黄泥田土壤真菌群落结构和功能类群组成对施肥的响应

研究长期不同施肥黄泥田土壤真菌群落组成和功能特性,深入认识真菌对不同施肥的响应机理,可以为合理施肥和保证农田土壤健康发展提供科学依据.设置不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)、无机肥配施农家肥(NPKM)、无机肥加秸秆还田(NPKS)4个处理,采用Illumina高通量测序和FUNGuild对不同施肥处理下黄泥田土壤真菌群落结构和功能群进行分析.结果表明:从门水平上看,土壤真菌群落主要由子囊菌、担子菌和接合菌构成,且以子囊菌为主(47%~74%).NPKM和NPKS处理中子囊菌的相对丰度分别为49%和47%,显著低于CK(71%)和NPK(74%)处理,从目水平上看,减少的主要为肉座菌、格孢腔菌和散囊菌.NPKM和NPKS处理担子菌相对丰度分别为18%和28%,高于CK(14%)和NPK(10%)处理,从目水平上看,增加的主要为银耳菌、糙孢伏革菌和伞菌.与CK相比,单施无机肥降低了担子菌含量.不同施肥处理均在一定程度上增加了接合菌门的丰度,从目水平看,以内囊霉菌和粪蛙霉菌为主.NPK处理真菌α多样性指数显著低于其他处理,NPKM和NPKS处理的丰富度指数(Chao1和ACE)高于CK和NPK处理.不同处理之间真菌的营养类型以腐生营养型为主(48%~57%),NPKM和NPKS处理的共生营养型真菌相对丰度为17%,显著高于CK和NPK处理,增加的以丛枝菌根真菌、外生菌根真菌为主.NPK处理动物病原菌含量(10%)显著高于其他处理.冗余分析(RDA)结果表明,土壤含水量、孔隙度和盐度是影响真菌群落结构和功能类群组成的主要因子,其次为有机质和总氮.长期单施无机肥降低真菌种群多样性,增加致病菌含量,不利于土壤健康,而有机无机肥配施可在一定程度上提高真菌种群丰富度指数和共生真菌比例,有利于保持黄泥田稻田土壤健康的生态环境和真菌群落的多样性.     

长期施肥对稻田土壤固碳功能菌群落结构和数量的影响

微生物固碳在减缓全球气候变化、实现人类可持续发展方面具有重要的意义,通过揭示长期不同施肥制度对土壤固碳细菌的影响规律,可以为我国稻田土壤科学施肥,稻田固碳和温室气体减排的共轭双赢作用提供重要的理论依据。以湖南宁乡国家级稻田肥力变化长期定位试验为平台,采用PCR-克隆测序和实时荧光定量(Real-time)PCR技术,研究不施肥(CK),氮磷钾肥（NPK）和秸秆还田（NPKS）3种长期施肥制度对稻田土壤固碳细菌群落结构及数量的影响。通过分析固碳细菌cbbL基因文库发现,长期施肥导致土壤固碳细菌种群结构产生了明显差异,NPK和NPKS处理中兼性自养固碳菌群落优势增加而严格自养固碳菌生长受到抑制。LUBSHUFF软件统计分析显示cbbL基因文库在CK、NPK及NPKS处理间均存在显著性差异。 3种施肥处理的稻田土壤细菌cbbL基因拷贝数为3.35?108 —5.61?108每克土,施肥后,土壤细菌cbbL基因数量增加,其中NPKS处理cbbL数量最多,是CK处理的1.5倍左右。稀疏曲线则显示长期施化肥导致细菌cbbL基因多样性高于NPKS,而NPKS高于CK。上述结果表明了长期施肥对土壤固碳细菌群落结构,多样性及数量均有显著的影响。本研究结果可为深入探讨稻田土壤微生物固碳潜力及其影响机理提供有力的依据。     

