水稻分蘖期和孕穗期根际反硝化菌群落结构及功能变化

通过水稻盆栽试验,分别于水稻分蘖期和孕穗期采集根际与非根际土壤,利用末端限制性片段长度多态技术(T-RFLP)和实时荧光定量PCR(qPCR)技术探究水稻生长对根际反硝化作用和反硝化微生物的影响.结果表明: 分蘖期根际土壤的反硝化势显著低于非根际土壤,而孕穗期根际与非根际土壤的反硝化势没有显著性差异.但分蘖期和孕穗期根际土壤中含narG和nosZ基因的微生物数量均显著高于非根际土壤,其中含nosZ基因的反硝化微生物的群落组成结构和多样性对根际环境响应更敏感.说明虽然水稻根系生长会刺激反硝化微生物的生长繁殖,但抑制了根际土壤中一些反硝化微生物的活性,从而降低了根际土壤的反硝化潜势.     

生物炭与炭基肥对采煤塌陷复垦区土壤硝化和反硝化微生物群落的影响

作为一种新型土壤改良剂,生物炭对土壤微生物群落的影响已有报道,但在采煤塌陷复垦区土壤氮循环微生物群落对生物炭添加的响应鲜有报道。以生物炭和炭基肥为添加材料,以淮北地区塌陷复垦土为供试土壤,通过室外盆栽试验,采用荧光定量PCR(qPCR)和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)技术,研究不同生物炭处理的土壤硝化和反硝化微生物的菌群变化。试验共设5个处理:对照(CK)、常规化肥(CF)、炭基肥(BF)、2%生物炭配施化肥(LB)和4%生物炭配施化肥(HB)。结果表明: 与CK处理相比,各施肥处理均显著提高了土壤氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)、反硝化细菌nirK和nirS基因丰度。与CF处理相比,生物炭和炭基肥处理显著提高了AOB和nirK基因丰度,增幅分别达到42.9%～82.1%和33.5%～62.7%。冗余分析表明,土壤有机碳、pH、NH₄⁺-N和速效钾是显著影响AOB群落结构的主要因子,而土壤有机碳、pH和NO₃^--N含量是影响nirK型反硝化细菌群落结构的关键因子。因此,施用生物炭与炭基肥能改良采煤塌陷复垦区土壤质量,提高硝化和反硝化微生物丰度,并改变AOB和nirK型反硝化细菌群落结构。     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮对氨氧化微生物生态位的影响

生物结皮作为荒漠地表的重要覆被类型, 在荒漠生态系统的氮素循环中扮演重要角色。融雪期为古尔班通古特沙漠生物结皮的复苏和生长提供了充足的水分, 也成为该沙漠氮素固定和转化的重要时期, 但该时期生物结皮如何影响驱动氨氧化转化的微生物群落动态尚未明确。因此, 我们利用荧光定量PCR (fluorescent quantitative PCR, qPCR)方法分析融雪期生物结皮与去除结皮不同土层(0-2, 2-5, 5-10和10-20 cm)氨氧化菌群丰度特征, 结合潜在硝化速率和土壤理化参数, 探究融雪期生物结皮对荒漠土壤氮素转化作用。结果表明: 氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)是古尔班通古特沙漠土壤优势氨氧化菌, 生物结皮对0-2 cm层土壤中AOA、氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB) amoA基因丰度具有显著抑制作用(P < 0.01), 对10-20 cm层土壤中AOA amoA基因丰度具有显著促进作用(P < 0.01)。冗余分析(redundancy analysis, RDA)表明, AOA、AOB amoA基因丰度主要受土壤含水量和铵态氮含量的影响, 占总条件效应的54.90%。氨氧化速率分析发现, 去除生物结皮显著降低古尔班通古特沙漠土壤硝化作用潜力(P < 0.001), 证实生物结皮对荒漠土壤氮素转化具有重要的调控作用。综上所述, 古尔班通古特沙漠氨氧化微生物的分布规律受环境因子调控, 特别是生物结皮可以通过调节土壤含水量和铵态氮含量影响AOA和AOB的空间生态位分化, 促进沙漠土壤的硝化作用。     

