态系统功能研究的热点领域。相比动植物多样性海拔分布格局,土壤微生物多样性海拔分布格局的研究还处在起步阶段。近年来,随着以罗氏454、Illumina Mi Seq等为代表的高通量测序平台的发展,土壤微生物海拔梯度分布格局的研究进展较快。对土壤微生物多样性海拔分布格局最新研究综述发现,土壤微生物海拔分布模式并不明确,表现为无趋势、下降、单峰或者下凹型等多种海拔分布模式。这与大型动植物并不相同,暗示其驱动机制可能存在一定的差异。微生物由于其个体微小、扩散能力强以及较高的多样性和个体丰度而在局域尺度上可能更易受到气候环境因素的影响。土壤pH、碳、氮等因子是影响微生物多样性和群落组成在海拔梯度上变异的重要因素。此外,温度和降水也具有重要作用。另外,除微生物自身属性以及取样限制外,测序深度可能是影响土壤微生物物种丰富度海拔分布格局的重要因素。目前,对土壤微生物群落的研究在功能基因、群落构建机制以及生态学理论的验证方面还存在着不足。未来的研究应进一步加大测序深度,增加取样密度,着重关注全球气候变化及生物多样性丧失背景下土壤微生物群落的构建和维持机制及其生态系统功能等方面。     

喀斯特峰丛洼地不同退耕模式土壤微生物多样性

利用变性梯度凝胶电泳和Biolog_Eco生态培养平板技术,调查了喀斯特自然退耕(NT,撂荒)、人工种植经济林(CM,木豆-板栗)、免耕(PI,牧草-任豆)和传统耕作(MB,玉米-大豆)4种退耕模式下的土壤微生物遗传分类和土壤细菌代谢功能多样性.结果表明:退耕模式显著影响了土壤微生物群落结构和细菌代谢模式,其中真菌群落更依赖于退耕模式,而细菌群落对季节变迁更敏感;短时期(6～7年)不同退耕模式下土壤中细菌遗传分类多样性没有显著性差异(P0.05),经济林与牧草地土壤真菌遗传分类多样性显著高于撂荒和传统耕作地(P0.05);免耕牧草地土壤细菌代谢功能多样性显著低于其他模式(P0.05).因此,真菌遗传多样性和细菌代谢多样性较细菌遗传多样性对退耕模式响应更敏感;土壤细菌群落对季节的变化比真菌敏感;木豆-板栗经济林对维持土壤微生物遗传和细菌代谢功能多样性具有优势,是较好的退耕模式.     

土壤微生物多样性研究方法

概述了研究土壤微生物多样性的主要方法．传统上,土壤微生物群落的分析依赖于培养技术,使用各种培养基最大限度地培养各种微生物群体,但仍只能培养和分离出一小部分土壤微生物群落．使用Biolog分析、磷脂脂肪酸分析和核酸分析等方法,可研究和表征那些现在还不能够被培养的土壤微生物。从而获取关于土壤微生物群落多样性的更多和更完整的信息．     

长期围封和自由放牧对高寒草甸土壤微生物群落结构及碳源代谢多样性的影响

土壤微生物群落结构和代谢多样性对于维持草地生态系统的功能和稳定性具有重要意义.本研究运用磷脂脂肪酸法(PLFA法)和Biolog微平板技术,研究了青藏高原长期围封和自由放牧2种草地利用方式下的土壤微生物群落结构和群落碳代谢多样性的差异以及影响机制.结果表明: 1)长期围封和自由放牧草地上的土壤微生物群落结构和碳代谢多样性存在显著差异;2)长期围封显著增加了土壤中总PLFA、细菌、真菌和放线菌生物量;3)长期围封草地土壤微生物的碳代谢活性、多样性和丰富度高于自由放牧草地,而均匀度低于放牧草地;4)与自由放牧相比,长期围封显著增加了土壤微生物对聚合物类、糖类、羧酸类、胺类碳源的利用;5)冗余分析表明,植被盖度显著影响了微生物的群落结构和碳代谢多样性.长期围封草地的土壤微生物量、碳代谢多样性指数和丰富度均高于自由放牧土壤,表明长期围封有利于提高草地生态系统中土壤微生物群落及其对碳源代谢的多样性.     