施用棉秆炭对新疆连作棉花根际土壤微生物群落结构和功能的影响

以棉秆移除(NPK)和棉秆还田(NPKS)为对照,采用平板计数、Biolog和DGGE等3种方法,研究了棉秆移除基础上施用常量棉秆炭(22.50 t·hm^-2,NPKB-1)和增量棉秆炭(45.00 t·hm^-2,NPKB-2)对新疆连作棉花根际土壤微生物数量、群落功能和结构多样性的影响.结果表明：与NPK和NPKS处理相比,棉秆炭施用显著增加了连作棉田根际土壤中细菌和放线菌数量;NPKB-1处理真菌数量显著高于NPK处理,但增量棉秆炭NPKB-2处理与NPK处理差异不显著;2个棉秆炭处理的真菌数量均低于NPKS处理.棉秆炭处理AWCD值较高,显著提高了微生物丰富度指数,可促进利用糖类、氨基酸类和羧酸类碳源的微生物生长,尤其是利用与根系分泌物相关的酚酸类碳源的微生物.DGGE电泳结果表明,施用棉秆炭(尤其是增量棉秆炭)后,土壤细菌DGGE图谱条带数增多,增加了土壤中芽单胞菌门、酸杆菌门、变形菌门和放线菌门中一些菌群的丰度.UPGMC聚类分析表明,NPKB-2处理明显区别于其他处理,而NPKS、NPK和NPKB-1处理细菌群落结构相似.表明高量施用棉秆炭可显著提高棉花根际土壤微生物多样性,并明显改变土壤细菌群落结构,对连作棉田生态系统健康有改善作用.     

不同施肥处理下采煤矿区复垦土壤微生物功能多样性与共现性特征

土壤微生物功能多样性是土壤质量改善的重要指标,研究采煤矿区复垦土壤微生物功能多样性与共现性特征,对于矿区复垦及生态重建具有重要的理论和实践指导意义。本研究以玉米为复垦作物,采集了采煤矿区复垦1年后的撂荒(UL)、不施肥(CK)、施磷钾肥(PK)、单施化肥(NPK)、化肥解磷菌肥配施(NPKB)、单施有机肥(M)、有机肥化肥配施(MNPK)、有机肥化肥解磷菌肥配施(MNPKB)8个处理下的0～20 cm耕层土壤,利用Biolog-ECO微平板法结合多元分析对不同处理下土壤微生物群落的碳源利用情况、功能多样性和共现性特征进行探究。结果表明,复垦施肥能够显著提高土壤微生物对31种碳源的利用能力,并且可以显著提高土壤微生物群落的多样性和丰富度,其中MNPK处理与NPK处理的效果最佳。主成分分析(PCA)和双向聚类分析均表明,欠施肥处理组(UL、CK和PK)和完全施肥处理组(NPK、NPKB、M、MNPK和MNPKB)的组间碳源利用特征存在明显分异,而组内各处理的碳源利用图谱相似。完全施肥处理组的土壤微生物群落功能活性显著高于欠施肥处理组。共发生网络分析结果显示,与欠施肥处理组相比,完全施肥处理...     

长期不同施肥处理对苹果产量、品质及土壤肥力的影响

通过连续7年(2003-2010年)的田间定位试验,研究了不同施肥处理\[不施肥对照,CK;不施N肥只施PK肥,PK;不施P肥只施NK肥,NK;不施K肥只施NP肥,NP;单施NPK化肥,NPK;单施有机肥(猪粪),M;化肥有机肥配施(化肥有机肥氮各占一半),NPKM\]对渭北旱塬富士苹果产量、品质及果园土壤养分含量变化的影响.结果表明: 施肥可以提高苹果产量,连续7年不同施肥处理苹果平均产量较对照提高14.4%～63.8%,各处理苹果年平均产量顺序为:NPKM＞NPK≥M＞NP≥NK＞PK＞CK.NPKM、M、NPK处理随着试验时间的推移,果实可溶性糖、维生素C、可溶性固形物含量呈上升趋势,NPKM、M处理不同年际间波动相对较小;NPKM处理糖酸比5年较对照提高了30.9%,维生素C含量提高了17.5%.长期合理施肥有利于提高土壤有机质,NPKM、M处理0～20 cm土层有机质含量提高幅度最大,分别提高了28.8%和29.3%. NPK、NPKM、M处理土壤各层速效氮、有效磷、速效钾含量较试验前均有显著提高,NPK处理0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层速效氮含量分别提高了22.7%、37.3%和53.4%.与NPK处理相比,NPKM处理的土壤速效磷含量提高了18.7%,且不同处理土壤速效磷含量上层显著大于下层.
     