禁牧对半干旱草地土壤氮循环功能基因丰度和氮储量的影响

以黄土高原云雾山不同禁牧(0、7、18、27和35年)草地为对象,研究禁牧对不同土层(0～10、10～20、20～40和40～60 cm)土壤氮循环微生物功能基因(nifH、amoA-AOA、amoA-AOB、narG、nirK、nirS和nosZ)丰度的影响,并分析了土壤氮循环微生物功能基因与土壤氮储量之间的关系.结果表明: 与放牧相比,禁牧35年提高了nifH和amoA-AOB的基因丰度,分别增加了67.8%和17.6%;禁牧降低了nirK基因丰度.表层土壤(0～10 cm)nifH、narG和nirS基因丰度显著高于深层土壤(20～40和40～60 cm),表明nifH、narG和nirS基因具有表聚效应.禁牧提高了土壤氮储量,在27年时0～60 cm土层土壤氮储量最高(20.96 mg·hm^-2),说明27年可能为最适禁牧年限.nifH、amoA-AOA和amoA-AOB基因丰度与氮储量具有显著线性关系,表明含有这些基因的微生物对于提高土壤氮储量具有重要作用.土壤全氮、容重以及速效磷含量是影响土壤氮循环基因的主要因素.本研究结果为深入理解土壤氮循环过程及退化草地的恢复提供了科学参考.     

天然林转人工林对亚热带森林土壤团聚体中亚硝酸盐还原基因丰度的影响

我国亚热带地区大面积天然林已转变为人工林,对森林生态系统结构和功能产生了极大影响。为揭示森林土壤团聚体中N₂O产生的关键基因亚硝酸盐还原基因(nirK和nirS)对森林转换后的响应特征,本研究选取中亚热带米槠天然林、杉木人工林和马尾松人工林为对象,分析了3种林分土壤和团聚体中nirK和nirS基因丰度。结果表明: 天然林转变成人工林后,土壤pH值升高,但铵态氮含量下降。森林转换对土壤团聚体结构组成影响不大,但不同粒径团聚体中nirK和nirS基因丰度存在差异,以小团聚体分布最多,粉-黏颗粒分布最少。各林分土壤中nirK基因丰度均显著高于nirS基因丰度,表明nirK在酸性森林土壤中占主导。天然林转人工林显著增加全土和团聚体中nirK及nirS基因丰度,表明森林转换有利于提高nirK和nirS基因丰度,这可能与pH值的提高有关。综上,天然林转变为杉木或马尾松人工林显著提高了土壤和团聚体中nirK和nirS丰度,但对团聚体质量分数无显著影响。     

不同土地利用方式土壤氨氧化微生物和反硝化微生物时空分布特征

研究不同土地利用方式下氮循环相关微生物在不同土壤剖面的分布,可为认识和理解土壤氮转化过程提供科学依据。土壤氨氧化微生物和反硝化微生物在调节氮肥利用率、硝态氮淋溶和氧化亚氮(N₂O)排放等方面有着重要作用。以北京郊区农田和林地两种土地利用方式为研究对象,分析土壤氨氧化潜势和亚硝酸盐氧化潜势在0—100 cm土壤剖面上的季节分布(春季和秋季),并通过实时荧光定量PCR方法表征土壤氨氧化和反硝化微生物的时空分布特征。结果表明,农田土壤氨氧化潜势、亚硝酸盐氧化潜势、氨氧化微生物和反硝化微生物丰度均显著高于林地土壤,且随土壤深度增加而显著降低。除氨氧化古菌amoA基因丰度在不同季节间无显著差异外,春季土壤氨氧化细菌(amoA基因)、反硝化微生物nirS、nirK和典型nosZ I基因的丰度均显著高于秋季。土壤有机质、总氮、NH~+₄-N、NO~-₃-N含量与氨氧化微生物和反硝化微生物的功能基因丰度显著相关。综上,不同土地利用方式下土壤氮循环相关微生物的丰度与土壤氮素的可利用性和转化过程紧密相关,研究结果对土壤氮素利用和养分管理提供...     

