Changes in soil microbial community structure and function following degradation in a temperate grassland

温带草原退化后土壤微生物群落结构和功能的变化 草原退化是草原生产力维持面临的一个重大挑战,这一过程显著影响着草原生态系统的能量流动和土壤养分变化过程,进而直接或间接地影响着土壤微生物。我们的研究目的首先是调查不同草原退化程度(即未退化、中度退化和严重退化)如何影响着内蒙古温带草原的土壤微生物组成、多样性和功能,其次是阐明哪些生物和非生物因素导致了这些变化。我们的研究主要通过高通量测序技术分析土壤微生物的群落组成,并且采用FAPROTAX工具和FUNGuild工具分别预测细菌群落和真菌群落的功能。研究发现：草原退化显著降低了土壤细菌的多样性,但对真菌多样性影响不大。地下生物量、土壤有机碳和总氮与细菌的多样性变化呈显著正相关关系。草原退化显著增加了绿弯菌门的相对丰度(由2.48%提高到8.40%),降低了厚壁菌门的相对丰度(由3.62%降低到1.08%)。其次,草原退化也显著增加了球囊菌门的相对丰度(从0.17%提高到1.53%),降低了担子菌门的相对丰度(从19.30%降低到4.83%)。致病菌的相对丰度在草原退化过程中显著下降。此外,草原退化对土壤细菌群落的功能有显著的影响,尤其是与土壤碳氮循环相关的土壤细菌群落。我们的结果表明,土壤细菌群落对草原退化的响应比真菌群落更敏感。     

氮沉降对土壤线虫群落影响的研究进展

综述了主要陆地生态系统(草原、农田和森林)土壤线虫群落对氮沉降增加的响应格局和机制。总体上,氮沉降增加对线虫数量一般无显著影响,但增加了土壤中富集机会主义者(即低营养级的r-策略者)数量,降低了线虫群落成熟度指数(MI),表明氮沉降增加可能会使土壤食物网简化。氮沉降增加主要通过改变土壤微环境(如增加含氮离子浓度、降低土壤pH)直接影响土壤线虫群落,或者改变植物地上地下资源的输入和线虫与其他土壤动物的关系,间接影响线虫群落。最后,根据目前研究现状,指出了当前研究存在的局限性,包括研究时间和空间尺度上以及研究技术手段上的局限。建议综合多个全球环境变化因子,并结合室内试验及分子手段的方法对土壤线虫群落进行研究。     

城市土壤微生物多样性研究进展

城市化对生物多样性的影响是当前生态学研究的热点之一, 引起了人们的广泛关注。土壤微生物多样性是城市生物多样性的重要组成部分, 对维持城市生态系统的健康稳定具有重要意义和作用。近年来, 已有研究关注城市土壤微生物群落结构及多样性, 回答了一些关键问题, 但缺乏系统的总结与论述。基于此, 本文分析了城市化对土壤微生物特性、群落组成、功能和多样性的影响, 总结了影响城市土壤微生物多样性的主要因素, 发现城市化改变了土壤微生物组成和功能, 并且对细菌和真菌多样性的影响存在差异, 城市环境因子通过直接和间接作用共同影响土壤微生物多样性。进一步探讨了城市土壤微生物多样性的维持与保护, 并对今后城市土壤微生物研究需要关注的问题进行了展望, 包括: (1)城市化对城市绿地土壤微生物多样性的影响机制; (2)城市土壤微生物多样性变化对生态系统多功能性的影响; (3)土壤微生物多样性与人类健康的关系。以期为城市土壤生物多样性保护研究提供参考。     