长期施肥对稻田土壤细菌、古菌多样性和群落结构的影响

稻田土壤是“迷失碳”的重要吸纳场所之一,也是温室气体(CH4和N2O等)的重要排放源.大气温室气体的动态变化与土壤碳氮转化的微生物过程紧密相关.以湖南桃江国家级稻田肥力变化长期定位试验点为平台,采用PCR-克隆测序和实时荧光定量PCR技术,研究不施肥(CK)、施氮磷钾肥(NPK)和氮磷钾肥+秸秆还田(NPKS)3种长期施肥制度(＞25 a)对稻田土壤细菌和古菌群落结构及数量的影响.细菌和古菌16S rRNA基因文库分析结果表明:稻田土壤细菌主要类群为变形菌、酸杆菌、绿弯菌,而古菌主要为泉古菌和广古菌.长期施肥导致土壤细菌和古菌种群结构产生明显差异,与CK相比,NPK和NPKS处理稻田土壤的变形菌、酸杆菌和泉古菌相对丰度增加.LIBSHUFF软件分析结果也表明,16S rRNA基因文库在CK、NPK及NPKS处理间存在显著差异.3种施肥处理的稻田土壤细菌16S rRNA基因拷贝数为每克干土0.58× 1010～1.06×1010个,古菌为每克干土1.16×106 ～ 1.72×106个.施肥(NPK和NPKS)后,细菌和古菌的多样性和数量增加,且NPKS＞NPK.说明长期施肥显著影响土壤细菌和古菌群落结构、多样性及数量.     

不同施肥制度土壤微生物量碳氮变化及细菌群落16S rDNA V3 片段PCR产物的DGGE分析

应用化学分析和变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术分离PCR扩增的16S rDNA的方法,研究了不同施肥制度对土壤微生物量碳、氮变化及微生物多样性的影响。结果表明,连续15a长期试验下,土壤微生物量碳（SMB-C）和微生物量氮（SMB-N）的含量大小均为长期撂荒（CK0）土壤高于农田土壤,而在农田土壤中,长期施肥的处理（NPK、NPKM、NPKSt和NPKF）高于长期不施肥处理（CK）,不同的种植制度中,长期复种轮作（NPKF）高于长期复种连作（NPK）;各处理的SMB-C/SOC（土壤有机碳）和SMB-N/TN（全氮）的比值的变化趋势与SMB-C和SMB-N变化一致;从PCR-DGGE分析,长期氮磷钾化肥配施有机肥（NPKM）处理的微生物量碳、氮的含量最高,微生物丰度最高,细菌物种最多,其次为长期撂荒（CK0）,CK处理细菌物种最少。UPGMC聚类分析表明NPK和NPKF处理细菌的群落结构相似,CK和CK0处理细菌的群落结构相似,而NPKM和NPKSt处理细菌的群落结构相似。     

不同施肥处理下水稻根际和非根际土壤中氨基糖积累特征

以水稻长期定位施肥试验土壤为研究对象,选取不施肥(CK)、化肥(NPK)、秸秆还田+化肥(NPKS)、30%有机肥+70%化肥(LOM)和60%有机肥+40%化肥(HOM)5种处理,分析水稻分蘖旺期根际土和非根际土中氨基糖积累特征.结果表明: 与CK和NPK处理相比,长期施用有机物料(NPKS、LOM、HOM)显著增加了水稻根际土和非根际土中有机碳、总氨基糖及其氨基单糖(胞壁酸、氨基葡萄糖和氨基半乳糖)含量.不同施肥处理下3种氨基单糖的积累规律不同,说明不同微生物对施肥处理的响应趋势和强度有所不同.受稻田翻耕等均匀化土壤的农事操作影响,各处理总氨基糖含量在根际土与非根际土间无显著差异.氨基糖碳对土壤有机碳积累的贡献范围为24.0～28.3 mg·g^-1,且以NPKS处理最高,HOM和CK处理最低.真菌氨基葡萄糖/胞壁酸比值范围为24.4～36.6,说明该试验点所有处理的根际土与非根际土中有机质的降解与转化过程以真菌为主导,且与NPK和CK相比,NPKS处理的真菌参与度提高,而施用HOM处理的细菌参与度提高.     

