土壤水分对土壤产生气态氮的厌氧微生物过程的影响

气态氮[一氧化氮(NO)、氧化亚氮(N₂O)和氮气(N₂)]的释放是土壤氮损失的一种重要途径。硝化和反硝化作用是土壤气态氮损失的主要微生物过程,但是异养硝化作用、共反硝化作用和厌氧氨氧化过程对土壤气态氮损失的贡献尚不清楚。本研究利用¹⁵N标记和配对法,结合硝化抑制剂双氰胺(DCD),通过土壤培养试验来量化厌氧条件下各种微生物过程对NO、N₂O和N₂产生的贡献。结果表明: 在厌氧条件下培养24 h后,土壤孔隙含水率为65%时,3种气体总的¹⁵N回收率最高,占加入¹⁵N总量的20.0%。反硝化过程对NO、N₂O和N₂产生的贡献率分别为49.9%～94.1%、29.0%～84.7%和58.2%～85.8%,是产生3种气体的主要过程。异养硝化过程也是产生NO和N₂O的重要过程,特别是在土壤孔隙含水率很低时(10%)对两种气体产生的贡献率分别为50.1%和42.8%。,共反硝化过程对N₂O产生的贡献率为10.6%～30.7%,共反硝化和厌氧氨氧化过程对N₂产生的总贡献率为14.2%～41.8%,表明共反硝化过程在N₂O和N₂产生中的作用不可忽视。¹⁵N标记和配对法是区分气态氮损失的各种微生物过程的有效手段。     

季节性干旱地区典型树种长期水分利用特征与模式

在季节性干旱地区,水分是影响植物生长发育的关键核心因子。基于长期连续观测数据探究植物水分利用模式,对于季节性干旱地区植被建设具有重要意义。本研究以北京山区侧柏人工林为对象,利用稳定氢氧同位素技术测定了2012—2017年间土壤、植物枝条和降水同位素组成,通过MixSIAR模型定量分析侧柏对不同土层土壤水分的贡献率。结果表明: 深层(40～100 cm)土壤水较浅层(0～40 cm)土壤水稳定,受蒸发和降水的影响,浅层土壤含水量和水同位素值变化幅度较深层明显;侧柏主要吸收利用稳定的深层土壤水,贡献率为55.7%。在旱季,随着土壤水分含量的降低,植物对土壤水分的吸收深度逐渐向浅层转移;在水量充沛、自然适宜、轻度干旱、中度干旱条件下,深层土壤水的贡献率依次为59.8%、57.9%、54.6%、52.7%。在轻度和中度干旱条件下,雨季侧柏对深层土壤水的依赖程度高于旱季,以维持较大的蒸腾作用;在水量充沛、自然适宜、轻度干旱、中度干旱条件下,深层土壤水贡献率分别为58.9%、57.6%、56.4%、57.1%。侧柏依据土壤水分条件调整吸水深度的自适应特性,对季节性干旱地区生态造林树种的选择和长期管理规划具有重要意义。     

植物根系分泌物在污染及沙化土壤修复中的应用现状与前景

近年来重金属污染等生态环境问题日益受到重视,而物理、化学修复方法存在的诸如成本高、二次污染等问题,使得利用植物、微生物等进行联合治理成为环境修复的重要手段。植物根系分泌物作为植物与土壤进行营养和信息交流的重要媒介,不但对植物的生长具有重要作用,其在污染及沙化土壤修复中作用的研究也得以广泛开展。本文对根系分泌物的组成、分泌机制进行了阐述,并对其在植物吸收重金属、化感作用、植物根系与根际微生物互作、改变土壤理化性质等过程中的作用及机理进行了总结。此外,本文还对利用根系分泌物和根际微生物在生态环境治理中的应用现状、面临的难题及未来的发展等进行了讨论。希望本文可为基于植物与微生物进行的环境修复技术的实际应用提供理论支撑。     