下辽河平原农田土壤线虫群落组成的季节变化

下辽河平原农田生态系统在管理过程中频繁的耕作、施肥以及农用化学品施用等引发了一系列问题, 如土壤退化、耕地数量减少以及生产力下降等, 不可避免地对土壤生物健康产生影响。为探究农田土壤人工管理对土壤生物群落动态的影响, 本研究在辽宁沈阳农田生态系统国家野外科学观测研究站开展了农田土壤线虫群落组成的季节变化研究, 对4个季节农田和废弃农田(对照)的土壤线虫群落组成、多度以及多样性等进行了比较分析。研究结果表明, 土壤线虫总多度在废弃农田中显著高于农田, 但季节间差异不显著。季节变化主要显著影响了自由生活线虫的多度, 其在9月达到最高; 季节变化也显著影响了属的数量, 其在非生长季的11月最低。与废弃农田相比, 农田管理显著降低了杂食捕食线虫和食真菌线虫的多度, 土壤食物网结构相对稳定; 而废弃的农田更易受到季节波动的影响, 土壤食物网也受到一定的干扰。     

高通量测序分析冻融期碳源输入方式对土壤线虫群落的影响

植物碳源输入途径变化对土壤生物群落的影响研究是目前学术界关注的热点问题。为探究温带森林生态系统碳源输入方式对土壤线虫群落的影响,通过Illumina MiSeq技术分析了不同碳源输入方式下土壤线虫群落组成和多样性的变化。研究结果显示:所有处理(凋落物和根系同时输入;仅根系输入;仅凋落物输入;无碳源输入)中共发现土壤线虫68属,其中食细菌线虫的相对丰度最大;各碳源输入方式中仅凋落物输入处理对线虫群落组成的影响最为明显,表现为:与凋落物和根系同时输入处理相比,仅凋落物输入处理中食细菌线虫的相对丰度明显增加,食真菌线虫的相对丰度显著降低以及捕食杂食线虫的相对丰度显著增加。从线虫群落的多样性指数角度看,无碳源输入处理中土壤线虫群落的多样性指数(H'')下降,优势度指数(Dom)增高;仅凋落物输入处理中均匀度指数(J)最高。从线虫群落的生态指数角度看,仅凋落物输入处理的线虫群落成熟度指数(MI)最高;各碳源输入处理的分解过程均以细菌分解通道为主。研究表明,土壤线虫群落受到碳源输入变化的调节,仅凋落物输入处理比仅根系输入处理对土壤线虫群落的影响更大。无碳源输入处理的物种多样性明显下降,仅凋落物输入处理的土壤食物网更加稳定。研究结果丰富了森林土壤线虫多样性的研究内容,并为高通量测序技术在土壤线虫方面的研究提供方法和数据的支持。     

不同植物群丛下铜尾矿复垦地土壤线虫的分布特征

对铜陵市凤凰山铜尾矿复垦地禾本科(矛叶荩草AL、白茅IC)和豆科(野豌豆GS)等3类典型植物群丛及外围对照禾本科(毛马唐)植物群丛下的土壤线虫群落进行调查.共分离得到1277 条土壤线虫,隶属于51属,平均密度590条·100 g^-1干土.采用多样性指数和土壤食物网结构指数等分析铜尾矿复垦地土壤线虫群落的分布特征.结果表明： 铜尾矿复垦地3类植物群丛下土壤线虫群落的类群总数和Shannon〖KG-*4〗多样性指数明显小于毛马唐对照组.对比铜尾矿复垦地和邻近自然栖息地不同植物群丛下的土壤线虫群落生态指数,发现野豌豆群丛下土壤食物网结构较成熟,土壤有机质分解以细菌分解通道为主;生态系统较不稳定,低度干扰;表明该豆科植物群丛下的土壤食物网具有较大的发展潜力,从而提高铜尾矿复垦地的生态稳定性.白茅与矛叶荩草群丛下土壤食物网处于结构化状态,土壤有机质分解以真菌分解通道为主;生态系统较稳定,无干扰;表明禾本科植物群丛下的土壤食物网处于较低层次的发展状态.     