放射性污染对铀矿区土壤微生物群落结构的影响

为探究放射性及其伴生污染对铀矿区附近土壤微生物群落功能多样性的影响，采集退役铀矿冶周围不同辐射值的土壤为研究对象，通过测定其土壤理化性质、土壤可培养微生物计数及Biolog-ECO微孔板培养，分析土壤放射性污染程度及理化性质对土壤微生物群落功能多样性和数量的影响。结果表明，矿区放射性污染土壤中重金属含量普遍较高，尤其是铅已超出管控标准。随着辐射值的增加，土壤中可培养微生物数量显著下降，特别是放线菌和真菌的数量；微生物群落功能多样性指数、物种丰富度指数、优势度、均一性指数显著下降；对碳源利用也逐渐下降，尤其是对酚酸类和胺类碳源，利用率分别下降25.8%、29.7%。RDA分析发现放射性核素是该区域驱动土壤微生物群落代谢发生变化的主要因素。铀矿区放射性污染及伴随的重金属污染明显改变土壤微生物群落结构，抑制了土壤微生物群落的代谢活性，造成土壤微生物群落功能多样性下降。     

高黎贡山不同土地利用方式对土壤 微生物数量和多样性的影响

测定了高黎贡山不同利用方式土壤中微生物的数量、小型真菌的多样性和属的分布,分析了上述指标在不同利用方式土壤中的分布与人为干扰和环境因素之间的相互关系。结果表明微生物数量和真菌的多样性在不同利用方式土壤中的分布是,原生林(次生林(幼杉木纯林;耕作通常使条件更有利于土壤微生物生长繁殖,成熟人工纯林和旱地的土壤微生物数量及真菌多样性均较高;在五类利用方式中,土壤微生物数量及真菌多样性以原生林最高,荒地最低。     

青藏高原高寒草甸不同海拔梯度下土壤微生物群落碳代谢多样性

土壤微生物群落功能多样性对维持生态系统功能和稳定性具有非常重要的意义。为探究青藏高原高寒草甸不同海拔梯度下土壤微生物碳源利用差异以及影响机制,运用Biolog微平板技术,研究了西藏当雄县草原站4300—5100 m的6个不同海拔梯度下土壤微生物群落碳源代谢多样性。研究结果表明:(1)不同海拔下高寒草甸土壤微生物碳源的利用程度均随培养时间的延长而升高;微生物代谢活性和群落多样性指数均随海拔升高呈现先上升后下降的单峰变化趋势,整体表现4800 m4950 m4400 m4650 m5100 m4300 m;(2)主成分分析表明不同海拔显著影响了土壤微生物群落碳源代谢多样性,其中碳水化合物类、氨基酸类和胺类碳源是各海拔土壤微生物的偏好碳源;碳水化合物类、羧酸类、氨基酸类和胺类碳源的利用强度受海拔影响较大;(3)分类变异分析表明,土壤、植物和气候因素是影响不同海拔碳源利用变异的主要影响因子,可解释不同海拔的碳源利用差异的79.0%;排除环境因子之间的多重及交互作用,偏曼特尔检验表明土壤含水量、植被丰富度和年均降水量是影响不同海拔微生物碳源利用多样性的最重要的环境因子。综上,研究表明青藏高寒草甸不同海拔土壤微生物碳源代谢多样性呈现显著的海拔差异趋势,其海拔差异主要受到土壤含水量、植被丰富度和年均降水量的影响。     

长期不同耕作措施对土壤团聚体特征及微生物多样性的影响

以豫西丘陵地区15年的保护性耕作试验为平台,研究了不同耕作措施对土壤水稳性团聚体分布及稳定性和土壤细菌、古菌及真菌多样性的影响.结果表明: 与传统耕作相比,免耕、深松覆盖和小麦-花生两茬耕作处理增加了>2000 μm粒级团聚体的相对含量,减少了<53 μm粒级团聚体的相对含量;显著提高了土壤团聚体平均质量直径(MWD),提高幅度分别为18.0%、12.2%和50.4%.免耕、深松覆盖和两茬耕作处理均可提高细菌、古菌和真菌的Shannon指数(H),细菌分别提高0.3%、0.3%和0.6%,古菌分别提高20.2%、40.5%和49.1%,真菌分别提高23.7%、19.5%和25.8%.土壤细菌和古菌的H指数与大团聚体含量(R_0.25)和MWD显著相关,而真菌的H指数与R_0.25和MWD相关性不显著.综上,采用免耕、深松结合小麦秸秆覆盖以及小麦-花生轮作等措施均可改善土壤团聚体状况,提高土壤微生物多样性指数.
     

