全球降水格局变化下土壤氮循环研究进展

自然和人为因素导致全球降水格局发生改变,降水变化势必影响土壤氮循环,从而影响陆地生态系统生产力和多样性,然而不同降水变化类型对土壤氮循环的影响仍然缺乏足够的认识。因此,本文综合分析了全球和我国降水格局变化特征,简要介绍了6种降水格局变化下土壤氮循环的研究方法（长期降水固定观测、野外降水控制实验、自然降水梯度、室内培养、模型和遥感）,系统综述了3种降水变化类型（降水波动、干旱、干湿交替）,以及降水与温度、氮沉降等交互作用对土壤氮循环影响的研究进展与存在的问题,并展望了未来研究方向,为评估和预测未来降水变化对陆地生态系统功能的影响提供理论依据。     

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。     

冬季升温对高山生态系统碳氮循环过程的影响

全球温度升高是目前面临的重要环境问题,但存在明显的季节差异性,即冬季升温幅度显著高于夏季的季节非对称性趋势,这在高纬度和高海拔地区更加显著。冬季升温会直接影响积雪覆盖与冰冻层厚度,并引起冻融交替循环的增加,而冬季植物处于休眠状态,这会直接影响土壤中有效氮的吸收与损失,引起土壤有效氮可利用性的变化。然而,关于冬季增温对后续生长季节植物活动、土壤碳氮循环过程的影响等方面的研究仍存在诸多不确定。综述了冬季升温对积雪覆盖与冻融交替循环改变对高山生态系统物质循环的影响,以及冬季升温对土壤碳氮循环、微生物与酶活性的影响,并由此引起的植物物候期、群落结构、生产与养分循环与凋落物分解等生理、生态过程方面的研究进展。在未来的研究中,应针对不同生态系统特点选择合适的冬季增温方式,加强非极地苔原地区关于冬季升温的研究,注重关注冬季升温对植物-土壤微生物之间反馈作用的影响,重点关注冬季升温对生态系统的延滞效应。     

叶施NO对NaCl胁迫下红砂幼苗叶片和根系中氮代谢酶及营养物质的影响

以当年生红砂(Reaumuria soongorica)幼苗为材料,采用盆栽实验,考察叶面喷施不同浓度(0、0.01、0.10、0.25、0.50、1.00 mmol·L^-1)NO供体硝普钠 (SNP) 对NaCl(300 mmol·L^-1)胁迫下红砂根、叶中可溶性蛋白、游离氨基酸和硝态氮含量,以及谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、硝酸还原酶(NR)活性的影响,并采用主成分分析和隶属函数法筛选NO对NaCl胁迫缓解效应的氮代谢指标和最佳NO浓度,以探讨外源NO对NaCl 胁迫下红砂缓解效应的氮代谢响应机制。结果表明：(1)在300 mmol·L^-1 NaCl胁迫处理下,红砂幼苗根、叶中可溶性蛋白、硝态氮含量以及GS、GOGAT、NR活性均比对照显著下降。(2)外源NO能显著提高盐胁迫下红砂叶、根中GS、GOGAT、NR活性和硝态氮含量,增加根中可溶性蛋白和游离氨基酸含量。(3)NR和GOGAT活性可用于评价NO对NaCl胁迫下红砂幼苗的缓解作用,外源NO(SNP)对红砂幼苗在NaCl胁迫下的缓解效果强弱表现为0.25 mmol·L^-1> 0.50 mmol·L^-1> 0.10 mmol·L^-1> 1.00 mmol·L^-1> 0.01 mmol·L^-1。研究发现,300 mmol·L^-1 NaCl胁迫显著抑制了红砂幼苗氮代谢,外源NO(SNP)有助于提高盐胁迫下红砂NR活性,加快硝态氮转化为铵态氮,促进红砂叶片和根中GS/GOGAT对转化物的同化,从而增强红砂幼苗的耐盐性,并以0.25 mmol·L^-1SNP处理时缓解作用最佳;NR和GOGAT活性可作为NO缓解盐胁迫的评价指标。     