不同发育阶段杉木人工林对土壤微生物群落结构的影响

采用变性梯度凝胶电泳技术(DGGE),分析土壤细菌16S rDNA和土壤真菌28SrDNA特异性片段多态性,研究了不同发育阶段杉木人工林对土壤微生物群落结构的影响.结果表明:土壤微生物群落结构随着杉木人工林的发育年龄而改变,杉木人工林土壤微生物群落多样性和丰富度随杉木生长发育显著增加(P<0.05),但均显著低于次生阔叶林(P<0.05);聚类分析表明,不同发育阶段杉木人工林土壤真菌群落相似性均<60%,而土壤细菌群落相似性最高可达65%,由此可推测不同发育阶段杉木人工林土壤真菌群落结构变化较土壤细菌群落结构变化剧烈;相关性分析表明,不同发育阶段杉木人工林土壤速效氮、碳氮比与土壤微生物群落多样性显著相关(P<0.05).本研究表明,长期种植单一杉木人工林能够通过改变土壤理化性质来影响土壤微生物群落组成,进而影响森林生态系统养分循环,导致人工林林分生产力下降.     

基于BIOLOG技术分析氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物是有机物分解和养分循环的主要介质,因此在维持土壤的功能多样性和持续性方面发挥着关键作用。气候变化驱动因素会影响土壤微生物的生理活动,引起其群落结构和功能多样性的改变,并对生物地球化学循环和气候―生态系统反馈产生连锁效应,其中氮沉降和降水是全球气候变化的研究热点。土壤氮(N)的有效性有可能通过改变微生物的群落组成以调节微生物对降水变化的响应,但目前关于N沉降和降水及其交互作用对土壤微生物群落功能多样性的影响机制仍不清楚。为了准确预测未来气候条件下生态系统的功能状况,需要更好地了解土壤微生物对环境变化的响应。基于BIOLOG技术综述了氮沉降和降水变化及其交互作用对土壤微生物功能多样性影响的相关研究进展,可以为进一步研究全球气候变化背景下地下生态学的发展提供参考。另外,分析阐述了当前工作中存在的一些主要瓶颈,并对未来的研究热点进行了探讨和展望。     

我国土壤线虫生态学研究进展和展望

土壤线虫生态学主要探讨土壤线虫群落和其周围环境(包括生物和非生物)的相互关系, 包括不同生态系统中土壤线虫群落的分布和结构组成、线虫群落与土壤环境及其他土壤生物之间的相互作用等。本文回顾了我国研究者近年来在土壤线虫生态学研究领域的研究现状, 包括不同生态系统土壤线虫群落的分布、组成和多样性及其影响因素, 土壤线虫群落与全球气候环境变化的关系, 土壤线虫群落的生态功能以及土壤线虫群落生态学分析方法的发展及应用。重点评述近年来我国土壤线虫生态学的发展现状, 同时分析和比较了国内外土壤线虫生态学的发展态势, 提出建设全国范围的监测网络的重要性。未来我国土壤线虫生态学的发展方向应继续加强小尺度下土壤微食物网联通性和大尺度下全球气候变化对土壤线虫群落影响的研究以及加强相关新的研究技术方法的应用。     

Population turnover promotes fungal stability in a semi-arid grassland under precipitation shifts

土壤中细菌和真菌的稳定性在维持土壤生态系统功能方面起着重要作用，环境条件的改变直接影响细菌和真菌的组成与结构。已有研究表明，土壤真菌群落稳定性对降水变化响应的敏感性比细菌低,但其内在机制还不清楚。在内蒙古典型草原建立3年的增减降雨实验平台，设置5个降水梯度，包括分别增加和减少30%和60%的降水量以及对照，比较控制不同的降水水平对土壤细菌和真菌多样性的影响，包括α多样性，β多样性和细菌/真菌群落组成的变化。本研究开发了一个概念模型来反映不同降水条件下土壤细菌和真菌的稳定性特征，其中模型山谷的深度表示微生物抵抗力(Resistance)，谷的宽度代表生态弹性(Ecological Resilience)。结果表明，增加和减少60%的降水量均显著降低了细菌的丰富度，同时显著增加了细菌均匀度，但对真菌的丰富度和均匀度没有显著的影响。降水对细菌α多样性的影响高于真菌，说明细菌对水分胁迫的敏感性大于真菌。而真菌群落的周转比细菌快，包括组成变化(Composition Variation)，多样性指数和变异系数(Coefficient Variation)，反映了真菌群落具有较高的群落可变性,使得降水变化对真菌群落的影响较小。概念模型中两种相反的情景表示细菌和真菌对降水变化不同的响应模式：真菌群落对水分胁迫响应不敏感，可以用宽谷中的一个球来表示，球虽然在较大范围内往复摆动，但仍接近稳定状态；而细菌群落对水分响应敏感，即稳定性低，可以表示为一个球在较窄的谷里远离平衡态的位置摆动。基于本研究结果，半干旱草原真菌群落比细菌群落具有更高的稳定性,该结论对于量化群落稳定性特征具有重要意义。     