三级串联垂直潜流人工湿地的脱氮性能及微生物学特征

探究了3种水力负荷(HLR)下三级串联垂直潜流人工湿地(T-VFCWs)对农村生活污水的处理效果,并解析了系统中的氮素转化机制。结果表明: 当系统HLR由0.10增至0.20 m³·m^-2·d^-1时,T-VFCWs始终保持着对农村生活污水高效的处理效果,系统出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。T-VFCWs中顺次连接的3个VFCW单元(标记为V-1、V-2和V-3)在限氧环境下因其进水水质的差异可形成各自不同的氮素转化途径,并通过协同作用实现系统的高效脱氮。当T-VFCWs在试验期间连续运行时,V-1、V-2和V-3中主要的脱氮途径分别为短程硝化/反硝化作用、基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)作用和反硝化作用,上述3单元对进水中总氮(TN)和NH₄⁺-N去除的贡献率分别为(51.3±4.4)%和(63.7±2.6)%、(30.9±4.8)%和(35.5±4.5)%、(17.8±5.0)%和(0.8±0.1)%。该研究可为组合式人工湿地的研发及工程化应用提供科学依据和技术支撑。     

耕作方式对潮土土壤团聚体微生物群落结构的影响

为探究不同耕作方式对潮土土壤团聚体微生物群落结构和多样性的影响,采用磷脂脂肪酸(PLFA)法测定了土壤团聚体中微生物群落。试验设置4个耕作处理,分别为旋耕+秸秆还田(RT)、深耕+秸秆还田(DP)、深松+秸秆还田(SS)和免耕+秸秆还田(NT)。结果表明:与RT相比,DP处理显著提高了原状土壤和>5 mm粒级土壤团聚体中真菌PLFAs量和真菌/细菌,为真菌的繁殖提供了有利条件,有助于土壤有机质的贮存,提高了土壤生态系统的缓冲能力;提高了5～2 mm粒级土壤团聚体中细菌PLFAs量,降低了土壤革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌,改善了土壤营养状况;提高了<0.25 mm粒级土壤团聚体中微生物丰富度指数。总的来说,深耕+秸秆还田(DP)对土壤团聚体细菌和真菌生物量有一定的提高作用,并且在一定程度上改善了土壤团聚体微生物群落结构,有利于增加土壤固碳能力和保持土壤微生物多样性。冗余分析结果表明,土壤团聚体总PLFAs量、细菌、革兰氏阴性菌和放线菌PLFAs量与土壤有机碳相关性较强,革兰氏阳性菌PLFAs量与总氮相关性较强。各处理较大粒级土壤团聚体微生物群落主要受碳氮比、含水量、pH值和团聚体质量分数的影响,较小粒级土壤团聚体微生物群落则主要受土壤有机碳和总氮的影响。     

微生物种间直接电子传递研究进展

一直以来氢气和甲酸被认为是微生物间电子传递的中间电子传递体。近年来的研究发现,微生物之间可以通过种间直接电子传递(DIET)来替代氢气/甲酸传递。DIET作为一种新发现的微生物间电子传递途径,其电子传递效率要高于传统的种间氢气/甲酸传递。DIET这一新发现改变了微生物互营生长代谢必须依赖氢气或甲酸等电子载体的传统认识,为今后研究微生物互营现象打开了新视角。虽然DIET研究取得了很大进展,但是目前对能够进行DIET的微生物种类、DIET机制及影响DIET的因素尚缺乏深入研究。本文首先概述了能形成DIET的微生物,然后重点分析了能够进行DIET的电子供体微生物胞外电子传递的机制和电子受体微生物直接利用胞外电子的分子机制,最后阐述了导电材料对DIET的影响,并提出了DIET今后的研究方向,旨在为DIET研究提供参考。     

中国牧区草地移动性利用的丧失和重建

草地利用移动性的丧失导致生态系统退化,是草地放牧生态学领域兴起的主导性学说。在我国,草地利用移动性的丧失不仅是政策变化导致的,更是众多自然和社会因素叠加演进的结果。草地利用移动性的重建对于中国草地恢复和可持续性管理具有重要意义,但是很难通过恢复传统或季节性轮牧的途径实现。我们可以依托智能围栏、牲畜智能可穿戴设备以及草地生产力无人机快测等新型放牧管理技术,在我国不同气候区域、不同类型草地,因地制宜地发展新型草地移动性管理模式,进而重建“草地利用的移动性”。新型轮牧模式还应与草畜平衡、牲畜补饲以及土壤养分补充等重要生态草牧业措施结合,确保我国草地资源的高效可持续利用。     