长期不同施氮水平对草原植物群落结构的影响

为探讨施氮对贝加尔针茅草原植物群落结构的影响,该研究于内蒙古贝加尔针茅草原设置不同施氮水平0(N0)、15(N15)、30(N30)、50(N50)、100(N100)、150(N150)、200(N200)和300(N300)kg·hm-2·a-1,研究连续施氮9年后贝加尔针茅草原群落物种组成、重要值、多样性及生物量等指标对不同施氮水平的响应。结果表明:(1)长期施氮导致植物群落物种组成发生了明显的变化,在高浓度氮素添加量下群落物种数最低,但可显著提高优势种在群落中的重要值(P<0.05)。(2)长期施氮使贝加尔针茅草原植物多样性指数不同程度地降低,使优势度指数增加,其中N300添加水平效果最为明显(P<0.05)。(3)长期施氮使草原植被生产力(地上、地下生物量)整体呈先上升后下降的趋势,地上生物量在N100水平时出现峰值,地下生物量在N50水平时出现最大值(P<0.05),且根系分布具有明显的表聚特征(0~10 cm)。(4)RDA分析表明,寸草苔和狭叶柴胡地上生物量与土壤pH呈显著正相关关系(P<0.05);展枝唐松草和二裂委陵菜地上生物量与土壤有机质含量呈显著正相关关系(P<0.05)。研究认为,长期不同施氮水平均可改变贝加尔针茅草原群落物种组成,降低物种多样性,对植物群落结构有着明显的影响。     

短时高温对绿豆象各虫态生长发育的影响

【目的】为明确短时高温对绿豆象Callosobruchus chinensis (L.)各虫态及其后虫态生长发育与繁殖能力的影响。【方法】以27℃饲养的绿豆象为对照,在30、33、36、39、42和45℃条件下分别对绿豆象卵、幼虫、蛹和成虫进行3 h的短时高温处理。【结果】短时高温对绿豆象卵的孵化率、幼虫的化蛹率和蛹的羽化率均有显著影响,但对卵和幼虫的后续发育影响不显著;幼虫耐高温的能力最强,经短时高温处理后化蛹率均在90%以上;蛹经45℃短时高温处理后虽表现出较高的羽化率,但羽化后成虫的寿命和产卵量均显著降低。卵期、幼虫期和成虫期绿豆象对短时高温的耐受性均有性别差异,其中,卵期和蛹期雄虫耐热性强于雌虫,成虫期雌虫强于雄虫。短时高温处理对绿豆象成虫的繁殖能力影响显著,经45℃处理后成虫的产卵量为32.30粒/头,显著低于对照。【结论】39℃以上的短时高温对绿豆象处理虫态及雌雄性别比有明显的影响,对其后虫态发育的影响仅见高温处理蛹后导致成虫繁殖能力下降。     

异养硝化-好氧反硝化菌脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展

水体氮素污染日益严重,如何经济、高效地去除水体氮素已成为研究热点。近年来,研究人员已从不同环境中分离到许多同时具有异养硝化和好氧反硝化功能的菌株,此类菌生长迅速,可在好氧条件下同时实现硝化和反硝化的过程,并可用于脱除有机污染物,是一类应用潜力巨大的脱氮菌。目前,异养硝化-好氧反硝化菌的脱氮途径和机制主要是通过测定氮循环中间产物或终产物、测定相关酶活性、注释部分氮循环相关基因及参考自养硝化菌和缺氧反硝化菌的氮循环途径等进行研究,其完整的氮素转化途径和氮代谢机制还需要进一步明确。总结了目前异养硝化-好养反硝化菌的脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展,以期为异养硝化-好氧反硝化菌的理论研究及其在污水脱氮处理上的应用提供参考。     