Nitrogen Addition Regulates Soil Nematode Community Composition through Ammonium Suppression

Nitrogen (N) enrichment resulting from anthropogenic activities has greatly changed the composition and functioning of soil communities. Nematodes are one of the most abundant and diverse groups of soil organisms, and they occupy key trophic positions in the soil detritus food web. Nematodes have therefore been proposed as useful indicators for shifts in soil ecosystem functioning under N enrichment. Here, we monitored temporal dynamics of the soil nematode community using a multi-level N addition experiment in an Inner Mongolia grassland. Measurements were made three years after the start of the experiment. We used structural equation modeling (SEM) to explore the mechanisms regulating nematode responses to N enrichment. Across the N enrichment gradient, significant reductions in total nematode abundance, diversity (H' and taxonomic richness), maturity index (MI), and the abundance of root herbivores, fungivores and omnivores-predators were found in August. Root herbivores recovered in September, contributing to the temporal variation of total nematode abundance across the N gradient. Bacterivores showed a hump-shaped relationship with N addition rate, both in August and September. Ammonium concentration was negatively correlated with the abundance of total and herbivorous nematodes in August, but not in September. Ammonium suppression explained 61% of the variation in nematode richness and 43% of the variation in nematode trophic group composition. Ammonium toxicity may occur when herbivorous nematodes feed on root fluid, providing a possible explanation for the negative relationship between herbivorous nematodes and ammonium concentration in August. We found a significantly positive relationship between fungivores and fungal phospholipid fatty acids (PLFA), suggesting bottom-up control of fungivores. No such relationship was found between bacterivorous nematodes and bacterial PLFA. Our findings contribute to the understanding of effects of N enrichment in semiarid grassland on soil nematode trophic groups, and the cascading effects in the detrital soil food web.     

青藏高原高寒草甸土壤环境对线虫功能多样性的影响

土壤线虫是地下食物网的重要组成部分, 在生态系统能量流动和物质循环中起着至关重要的作用。大量研究报道了肥力等土壤环境对土壤线虫物种多样性及各功能群多度的影响, 而我们对土壤线虫功能多样性如何响应土壤环境变化依然知之甚少。本研究以群落水平个体大小和个体大小多样性表征土壤线虫功能多样性。在青藏高原高寒草甸选择3个研究点, 调查和分析了不同生境(沟底平地、阴坡、阳坡和山顶)土壤线虫物种多样性、各功能群多度和功能多样性及其与土壤理化因子和植物多样性的关系。结果表明: (1)土壤线虫个体多度和物种多样性在阳坡最高, 随土壤pH值和土壤总磷增加而升高; 而基于个体大小的土壤线虫功能多样性主要受土壤养分影响, 随土壤总氮和有机质增加而增加, 随土壤总磷含量增加而减少; (2)食细菌和食真菌线虫多度在沟底最高, 植食与捕食杂食线虫多度在山顶最低; 除捕食杂食线虫外, 各功能群多度也主要随土壤磷增加而升高; 除食真菌线虫外, 各功能群多度随植物物种丰富度的增加而减少。本研究强调了土壤线虫物种和功能多样性受不同土壤环境因子的影响, 丰富了土壤线虫多样性研究的内容, 为理解高寒草甸土壤动物多样性形成、维持和变化提供了更广阔的 视角。     