长期氮添加对草甸草原生态系统氮库的影响

大气氮沉降增加深刻影响生态系统物种多样性、生产力及其稳定性,研究草原生态系统N库如何响应不断增加的大气氮沉降至关重要。本研究在内蒙古额尔古纳草甸草原开展刈割和不同水平外源氮添加试验,设置6个氮添加水平: 0、2、5、10、20和50 g·m^-2·a^-1,同时设置刈割处理,分为刈割和不刈割2个水平。在连续处理的第7年,采集群落中优势植物地上部分、群落根、地表凋落物和0～100 cm分层土壤样品,测定N含量并计算N库储量。结果表明: 氮添加显著增加植物地上部分和凋落物N含量,以及羊草、植物群落和凋落物的N库及生态系统N库总量。刈割处理显著增加羊草叶片和凋落物N含量,降低羊草、植物群落和凋落物N库,但并不改变它们对氮添加的响应格局。此外,刈割和氮添加对植物群落N库存在显著的交互作用。在不刈割处理下,高水平氮添加使更多的氮储存在凋落物中等待分解,植物群落N库的饱和阈值出现在10 g·m^-2·a^-1;在刈割处理下,植物群落N库表现为随氮添加量增加而不断增加,并且在相同水平氮添加条件下刈割后进入到植物群落N库中的氮更多。刈割可以缓解氮沉降不断增加对生物多样性和生态系统稳定性造成的不利影响,并可以在一定程度上推迟氮沉降增加引起的生态系统氮饱和的发生。     

亚热带-温带气候过渡区落叶阔叶林物种-生境关联分析

物种-生境关联分析有利于更好地理解物种共存理论和群落构建机制。根据秦岭落叶阔叶林25 hm²固定监测样地的调查数据,将树种分为幼苗、幼树和成树3个生活阶段,利用Torus-translation检验方法分析物种与不同生境类型之间的关联性。结果表明: 生境对各物种的影响不同。与高坡显著关联的物种数最多,其中95.7%为负关联;与低坡呈负相关的物种占89.5%;与山脊呈显著负关联的物种占90.9%;物种与高谷生境多存在显著正关联,呈负相关的只有1种,占0.03%。物种在幼苗、幼树和成树阶段与生境分别存在80、44和23个关联,表明幼苗阶段对生境的依赖程度更大。幼苗阶段的物种中有38个(占总物种数的90.5%)至少与一类生境存在显著的关联性;幼树阶段有25个(占总物种数的58.1%)至少与一类生境存在显著关联;成树阶段只有17个(占总物种数的39.5%)至少与一类生境存在显著关联。同一生境对不同生活史阶段物种的影响存在差异,到生活史阶段后期,生境的影响逐渐减弱。由于特定的环境需求,多数物种在不同生活史阶段表现出不同的生境偏好。     

关中平原麦玉轮作体系作物秸秆不同还田模式下土壤有机碳和无机碳库变化特征

为探究不同秸秆还田模式对土壤碳库的影响,以陕西关中平原连续11年麦玉秸秆还田定位试验为基础,选择5种还田模式,即秸秆均不还田(CK)、小麦高留茬-玉米秸秆粉碎还田(WH-MC)、小麦玉米秸秆均粉碎还田(WC-MC)、小麦高留茬-玉米秸秆不还田(WH-MN)和小麦秸秆粉碎还田-玉米秸秆不还田(WC-MN),测定不同模式土壤有机碳(SOC)、活性碳组分和无机碳(SIC)在0～40 cm土层的分布。结果表明: 与CK相比,WH-MC和WC-MC的SOC储量分别增加28.1%和22.2%,SIC储量分别增加20.4%和17.3%;与试验初始土壤碳储量相比,各还田模式SOC固持量变化为-0.84～6.55 t·hm^-2,SIC固持量为-0.26～8.61 t·hm^-2;土壤总固碳效率为7.5%,维持土壤初始碳储量水平的最小碳投入量为4.65 t·hm^-2·a^-1;与CK相比,WH-MC和WC-MC显著提升0～20 cm土层活性碳组分含量。主成分分析表明,不同还田模式下土壤碳库变化主要受秸秆投入量的影响。来源于灌溉水和植物残体的Ca²⁺、Mg²⁺与SOC矿化产生的CO₂可共沉淀形成CaCO₃,可能是本研究SIC增加的主要机制。从提高土壤碳固持角度来看,小麦高留茬-玉米秸秆粉碎还田模式为最佳还田模式。