典型黑土区农田土壤线虫群落的纬度分布格局及其驱动机制

东北黑土区是保障我国粮食安全的重要土壤资源, 了解该区域内农田土壤线虫的群落组成及其对环境驱动因子的响应机制, 对于研究黑土区农田土壤生态系统的生物多样性分布格局具有重要意义。2018年9月, 我们在42°50°‒49°08° N的典型黑土区采集了93个农田土壤样品, 利用形态学鉴定技术分析了土壤线虫群落的组成与结构。共鉴定出47个线虫属(相对丰度 > 1%), 其中食细菌线虫中的拟丽突属(Acrobeloides)是典型黑土区农田土壤中的优势属(相对丰度 > 5%)。土壤线虫总丰富度和总多度均随纬度增加而显著增加, 然而类似的变化趋势只出现在食细菌和杂食/捕食线虫中。土壤有机碳是影响土壤线虫丰富度和多度最为重要的环境因子, 其次是月平均温度。典型黑土区农田土壤线虫群落结构以47° N为分界线分为南部和北部两类, 主要归因于线虫群落中植物寄生和杂食/捕食线虫的相对多度在南、北特征属中存在差异。土壤pH值和容重分别是影响南部与北部黑土区线虫群落最重要的环境因子。本研究明确了典型黑土区农田土壤线虫群落的纬度分布格局及其与环境因素的关系, 可为揭示农业活动干扰下土壤生物对环境因子的响应机制提供基础数据和理论参考。     

保护性耕作对东北黑土微生物碳循环功能基因的影响

土壤微生物既参与土壤有机碳的分解也是土壤有机碳转化和固定的驱动者,是影响土壤碳循环和有机碳稳定性的关键因素。然而,保护性耕作（秸秆还田）如何通过调节土壤微生物碳循环功能基因组成来影响土壤CO₂释放的机理尚不明确。因此,依托中国科学院东北地理与农业生态研究所长春保护性耕作观测站,借助鸟枪法宏基因组测序技术,分析了玉米连作系统不同耕作方式（免耕（NT）、秋翻（MP）以及常规耕作（CT））对土壤CO₂释放速率、碳水化合物活性酶（CAZy）、碳循环功能基因（碳固定、甲烷代谢以及碳水化合物代谢）组成的影响。研究表明：基于生长季节土壤CO₂释放速率6年平均值分析发现,生长季前期免耕土壤的平均CO₂释放速率显著低于秋翻和常规耕作,分别比秋翻低28%（5月份）、11%（6月份）和23%（7月份）;比常规耕作低31%（5月份）、19%（6月份）和7%（7月份）。基于CAZy数据库注释结果,发现耕作处理显著影响一些糖苷水解酶（如GH102、GH5_38和GH13_17）、糖基转移酶（如GT39）和多糖裂解酶（如PL17和PL5_1）的基因丰度,与常规耕作相比,秸秆还田的免耕和秋翻处理的这些差异基因的相对丰度较高。基于京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库注释结果,发现耕作方式显著影响土壤碳循环功能基因组成（Adonis,多元方差分析,R²=0.45;P=0.006）,且免耕处理土壤的碳固定、甲烷代谢以及碳水化合物代谢功能基因组成不同于常规耕作和秋翻处理,单独聚为一类。免耕土壤上调的碳固定功能基因的相对丰度（所有上调功能基因相对丰度的平均值）分别比常规耕作和秋翻高17%和11%,而下调的2个功能基因（K01007和K00170）的丰度分别低19%（CT）、21%（MP）和14%（CT）、17%（MP）。免耕土壤上调的甲烷代谢基因相对丰度分别较常规耕作和秋翻高15%和10%;下调基因的丰度分别低13%（CT）和11%（MP）。免耕土壤上调的碳水化合物代谢功能基因丰度较常规耕作和秋翻高23%和14%;下调的基因丰度分别低25%（CT）和18%（MP）。冗余分析（db-RDA）表明土壤容重及土壤水溶性有机碳（DOC）是驱动土壤碳循环功能基因组成差异的主要因子（P<0.05）,且免耕土壤上调的碳固定功能基因（K00625、K01676、K09709、K00925和K14470等）、甲烷代谢基因（K03520、K00830、K10713、K15633和K00625等）和碳水化合物代谢功能基因（K00886、K00830、K01676、K00117和K00114等）与土壤DOC、容重或含水量呈显著正相关。此外,研究发现土壤CO₂释放速率与土壤碳循环功能基因组成显著相关（R²=0.80;P<0.01）,尤其是与一些碳水化合物代谢功能基因显著相关。这些结果说明免耕处理通过影响土壤理化性质改变土壤碳循环过程,且推断免耕秸秆还田和减少干扰的叠加效应通过调节碳循环功能基因组成来提高土壤固碳潜力。     