不同还田方式对砂质潮土理化性质及微生物的影响

为探索不同物料还田方式对中低产田砂质潮土的改良效果,在黄淮海平原麦玉轮作区典型砂质潮土上进行了连续6季的田间小区试验,设置全量秸秆翻耕还田(TS),秸秆等碳量的生物炭(TB)及半量秸秆半量生物炭配合翻耕还田(TSB),全量秸秆免耕覆盖还田(NTS)和半量秸秆半量生物炭配合免耕覆盖还田(NTSB),共5种还田方式。结果表明,与常规秸秆翻耕还田(TS)相比,生物炭翻耕还田(TB)显著降低土壤容重,增加玉米各个生育期土壤水分和p H值,有机质含量提升了16.4%,但TB处理的土壤大团聚体降低了21.2%和微生物数量降低了16.1%;翻耕秸秆配合生物炭还田(TSB)除了显著降低了大团聚体数量,对其余理化及微生物指标的影响均不显著;免耕模式下的秸秆还田(NTS)和秸秆生物炭配施(NTSB)分别在玉米生长的喇叭口期和收获期显著增加了土壤水分含量、耕层土壤的微生物数量和有效降低砂质潮土分形维数,对容重和有机质含量有一定的改善,其中NTSB有机质含量提升了14.9%和微生物数量增加了53.7%,对砂质潮土改良效果更好。总体来说,短期内用等碳量的生物炭替代秸秆翻耕还田更多的表现为物理的掺混效应,虽能有效提升土壤有机质含量,但不能有效改善砂质潮土的物理结构及生物性质,一半秸秆用生物炭替代还田对该类土壤的理化及微生物指标的改良效果也不显著,而免耕条件下秸秆配合生物碳还田效果最佳,可为砂质潮土的改良提供新的途径和理论依据。     

新疆绿洲农田不同连作年限棉花根际土壤微生物群落多样性

以南北疆不同连作年限棉花根际土壤为研究对象,采用Biolog技术,并结合传统平板培养法和土壤酶的测定,研究连作对棉花根际土壤微生物群落多样性的影响。Biolog分析结果表明,不同连作年限棉花根际土壤微生物碳源利用和功能多样性差异显著。荒地土壤微生物活性较低;在连作年限较短时(5—10a),根际土壤微生物群落的平均颜色变化率(AWCD)和Shannon指数较高;长期连作(15—20a),则呈明显下降趋势。主成分分析表明,不同连作年限的棉花根际土壤微生物碳源利用特征有明显不同。第一、二组开垦与未开垦土壤分别在PC1和PC2上出现差异,未开垦土壤得分均为负值,开垦土壤均为正值;而正茬与连作多年的棉花土壤在PC1上差异显著。其中在PC1上起分异作用的碳源主要是羧酸类和聚合物类,这两类碳源可能是影响连作棉花根际土壤微生物的主要碳源。可培养微生物数量的测定结果表明,荒地细菌数量最少;在连作年限较低时(5—10a左右),细菌数量呈上升趋势;而长期连作(>15a)后,细菌数量呈现下降趋势。真菌数量在连作多年后(10—15a)也开始增加。放线菌变化趋势不明显。四种土壤酶活性在连作的初中期(5—15a),连作障碍表现明显,土壤酶活性呈下降(过氧化氢酶和磷酸酶)或先升高后下降(脲酶和蔗糖酶)趋势,但随着连作年限的延长(15—20a),这4种土壤酶活性均表现出增高趋势。综上所述,棉花长期连作使棉花根际土壤微生物群落多样性降低,发生连作障碍,进而导致棉花产量降低。     

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.     

Effects of tillage managements and maize straw returning on soil microbiome using 16S rDNA sequencing

Agricultural practices could affect bacterial diversity and community structure by altering soil physical and chemical properties.Straw returning and tillage practices are widely used in agriculture,however,the effects of these agricultural practices on microbiomes are still unclear.In the present study,we compared the 18 bacterial communities of soil with different straw retu rning and tillage treatment combinations.The V3-V4 regions of the 16 S ribosomal RNA were amplified and analyzed by high-throughput sequencing technology.The results showed that the bacterial communities were consistently dominated by Acidobacteria,Proteobacteria,Actinobacteria,and Chloroflexi.Short-term straw returning and tillage practices significantly altered the diversity,relative abundance and functions of the soil microbiome.Soil subjected to rotary tillage and straw re turning(RTS)combination possessed the highest bacterial diversity and lowest ratio of G+/G-bacteria,indicating that RTS could be an efficient integrated manageme nt system to improve microbiome in the short term.Double verifications based on relative abundance and network analysis,revealed close relationships of Mycobacterium and Methylibium with RTS,indicating they could serve as biomarkers for RTS.Investigating microbial changes under different agricultural practices will provide valuable foundations for land sustainable utilization and increase crop yields.     

Impact of tillage practices on soil bacterial diversity and composition under the tobacco-rice rotation in China

Tobacco-rice rotation is a common farming system in south China, and many tillage practices such as straw mulching, dolomite dust, and quicklime application have been adopted to improve crop production. These agricultural management practices alter soil physical and chemical properties and affect microbial life environment and community composition. In this research, six tillage practices including no tobacco and rice straw mulching (CK), tobacco and rice straw mulching (TrSr), rice straw returning fire (TrSc), tobacco and rice straw mulching with dolomite dust (TSD), rice straw returning fire and quicklime (TSQ), and rice straw returning fire, quicklime and reduced fertilizer (TSQf) were conducted to detect changes in soil bacterial diversity and composition using Illumina sequencing. The results showed that the total number of operational taxonomic units (OTUs) from the six treatments was 2030, and the number of mutual OTUs among all samples was 550. The TrSc treatment had the highest diversity and richness, while TSQf had the lowest. Soil physio-chemical properties and microbial diversity can influence each other. Proteobacteria and Actinobacteria had the greatest proportion in all treatments. The abundance of Nitrospirae was the highest in the TrSc treatment. The TSQf treatment had the highest abundance of Firmicutes. The abundance of Nitrospira in the TrSc treatment was 2.29-fold over CK. Streptomyces affiliated with Firmicutes improved by 37.33% in TSQf compared to TSQ. TSQf treatment was considered to be the most important factor in determining the relative abundance at the genus level.     