长白山阔叶红松林土壤氮转化过程对长期施氮和降水变化的响应

土壤氮循环是森林生态系统主要的生物地球化学过程之一,具有重要的环境效应.本研究以长白山阔叶红松林为对象,通过人工氮添加和透明V型板截雨模拟氮沉降(NF)、降水减少(RR)以及两者交互作用(RF),分析了土壤硝化作用、反硝化作用,以及硝化功能微生物(氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB)、反硝化功能微生物(nirK、nirS和nosZ)和固氮功能微生物(nifH)对NF、RR及RF作用的响应.结果表明: 土壤硝化作用与土壤NH₄⁺-N、反硝化作用与土壤NO₃^--N含量呈显著正相关关系;土壤硝化作用和反硝化作用未因3种处理而发生显著变化,反硝化作用表现出明显的季节性动态变化;长期RR处理抑制了长白山阔叶红松林土壤净硝化作用,NF和RF处理则促进了其净硝化作用;nifH和nosZ菌群具有较强的抗胁迫能力,其多样性不易受氮水变化影响,干旱条件下nirK群落组成更容易受氮沉降影响;AOA对干旱具有较高敏感性,AOB对NF和RF处理具有较高敏感性.3种处理可不同程度影响土壤净硝化作用,并改变AOB、AOA和nirK基因反硝化微生物多样性,进而可能影响森林土壤含氮气体释放并改变森林生态系统服务.     

间作对马铃薯种植土壤硝化作用和硝态氮供应的影响

土壤硝态氮供应对满足作物氮素需求至关重要,但间作如何影响土壤硝态氮供应及其作用机制尚不清楚。本研究基于4个氮水平(N₀, 0 kg·hm^-2; N₁, 62.5 kg·hm^-2; N₂, 125 kg·hm^-2; N₃, 187.5 kg·hm^-2)的马铃薯单作、马铃薯与玉米间作小区试验,分析土壤硝态氮含量与强度、硝化势和氨氧化功能基因丰度的差异,探讨间作影响土壤硝态氮供应和氮调控的机理。结果表明: 土壤硝态氮含量和强度随施氮量增加而升高,但同一施氮水平下间作均低于单作。施氮提高了土壤硝化势,且单作的响应高于间作。土壤中氨氧化细菌(AOB)的amoA基因丰度大于氨氧化古菌(AOA),二者在间作时均随施氮量增加呈现先增加后降低的趋势;相同施氮量下,间作的AOA和AOB基因丰度(除N₂外)均低于单作。相关分析、回归分析和主成分分析显示,马铃薯间作后,土壤AOB、AOA的amoA基因丰度下降,硝化势减弱,导致土壤硝态氮含量和强度降低。因此,间作导致土壤硝态氮供应降低与土壤氮转化的微生物过程有关,间作条件下的马铃薯种植应注意保障土壤氮素供应。     

秸秆还田对玉米根际氨氧化微生物群落及红壤硝化潜势的影响

为探讨酸性红壤根际氨氧化微生物群落以及硝化作用对不同秸秆还田处理的响应,基于中国科学院鹰潭红壤生态实验站设置的秸秆还田长期试验平台(9年),采用荧光定量PCR和高通量测序技术,研究不同秸秆还田处理(不施肥(CK);氮磷钾肥(NPK);氮磷钾肥+秸秆(NPKS);氮磷钾肥+秸秆猪粪配施(NPKSM);氮磷钾肥+秸秆生物炭(NPKB))下玉米根际土壤氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)丰度和群落结构的变化,揭示了秸秆还田对根际氨氧化微生物群落结构和硝化潜势(potential nitrification activity, PNA)的影响机制。结果发现：相比CK和NPK处理,秸秆还田显著提高了土壤养分含量和硝化潜势,其中有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、硝态氮(NO~-₃-N)和铵态氮(NH~+₄-N)含量显著增加,NPKSM处理对土壤肥力提升效果最佳。AOA的硝化潜势显著高于AOB,表明AOA...     