用PCR-DGGE研究长期施用无机肥对种稻红壤微生物群落多样性的影响

以中国科学院红壤生态试验站的发育于第四纪红粘土的种稻红壤为研究对象,采用PCR-DGGE方法研究了长期施用无机肥对土壤微生物群落多样性的影响。在种植双季稻、连续13a施用不同无机肥后,土壤中细菌、古菌、放线菌和真菌的群落结构发生了较大的变化。未种植水稻的土壤与种稻土壤间四类微生物SSUrDNADGGE带谱相似性只有33%~66%。施磷肥的处理NP、PK、NPK之间微生物群落结构相似性较高,4类微生物的SSUrDNADGGE带谱相似性高达75%~81%。施氮钾肥(NK)、不施肥(CK)处理与施磷肥处理间土壤微生物群落结构的差异较大,其四类微生物的SSUrDNADGGE带谱相似性分别为69%~77%、55%~77%。研究的目的是深入地了解土壤中微生物群落的多样性,为科学施肥、合理利用土壤、保护微生物多样性和实现农业生态系统的可持续发展提供科学依据。     

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。     

长期不同施肥制度下几种土壤微生物学特征变化

 为阐明土壤微生物对土壤健康的生物指示功能, 以国家褐潮土肥力与肥料效益监测基地的长期肥料试验为平台, 应用BIOLOG ECO微平板培养法与常规分析法研究了长期施肥15年后不同施肥制度对土壤微生物生物量、活性、群落代谢功能多样性及土壤肥力的影响。研究结果表明, 与对照(CK)相比, 长期化肥与有机肥配施土壤中土壤有机质(SOM)、全氮(STN)、全磷(STP)含量升高, 土壤C/N与pH值降低, 土壤微生物量碳(Soil microbial biomass carbon, SMBC)、生物微生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen, SMBN)、微生物商(qMB)及脲酶(Urease)活性升高, BIOLOG ECO微平板平均颜色变化率(Average well color development, AWCD)、土壤微生物代谢功能多样性指数变化不明显。和长期单施化肥处理(NPK)相比, 长期化肥与有机肥配施处理中上述几种微生物学特征(SMBC、SMBN、qMB、Urease及AWCD、代谢功能多样性指数)均呈极显著增加。NPK处理与CK相比虽然SOM、STN、STP含量稍有升高, 土壤C/N与pH值降低, SMBC、SMBN、qMB及Urease活性增高, 但是AWCD、土壤微生物代谢功能多样性指数却显著下降。过氧化氢酶活性(Catalase)在各处理土壤中的差异不显著。土壤微生物碳源利用的主成分分析表明, 长期不同施肥各处理在土壤微生物利用碳源的种类和能力上有差异。此试验说明, 土壤微生物受农业管理措施和多种环境因素的影响, 土壤微生物学特征可作为土壤质量的敏感指标, 为提高作物产量、增强肥力提供理论参考。     

Fertilization regimes affect the soil biological characteristics of a sudangrass and ryegrass rotation system