耕作方式对黑土表层土壤微生物生物量碳的影响

以保护性耕作13年田间定位试验玉米-大豆轮作黑土为研究对象,探讨了玉米不同生长期(2013年6月至次年4月)0~5、5~10和10~20 cm土层土壤微生物生物量碳(MBC)对耕作方式响应的动态变化.土壤MBC含量采用氯仿熏蒸法测定.结果表明:土壤MBC含量受时间和土层影响显著.免耕和垄作下土壤MBC含量表现为4月最低,各土层最高值多出现在8月,而秋翻各土层土壤MBC含量也表现为4月最低,但最高值出现在6月.同一采样时间下,耕作方式仅显著影响表层0~5 cm的MBC含量,免耕和垄作下土壤MBC含量出现明显的分层现象,表现为在表层0~5 cm富集.各采样时间下免耕和垄作土壤层化率(0~5 cm/10~20 cm)均显著高于秋翻,9月的土壤层化率增幅最大,为67.8%和95.5%.综上,时间和土层显著影响土壤MBC,而耕作方式主要影响表层土壤MBC的积累与分布.免耕和垄作下表层土壤MBC的积累明显.     

长期免耕对黑土氮磷硫循环微生物功能潜力的影响

探究不同耕作方式对黑土氮(N)、磷(P)、硫(S)循环功能微生物丰度及组成的影响,对黑土可持续利用具有重要意义。本研究基于吉林省长春市为期8年的定位试验,对免耕(NT)和传统耕作(CT)下不同土层黑土N、P、S循环功能微生物丰度和组成及其驱动因素进行分析。结果表明：与CT相比,NT显著增加了0～20 cm土层土壤含水量(WC)和微生物生物量碳(MBC)。NT显著增加了0～20 cm土层与N、P和S循环功能相关的编码基因丰度：包括编码氧化亚氮还原酶基因nosZ、固氮酶基因nifH和脲酶基因ureC的丰度,有机磷矿化过程关键基因phnK和phoD、编码吡咯喹啉醌合成酶基因ppqC和外切多聚磷酸酯酶基因ppX的丰度,以及硫氧化过程关键基因soxY和yedZ的丰度。方差分解分析和冗余分析结果表明,土壤基本特性是N、P、S循环功能微生物组成的主要影响因素(总解释率为28.1%),并且耕作方式导致的土壤MBC和WC变化是黑土N、P、S循环微生物功能潜力最主要的驱动因子。综上,长期免耕可通过影响土壤环境间接增加土壤特定微生物功能基因丰度,本研究从分子生物学角度阐明免耕可以作为改善土壤健康和维持农业绿...     