模拟氮沉降对长白山岳桦林下草本植物和土壤肥力的短期影响

选取长白山岳桦林中的岳桦-蟹甲草群落（Comm.Betula ermanii-Parasenecio forrestii）、岳桦-藜芦群落（Comm.Betula ermanii-Veratrum nigrum）和岳桦-小叶章群落（Comm.Betula ermanii-Deyeuxia purpurea）开展野外模拟氮沉降实验,采用野外原位模拟实验方法,设置对照（0 kg·hm^-2·a^-1）、低氮（30 kg·hm^-2·a^-1）、中氮（50 kg·hm^-2·a^-1）和高氮（100 kg·hm^-2·a^-1）4个氮处理水平,测定草本植物生长状况和土壤肥力,研究岳桦林下草本层植物和土壤肥力对氮沉降的短期响应。结果显示：（1）岳桦林下草本植物随氮沉降量的增加而加速生长,小叶章对氮沉降的响应较为敏感,藜芦次之,蟹甲草最弱;（2）氮添加造成林下土壤肥力发生变化,有机质含量下降,特别是岳桦-小叶章群落下的土壤有机质含量下降最明显;土壤总氮和速效氮含量增大,岳桦-蟹甲草群落下的土壤总氮和速效氮增加最多;土壤总磷和速效磷含量减小,岳桦-小叶章群落下的土壤总磷和速效磷含量的减少最多。本研究结果表明氮添加在短期内会促进长白山岳桦林下草本植物生长,尤其是小叶章的生长,加快土壤有机质的分解和磷的释放,逐步改变土壤肥力并反馈给植物,促使其进一步变化。     

深海沉积物高效脱氮菌筛选分离及其脱氮特性研究

【背景】深海海域具有高压、低温、无光等环境条件,蕴含着丰富而独特的微生物资源。【目的】从深海沉积物中定向分离、筛选脱氮效率高的好氧脱氮菌株资源,并揭示其脱氮特性,为开发水体脱氮微生物技术提供物质基础。【方法】以东太平洋、南大西洋、西南印度洋共10个站位的深海沉积物为研究材料,在28°C下使用无机氮源连续进行两轮富集培养,然后定性筛选可以脱除氨氮、亚硝态氮和硝态氮的菌株,并通过形态学和16S rRNA基因序列分析进行初步分类鉴定;对优选得到的功能菌株,分别采用以氨氮、亚硝态氮、硝态氮为唯一氮源的培养基定量研究其生长和脱氮性能。【结果】从10份大洋深海沉积物样品中共分离得到49株好氧反硝化菌,其中3株在有氧条件下反硝化效率较高,分别命名为Pseudomonassp.G111、Pseudomonassp.G112和Dietziamaris W023a,其中菌株G111和G112与模式菌株博岑假单胞菌Pseudomonas bauzanensis BZ93T的16S rRNA基因序列相似度为99.2%,菌株W023a与模式菌株海洋迪茨氏菌DietziamarisATCC35013T的16SrRNA基因序列相似度为99.9%。菌株G111、G112和W023a培养48h后,对氨氮的脱除率分别为98.0%、85.2%和97.6%;对亚硝态氮的脱除率分别为71.9%、67.5%和34.7%;对硝态氮的脱除率分别为66.0%、52.6%和56.3%。菌株G111、G112和W023a均为异养硝化-好氧反硝化菌,可通过好氧反硝化作用将亚硝态氮和硝态氮还原为含氮气体,也可通过异养硝化-好氧反硝化作用将氨氮转化为含氮气体。【结论】从深海沉积物中分离筛选得到3株高效好氧反硝化菌,所获得的菌株在水体净化、污水处理、生态系统修复等领域具有应用潜力。     

含氮有机物在污水处理过程中的生物转化机制与模型研究进展

随着市政污水处理厂的提标改造,出水总氮浓度逐渐降低,但溶解性有机氮(Dissolved Organic Nitrogen,DON)在总氮中的占比却越来越高,对含氮消毒副产物的生成和受纳水体富营养化的潜在贡献不可忽视。正因如此,近年来有关污水处理系统中DON的研究不断增加。本文重点综述了污水处理厂DON特征、生成转化规律及其生态影响。目前通过混凝沉淀、消毒等物理化学工艺的联合最高可去除70%左右的进水DON,但生物处理单元的微生物代谢活动会生成新的DON,主要包括氨基酸、聚胺等,其藻类生物可利用性较高。在已有DON模型基础上,本文提出了更加完善的ASM3-DON模型,纳入了包括内源呼吸、细胞生长、微生物产物再利用在内的6个过程,可用于对DON生成转化进行更加精确的模拟。未来围绕污水处理过程的DON研究应重点关注DON的快速精确定量分析、生成转化规律探究以及高效去除方法开发。