The sudangrass (Sorghum sudanense) and ryegrass (Lolium multiflorum L.) rotation is an intensive and new cropping system in Central China. Nutrient management practices in this rotation system may influence soil fertility, the important aspects of which are soil biological properties and quality. As sensitive soil biological properties and quality indicators, soil microbial community activity, microbial biomass, enzyme activities, soil organic matter (SOM) and total N resulting from different fertilization regimes in this rotation system were studied through a four-year field experiment from April 2005 to May 2009. Treatments included control (CK), fertilizer phosphorus and potassium (PK), fertilizer nitrogen and potassium (NK), fertilizer nitrogen and phosphorus (NP) and a fertilizer nitrogen, phosphorus and potassium combination (NPK). Soil microbial community activities in the NK, NP and NPK treatments were significantly lower than those in the CK and PK treatments after the sudangrass and ryegrass trial. The highest microbial biomass C, microbial biomass N, SOM, total N, sucrase and urease activities were found in the NPK treatment, and these soil quality indicators were significantly higher in the NK, NP and NPK treatments than in the PK and CK treatments. Soil microbial biomass and enzyme activities were positively associated with SOM in the sudangrass and ryegrass rotation system, indicating that fertilization regimes, especially N application, reduced microbial community activity in the soil. Proper fertilization regimes will increase microbial biomass, enzyme activity and SOM and improve soil fertility.     

长期施肥对土壤微生物量及土壤酶活性的影响

 该文以北京国家褐潮土土壤肥力与肥料效益长期监测基地的长期肥料定位试验为平台,研究了长期不同施肥制度对土壤的生物学特性及其土壤酶的影响。主要研究结果：长期撂荒土壤(15年)的有机质和全氮(TN)的含量、微生物量碳(SMB-C)和氮(SMB-N)、土壤的蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性以及SMB-C/SOC(土壤有机碳)和SMB-N/TN比值都高于种植作物的农田土壤;而其代谢商和容重值低于农田土壤。长期施肥的农田(NPK、NPKM 、NPKS和NPKF),其土壤养分含量、微生物量碳和氮以及土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性均高于不施肥的农田(CK);而小麦(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)→小麦-大豆(Glycine max)复种轮作(NPKF)的农田又高于长期复种连作(NPK)的农田;在施肥处理中(NPK、NPKM、NPKS和NPKF),长期化肥与有机肥配合施用的处理(NPKM )的土壤上述指标高于其它施肥处理(NPK、NPKS和NPKF),但其土壤的代谢商、pH值和容重值较低。     

平衡施肥对缺磷红壤性水稻土的生态效应

为了研究平衡施肥对缺磷水稻土的生态效应,对长期缺施磷肥水稻土进行了3.5年平衡施肥试验。试验采取盆栽水稻的方式,在长期缺施磷肥的红壤性水稻土上比较不施磷肥（NK）、平衡施用氮磷钾无机肥（NPK）、无机氮磷钾肥配施硅肥（NPKSi）、无机氮磷钾肥配施有机肥（无机肥占3/5）、NPK基础上增施磷肥（NKhP）、NPKM基础上增施磷肥（NKhPM）处理的土壤肥力、土壤微生物特性、土壤磷的渗漏量以及地上部水稻产量、养分利用率、磷肥利用率的变化。试验表明,平衡施肥处理NPK、NPKSi、NPKM、NKhPM显著提高水稻产量,比不施磷肥（NK）平均增产147%,其中NPKM提高152%;能提高土壤肥力,比不施磷肥土壤有机质含量平均提高18.5%,其中NPKM提高30.1%;显著提高土壤微生物生物量,比不施磷肥土壤微生物生物量碳（MBC）平均提高57.2%,其中NPKM提高87.1%;提高氮素、钾素养分利用率,比不施磷肥平均分别提高120.3%、33.6%,其中NPKM分别提高152%、43%。而长期重施无机磷肥处理（NKhP）虽然水稻产量比不施磷肥处理提高125.1%,但因土壤中磷酸根离子含量过高影响土壤微生物正常生长,土壤微生物活度比不施磷处理降低9.4%,土壤微生物量碳（MBC）降低2.4%,稻田土壤微生物生态系统质量劣化。此外,重施磷肥处理（包括NKhP、NKhPM）易导致稻田水体的磷污染。各处理比较,NPKM综合生态效应最佳,以下依次是NKhPM、NPKSi、NPK,NKhP,NKhP对稻田土壤微生物生态系统产生负效应。根据试验结果,平衡施肥是恢复缺磷水稻土的有效措施,其中在平衡施用氮磷钾化肥的基础上增施有机肥或硅肥效果较好。     