氮肥减施与配施有机肥对冬小麦土壤线虫群落结构的影响

土壤线虫是指示土壤健康的典型生物之一,为了揭示氮肥减施对土壤健康的影响,以冬小麦土壤为对象,研究了氮肥减施和配施有机肥对拔节期冬小麦土壤线虫群落结构的影响。共设置了6个施肥处理:CF(315 kg N·hm^-2,常规施肥量)、N₂₄₀(240 kg N·hm^-2)、N₂₁₀(210 kg N·hm^-2)、N₁₈₀(180 kg N·hm^-2)、F₁₅₀(180 kg N·hm^-2+150 kg·hm^-2黄腐酸)、F₂₂₅(180 kg N·hm^-2+225 kg·hm^-2黄腐酸)。结果表明: 1)氮肥减施会降低土壤线虫数量,降幅为15.3%～68.5%;2)各处理均以原杆属为优势属(19.6%～50.4%)。氮肥减施提高了食真菌类、植食类和捕食/杂食类线虫的丰度,食细菌类线虫的丰度先降低后升高。配施有机肥后,食细菌类和食真菌类线虫的丰度降低,植食类和捕食/杂食类线虫丰度升高;3)N₂₄₀和F₂₂₅处理分别使线虫多样性指数H提高了48.1%和58.5%。N₂₄₀处理线虫成熟度指数MI最高(1.95)。N₁₈₀处理线虫结构指数SI最低(43.33),配施有机肥的F₂₂₅线虫结构指数SI达到62.72,但线虫富集指数EI最低(80.82)。说明减施氮肥并配施有机肥可以提高土壤线虫的多样性,使食物网向复杂稳定方向发展,对农田土壤生态系统有积极意义。     

Response of soil nematode communities to long-term application of inorganic fertilizers in the black soil of Northeast China

The effects of inorganic fertilizers on soil nematode communities were studied in a long-term fertilization experimental field in the Black Soil Region of Northeast China, where no fertilizer (CK), N fertilizer (N), combined application of N and P (NP), combined application of N and K (NK), and combined application of N, P and K (NPK) were compared. The results showed that the total nematode abundance was not affected significantly by inorganic fertilizers in the long-term field experiment. The numbers of bacterivores increased significantly in the NP treatment compared to the CK treatment, and those of fungivores and plant-parasites were inhibited in the NPK treatment. The similarity between CK and NPK treatment and the nematode diversity were higher than in other treatments. The stability of the soil ecosystem was disturbed by the inorganic fertilizers, as indicated by the change in MI values under different treatments. The response of soil nematodes mainly depended on the types of inorganic fertilizers applied.     

Response of soil nematode communities to long-term application of inorganic fertilizers in the black soil of Northeast China

The effects of inorganic fertilizers on soil nematode communities were studied in a long-term fertilization experimental field in the Black Soil Region of Northeast China,where no fertilizer (CK),N fertilizer (N),combined application of N and P (NP),combined application of N and K (NK),and combined application of N,P and K (NPK) were compared.The results showed that the total nematode abundance was not affected significantly by inorganic fertilizers in the long-term field experiment.The numbers of bacterivores increased significantly in the NP treatment compared to the CK treatment,and those of fungivores and plant-parasites were inhibited in the NPK treatment.The similarity between CK and NPK treatment and the nematode diversity were higher than in other treatments.The stability of the soil ecosystem was disturbed by the inorganic fertilizers,as indicated by the change in MI values under different treatments.The response of soil nematodes mainly depended on the types of inorganic fertilizers applied.     