硝化抑制剂对不同旱地农田土壤N2O排放的影响

通过室内培养法,研究了硝化抑制剂双氰胺(DCD)和3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)对施加尿素的沈阳草甸棕壤、运城褐土、美国明尼苏达州粉砂壤土的N2O排放、氮素转化速率和微生物群落结构的影响.结果表明:抑制剂DCD和DMPP对草甸棕壤的N2O减排率为54.1％ ～75.9％,但对速效氮含量影响不显著,约24％的硝化潜势被DCD所抑制,而在高含水量下DMPP却对硝化潜势无抑制作用;在褐土中,DMPP抑制效果显著,其在两种含水量下的N2O减排率为85.5％和66.7％、对硝化作用潜势抑制率为97.2％和96.4％,但DCD只在低含水量下有少许抑制效果(24.6％ ～57.5％),而在高含水量下则失效;DMPP对粉砂壤土在两种含水量下的N2O减排率为42.9％和53.1％,而DCD在高含水量下未能减排N2O;在草甸棕壤和褐土中,施氮肥有效促进氨氧化细菌(AOB)的生长繁殖,DCD与DMPP使AOB amoA数量减少了4.1％ ～63.5％,有显著抑制作用,而对氨氧化古菌(AOA)和反硝化菌则影响不大;与AOB相比,AOA在数量上占优势,但AOB amoA基因丰度与硝化潜势显著正相关,表明AOB在硝化过程中起了更重要的作用.     

亚热带米槠天然林土壤氨氧化微生物对模拟氮沉降的响应

我国亚热带地区是全球氮沉降的热点区域。氮沉降会影响氨氧化微生物的丰度和群落结构,进而改变土壤微生物驱动的养分循环。目前对新近发现的完全氨氧化菌认识不足,极大地制约了对森林土壤氨氧化微生物响应氮沉降的整体认识。本研究以福建省三明市辛口镇格氏栲自然保护区长期模拟氮沉降处理土壤为研究对象,利用实时定量PCR方法,研究氨氧化微生物(包括氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOA和完全氨氧化菌comammox Nitrospira),尤其是完全氨氧化菌的amoA基因丰度。模拟氮沉降处理包括:不添加N(CK)、低氮(添加40 kg N·hm^-2·a^-1,LN)和高氮(添加80 kg N·hm^-2·a^-1,HN)。结果表明: 8年的氮添加降低了土壤pH值和有机碳含量,提高了土壤硝态氮含量。供试土壤的AOB丰度低于检测限,无法获得目的片段。高氮处理显著提高了AOA丰度,但对完全氨氧化菌clade A和clade B丰度无显著影响。两种氮添加处理均降低了完全氨氧化菌/AOA值,表明氮添加降低了完全氨氧化菌在亚热带森林土壤氨氧化微生物类群中的相对竞争力。针对完全氨氧化菌clade A和clade B的扩增都存在非特异性产物,表明针对森林土壤的高特异性和覆盖度设计引物的必要性。Clade A和clade B丰度与总氮和铵态氮含量呈显著正相关,clade B丰度还与有机碳含量呈显著正相关。总之,模拟氮沉降提高了AOA在亚热带米槠天然林土壤硝化过程中的相对重要性,这些发现可为该地区应对全球变化和氮沉降的风险评估提供理论依据。     

不同生长阶段杉木人工林土壤C∶N∶P化学计量特征与养分动态

在福建省白砂国有林场选取幼龄林(5年)、中幼龄林(8年)、近熟林(21年)、成熟林(27年)和过熟林(40年)5个生长阶段的杉木人工林,测定不同土层(0～10、10～20、20～40 cm)土壤总碳(TC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、全钙(Ca)、全镁(Mg)含量以及C∶N∶P化学计量比,探究杉木人工林土壤碳氮磷(C∶N∶P)化学计量特征与养分随林龄的变化规律。结果表明: 随着林分发育,TC、TN未发生显著变化,土壤C∶N保持不变。随着林分发育,0～20 cm土层土壤TP含量呈增加-降低-增加的变化趋势,其中在杉木成熟林达到最低,C∶P和N∶P最大,而20～40 cm土层土壤TP在各个林龄之间无显著变化。Ca、Mg含量在所有土层均在杉木成熟林达到最低。土壤TC与C∶P、N∶P、C∶N均呈显著正相关,TP与C∶P、N∶P呈显著负相关,土壤TP含量是调控土壤C∶P和N∶P的关键因子。杉木人工林发育到成熟期受到P的限制,为保证人工林正常发育,可在杉木速生阶段施加P肥,促进养分良性循环。适当提高杉木林的轮伐期可能会有利于土壤养分的恢复与保持。     