不同施肥制度对石灰性紫色水稻土中氨氧化古菌群落结构的影响

研究不同施肥制度对水稻土氨氧化古菌(AOA)群落结构和垂直分布特征的影响,可以深入认识不同施肥制度下的石灰性紫色水稻土氮素循环特征及微生物驱动机制,为该地区科学施肥、培肥地力提供理论依据。利用化学分析和变性梯度凝胶电泳(DGGE)对不同施肥制度下石灰性紫色水稻土理化性质和AOA群落结构进行了分析。结果显示:相对于无肥处理,施肥会降低石灰性紫色水稻土pH和硝氮含量,而增加土壤有机质、全氮和氨氮含量。伴随土壤深度增加,土壤pH增加,全氮和硝氮含量降低,氨氮含量变化趋势不明显。不同施肥制度在不同土壤深度对石灰性紫色水稻土AOA群落结构产生不同的胁迫效应,不同施肥制度下的AOA群落结构在0—20 cm处差异不明显;土壤深度增加,不同施肥制度下的AOA群落结构表现出明显差异,CK和N肥处理下的AOA群落结构较简单。AOA群落结构多样性指数和丰富度随土壤深度增加而减小。石灰性紫色水稻土AOA与来自不同土壤和水体环境的AOA具有明显相似性。冗余梯度分析(RDA)显示pH(P=0.012)是造成石灰性紫色水稻土AOA群落结构差异的主要原因。研究揭示石灰性紫色水稻土中的AOA群落结构受施肥制度明显影响并表现出明显的垂直分布特征。     

Soil fertility and its significance to crop productivity and sustainability in typical agroecosystem: a summary of long-term fertilizer experiments in China

Aims and background

Soil fertility quality index is a useful indicator that helps to improve sustainable land use management and achieve economical yield in agriculture production. The objectives of this study were to evaluate the changes of soil fertility quality between the 1980s and 2000s in different cropping systems and its significance to crop productivity and sustainability.

Methods

We collected all published data on crop yields and soil parameters from 58 long-term experiments in three typical double-cropping systems in China, including maize-wheat (M-W), rice-rice (R-R) and rice-wheat (R-W) cropping systems, and selected seven fertilizer treatments in each experiment, including inorganic fertilizer [nitrogen and phosphorus fertilizer (NP), nitrogen and potassium fertilizer (NK), phosphorus and potassium fertilizer (PK) and balanced mineral fertilizer (NPK)], combined NPK with farmyard manure (NPKM) or crop straw (NPKS), and no fertilizer application (served as control). For comparison, an integrated fertility quality index (IFQI) was used to estimate the variations in soil fertility in different cropping systems. Moreover, the mean production variability index (PVI, %) in each cropping system was calculated to evaluate the stability of crop production.

Results

Over cropping systems, the averaged relative yields of PK, NK and NP ranged from 38.0 to 97.4 %, while the mean yields can be increased by 2.4–5.1 % in NPKM, compared to NPK. The mean yields were similar between NPK and NPKS for maize and wheat crops, but the yield was increased by 4.3–10.0 % in NPKS. Among the different treatments, the highest variability of cereal productivity was obtained in NK, PK or Control, while the lowest value was mostly recorded in NPKM or NPKS in these three cropping systems. Relative to the control, the IFQIs in fertilization treatments were increased by 9.4–150.0 %, 6.2–41.5 % and 1.3–17.5 % in M-W, R-W and R-R systems, respectively (except for PK treatment in R-R system). However, changes of IFQI in topsoil differed among fertilizer treatments, and greater increases existed in the treatments receiving organic residues (NPKM and NPKS).

Conclusions

The increase in crop yield is exponentially correlated with the increased IFQI over treatments in three cropping systems. Over the treatments and systems, production variability among years is shown to be negatively, linearly related to IFQI (P?<?0.001). Therefore, the high grain yield and low production variability can be simultaneously achieved by increasing soil fertility in all three cropping systems.