玉米和大豆秸秆还田初期对黑土CO2排放的影响

通过恒温培养试验,研究了不同类型秸秆还田后的土壤CO₂排放特征及其与秸秆C、N含量的关系,以明晰黑土区不同类型秸秆还田后的分解特征,探明还田秸秆的C、N含量对固碳效果的影响.结果表明： 在61 d的培养试验中,土壤CO₂排放速率随时间呈现出“下降 稳定 增大(出现‘较高值’) 下降”的过程.不同类型秸秆还田后土壤CO2排放速率随时间变化的特征存在明显差异,主要体现在“较高值”出现和持续的时间不同.秸秆类型对土壤CO₂累积排放量具有显著影响,前21 d和前61 d的土壤CO2累积排放量对秸秆添加的响应不同.在前21 d,玉米根、玉米茎下部、玉米叶、大豆叶的CO₂累积排放量(约160 μmol·g^-1)显著大于其他秸秆;而除大豆叶外,大豆秸秆61 d的CO₂累积排放量均比玉米秸秆大.前21 d CO₂累积排放量与秸秆含碳量的比值(CR)和秸秆的C/N、含氮量之间均呈显著的线性相关;而61 d的CO₂累积排放量与秸秆的C、N含量之间不存在线性关系.综上,在还田条件下,秸秆类型对土壤CO₂的排放有明显影响;大豆秸秆比玉米秸秆容易分解,但与长时间分解不同,大豆秸秆还田最初阶段的分解速率小于玉米秸秆;秸秆的C/N、含氮量只对还田最初阶段的土壤CO₂排放有较大影响.     

降水格局对北方温带草原土壤微食物网结构的影响

全球气候变化背景下, 降水格局发生改变, 呈现降水总量不变, 但降水强度增加、降水频率降低的趋势, 影响了地下生态系统的结构和功能。土壤微食物网作为地下生态系统的重要组成部分, 在驱动生态系统多功能性方面起着重要作用。降水格局的变化能够通过土壤微食物网的改变对生态系统产生影响。然而, 以往研究多关注于降水量的变化对微食物网的影响, 降水格局变化对其影响的研究较少。因此, 本研究在内蒙古温带草原开展连续8年的降水添加控制试验(控制降水总量不变, 降水频率及强度改变), 包括5个降水强度处理(2 mm、5 mm、10 mm、20 mm和40 mm), 通过磷脂脂肪酸法(PLFA)确定微生物含量, 高通量测序法(16S和ITS)确定微生物多样性及群落结构, 线虫形态学鉴定确定线虫群落组成及结构。结果表明在降水总量不变降水强度改变的背景下, 高降水强度(20 mm)促进了北方温带草原真菌含量的增长, 适度降水强度(10 mm)促进了微生物的多样性。而线虫的多度随着降水强度的增加而增大, 中高降水强度下线虫多样性最高。土壤微食物网的变化进一步影响了生态系统多功能性, 主要通过提高真菌生物量、食真菌线虫多度和线虫多样性, 从而提高了生态系统多功能性。     

玉米和大豆秸秆还田初期对黑土CO2排放的影响

通过恒温培养试验,研究了不同类型秸秆还田后的土壤CO₂排放特征及其与秸秆C、N含量的关系,以明晰黑土区不同类型秸秆还田后的分解特征,探明还田秸秆的C、N含量对固碳效果的影响.结果表明： 在61 d的培养试验中,土壤CO₂排放速率随时间呈现出“下降 稳定 增大(出现‘较高值’) 下降”的过程.不同类型秸秆还田后土壤CO2排放速率随时间变化的特征存在明显差异,主要体现在“较高值”出现和持续的时间不同.秸秆类型对土壤CO₂累积排放量具有显著影响,前21 d和前61 d的土壤CO2累积排放量对秸秆添加的响应不同.在前21 d,玉米根、玉米茎下部、玉米叶、大豆叶的CO₂累积排放量(约160 μmol·g^-1)显著大于其他秸秆;而除大豆叶外,大豆秸秆61 d的CO₂累积排放量均比玉米秸秆大.前21 d CO₂累积排放量与秸秆含碳量的比值(CR)和秸秆的C/N、含氮量之间均呈显著的线性相关;而61 d的CO₂累积排放量与秸秆的C、N含量之间不存在线性关系.综上,在还田条件下,秸秆类型对土壤CO₂的排放有明显影响;大豆秸秆比玉米秸秆容易分解,但与长时间分解不同,大豆秸秆还田最初阶段的分解速率小于玉米秸秆;秸秆的C/N、含氮量只对还田最初阶段的土壤CO₂排放有较大影响.