亚热带树种转换对林地土壤微生物群落结构和功能的影响

通过分析杉木采伐迹地营造阔叶树种尾巨桉和固氮树种黑木相思人工林后土壤微生物群落组成和酶活性,探讨造林树种转换对于改善杉木林地土壤微生物特性的影响.结果表明: 树种转换对土壤微生物群落组成和酶活性的影响主要局限于0～10 cm土壤层.杉木转换为固氮树种黑木相思后,显著提高了0～10 cm土壤层总脂肪酸含量、真菌、革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌和放线菌生物量.主成分分析表明,黑木相思人工林土壤微生物群落组成与杉木和尾巨桉人工林具有显著差异,土壤中革兰氏阳性细菌、阴性细菌和放线菌丰度显著提高.在0～10 cm土壤层,黑木相思人工林土壤纤维素水解酶、乙酰氨基-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶活性均显著高于杉木和尾巨桉人工林.研究表明,杉木转变为固氮树种黑木相思后会显著提高微生物生物量和酶活性,有助于土壤有机质的恢复,加快养分循环过程.     

Dynamics of ammonia-oxidizing archaea and bacteria populations and contributions to soil nitrification potentials

It is well known that the ratio of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) ranges widely in soils, but no data exist on what might influence this ratio, its dynamism, or how changes in relative abundance influences the potential contributions of AOA and AOB to soil nitrification. By sampling intensively from cropped-to-fallowed and fallowed-to-cropped phases of a 2-year wheat/fallow cycle, and adjacent uncultivated long-term fallowed land over a 15-month period in 2010 and 2011, evidence was obtained for seasonal and cropping phase effects on the soil nitrification potential (NP), and on the relative contributions of AOA and AOB to the NP that recovers after acetylene inactivation in the presence and absence of bacterial protein synthesis inhibitors. AOB community composition changed significantly (P⩽0.0001) in response to cropping phase, and there were both seasonal and cropping phase effects on the amoA gene copy numbers of AOA and AOB. Our study showed that the AOA:AOB shifts were generated by a combination of different phenomena: an increase in AOA amoA abundance in unfertilized treatments, compared with their AOA counterparts in the N-fertilized treatment; a larger population of AOB under the N-fertilized treatment compared with the AOB community under unfertilized treatments; and better overall persistence of AOA than AOB in the unfertilized treatments. These data illustrate the complexity of the factors that likely influence the relative contributions of AOA and AOB to nitrification under the various combinations of soil conditions and NH₄⁺-availability that exist in the field.     

Links between ammonia oxidizer community structure, abundance, and nitrification potential in acidic soils

Ammonia oxidation is the first and rate-limiting step of nitrification and is performed by both ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB). However, the environmental drivers controlling the abundance, composition, and activity of AOA and AOB communities are not well characterized, and the relative importance of these two groups in soil nitrification is still debated. Chinese tea orchard soils provide an excellent system for investigating the long-term effects of low pH and nitrogen fertilization strategies. AOA and AOB abundance and community composition were therefore investigated in tea soils and adjacent pine forest soils, using quantitative PCR (qPCR), terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and sequence analysis of respective ammonia monooxygenase (amoA) genes. There was strong evidence that soil pH was an important factor controlling AOB but not AOA abundance, and the ratio of AOA to AOB amoA gene abundance increased with decreasing soil pH in the tea orchard soils. In contrast, T-RFLP analysis suggested that soil pH was a key explanatory variable for both AOA and AOB community structure, but a significant relationship between community abundance and nitrification potential was observed only for AOA. High potential nitrification rates indicated that nitrification was mainly driven by AOA in these acidic soils. Dominant AOA amoA sequences in the highly acidic tea soils were all placed within a specific clade, and one AOA genotype appears to be well adapted to growth in highly acidic soils. Specific AOA and AOB populations dominated in soils at particular pH values and N content, suggesting adaptation to specific niches.