保护性耕作对土壤微生物量及活性的影响

研究保护性耕作对土壤微生物特性的影响对于土壤管理具有重要意义。试验研究了保护性耕作对麦田土壤微生物量碳、活跃微生物量、土壤呼吸、呼吸商的影响。前3项采用的方法分别是:基质诱导呼吸法、呼吸曲线数学分析法和CO2释放量法。结果表明,保护性耕作土壤微生物量碳0～10cm土层大于10～20cm土层,而常规耕作两土层间无明显差异。秸秆还田在播种前、越冬期和起身期能显著提高土壤微生物量碳,而开花期和收获期则降低土壤微生物量碳。少耕还田10～20cm土层微生物具有较强的养分调控作用。保护性耕作利于0～10cm土层活跃微生物量的提高。秸秆还田和保护性耕作在耕作作业初期(越冬期和起身期)能增强土壤呼吸速率;在耕作作业后期(开花期和收获期)能显著降低土壤呼吸速率。免耕秸秆覆盖在10～20cm土层呼吸商较高,而常规耕作无秸秆还田在0～10cm土层呼吸商较高。土壤微生物量碳和呼吸商是衡量土壤微生物特性的重要指标。     

连续免耕对不同质地稻田土壤理化性质的影响

以我国南方地区典型的单季水稻生产大田为研究对象,按土壤质地分为壤质和粘质两个系列,探讨不同质地稻田土壤理化性质变化对连续免耕的响应规律。结果表明,在无秸秆覆盖条件下,随着免耕年限的增加,壤质和粘质稻田土壤的耕层均有紧实度提高的趋势,特别是粘质土壤,导致耕层变浅。与常年翻耕土壤相比,免耕6a后壤质水稻土0—20 cm土层的紧实度值平均增加了32%,而粘质的平均增加了90%。在相同免耕年限条件下粘质稻田土壤容重的增加也比壤质土壤的明显。壤质土壤0—10 cm土层有机质和碱解氮含量随免耕年限延长而提高,而在粘质土壤则显著降低。无论是壤质还是粘质土壤,连续免耕多年后土壤速效磷均在耕层(0—20 cm)富集,而速效钾则相反。总体而言,壤质水稻土对免耕的适宜性要优于粘质土壤;应根据土壤质地的不同选择性地实施免耕技术,并结合秸秆覆盖,以实现免耕稻田土壤的可持续利用。     

耕作方式对紫色水稻土有机碳和微生物生物量碳的影响

以位于西南大学的农业部紫色土生态环境重点野外科学观测试验站始于1990年的长期定位试验田为对象,研究了冬水田平作(DP)、水旱轮作(SH)、垄作免耕(LM)及垄作翻耕(LF)等4种耕作方式对紫色水稻土有机碳(SOC)和微生物生物量碳(SMBC)的影响。结果表明,4种耕作方式下SOC和SMBC均呈现出在土壤剖面垂直递减趋势,翻耕栽培下其降低较均匀,而免耕栽培下其富集在表层土壤中。同一土层不同耕作方式间SOC和SMBC的差异在表层最大,随着土壤深度的增加,各处理之间的差异逐渐减小。在0—60 cm剖面中,SOC含量依次为:LM(17.6 g/kg)>DP(13.9 g/kg)>LF(12.5 g/kg)>SH(11.3 g/kg),SOC储量也依次为:LM(158.52 Mg C/hm2)>DP(106.74 Mg C/hm2)>LF(93.11 Mg C/hm2)>SH(88.59 Mg C/hm2),而SMBC含量则依次为:LM(259 mg/kg)>SH(213 mg/kg)>LF(160 mg/kg)>DP(144 mg/kg)。与其它3种耕作方式比较,LM处理显著提高SOC含量和储量以及SMBC含量。对土壤微生物商(SMBC/SOC)进行分析发现,耕作方式对SOC和SMBC的影响程度并不一致。SMBC与SOC、全氮、全磷、全硫、碱解氮、有效磷均呈现极显著正相关(P<0.01),与有效硫呈显著正相关(P<0.05);表明SMBC可以作为表征紫色水稻土土壤肥力的敏感因子。