根际效应对大豆田土壤线虫群落组成及多样性的影响

根际作为重要的环境界面是植物与环境之间物质能量交换的场所,关于根际效应的研究已成为土壤生态学的新兴热点领域,然而有关大豆根际效应对土壤动物多样性影响的研究报道并不多见。在三江平原选择连续耕作15a的大豆田,对大豆根际区与非根际区土壤线虫群落结构组成进行了对比分析。结果表明:大豆根际区土壤线虫总数、辛普森多样性指数(Dom)显著高于非根际区,根际区的物种数(S)、物种丰富度指数(SR)显著低于非根际区。说明大豆根际效应增加土壤线虫的丰度,但降低了线虫群落结构的复杂性。大豆根际区植物寄生线虫(PP)、食真菌线虫(FF)和食细菌线虫(BF)数量显著高于非根际区,而PP类群的比例在根际区却显著低于非根际区。这一研究结果表明食微线虫(FF和BF)类群在大豆根际区的比例增加更显著。食真菌与食细菌线虫数量比值(F/B)指示大豆根际区细菌生物量相对高于真菌生物量。研究结果丰富了农田土壤线虫多样性的研究内容,并为我国东北大豆田线虫病害的防治及定制相应的农业管理措施提供参考。     

川西亚高山/高山森林土壤线虫多样性

为了解青藏高原东缘亚高山/高山森林土壤线虫多样性,于2015年7月以该地区岷江冷杉原始林、混交林和次生林为研究对象,采用淘洗-过筛-蔗糖离心的方法分离土壤线虫,研究了3个海拔森林土壤线虫群落的组成与结构特征.结果表明: 共捕获线虫37950条,隶属于20科27属,平均为4217 条·100 g^-1干土,原始林以丝尾垫刃属为优势属,混交林和次生林以丝尾垫刃属和拟盘旋属为优势属,且优势属个体数量受林型的影响显著.原始林和次生林的优势营养类群为食真菌线虫,混交林则为食细菌线虫.土壤线虫c-p (colonizer-persister)类群c-p 1、c-p 2、 c-p 3和c-p 4数量分别占总数的6.1%、51.1%、30.0%和12.7%.3个海拔森林土壤线虫的自由生活线虫成熟度指数(MI)、总成熟度指数(∑MI)和植物寄生线虫成熟度指数(PPI)随海拔增加而逐渐降低.土壤线虫通路指数(NCR)在混交林高于0.5,在原始林和次生林低于0.5.林型显著影响了土壤线虫成熟度和NCR指数,但林型、土层及二者的交互作用对多样性指数影响不显著.川西亚高山/高山不同森林土壤线虫的组成、营养结构和能流通道存在明显差异,为深入理解土壤线虫在该区森林土壤生态过程中的作用提供了参考.     

宁夏枸杞根际土壤线虫群落特征

宁夏枸杞具有很高的药用价值和营养价值,在宁夏大面积种植,带来了巨大的经济效益.研究不同条件下宁夏枸杞根际土壤线虫群落特征,对防止枸杞园土壤退化具有重要意义.以宁夏枸杞之乡——中宁为研究区,系统分析了季节、树龄和土层对枸杞根际土壤线虫数量和生态指数的影响.结果表明: 夏季宁夏枸杞根际土壤线虫数量最多,小杆属和拟丽突属为优势属;春季线虫数量最少,小杆属、针属和盘旋属为优势属;从春季到秋季,线虫稀有属种类和个体密度逐渐减少.随着树龄的增加,夏季根际土壤线虫总数逐渐减少;春季和秋季枸杞根际线虫总数先增加后减少,其中9年树龄根际土壤线虫总数最多.各树龄根际均为食细菌线虫所占比例最大,食真菌线虫和捕食-杂食类线虫比例很小,树龄<3年和>9年时植物寄生线虫比例相对较大.夏季枸杞根际20～40 cm比0～20 cm土壤线虫数量增加49.4%.随着树龄的增加,枸杞根际土壤线虫多样性指数、均匀度指数和丰富度指数均呈减小-增大-减小的趋势,而优势度指数先减小后增大.土壤pH值与土壤线虫优势度指数呈显著正相关;土壤有机质和速效磷与植物寄生线虫分别呈显著正相关和负相关;土壤碱解氮与线虫总数呈显著正相关;速效钾与线虫多个生态指数均呈显著负相关.整体上,随着树龄的增加,春季和秋季土壤线虫数量先增加后减少,夏季土壤线虫数量呈逐渐减少的趋势;线虫多样性下降,土壤逐渐退化.此外,在幼林和树龄>9年后需要抑制土壤植物寄生线虫的繁殖,以减少后期因线虫引起的病害.