典型淹水稻田土壤微生物群落的基因转录活性及其主要生理代谢过程

【目的】利用环境转录组技术,研究复杂稻田土壤中微生物群落主要生理代谢过程的基因表达水平及其对长期施氮磷钾肥(Mineral nitrogen,phosphorus,and potassium,NPK)的响应规律。【方法】针对中国科学院常熟农田生态系统长期定位试验的NPK施肥处理和不施肥对照处理(Control check,CK)稻田土壤,淹水培养2周后提取土壤微生物总RNA进行高通量转录组测序,利用MG-RAST网络分析平台(Metagenomics Analysis Server)进行活性微生物组成分析、基因功能注释及基因功能分类。【结果】细菌是CK和NPK处理稻田土壤微生物的优势类群,占比高达95%以上,细菌中的活性基因主要源于变形菌门(Proteobacteria,占细菌的50%以上)。同时也检测到古菌、真核生物和病毒等多种微生物的活性基因,而古菌中的活性基因主要源于奇古菌门(Thaumarchaeota,约占古菌的70%)。酸杆菌门(Acidobacteria)在NPK处理土壤中的转录活性显著高于CK处理土壤,而其他的细菌及古菌类群的转录活性在CK和NPK处理土壤间无显著性差异。CK和NPK处理土壤中表达量最高的基因是ABC transporter编码基因,与物质跨膜运输紧密相关。基于COG(Clusters of Orthologous Genes)、Subsystem、KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)3种基因功能分类数据库,发现CK和NPK处理土壤中微生物的主要代谢活动均为能量产生与转化、碳水化合物代谢、蛋白代谢和氨基酸代谢,而最活跃的代谢路径为氧化磷酸化及氨酰-tRNA合成。【结论】淹水状态下CK和NPK处理稻田土壤中的活性微生物组成较为一致,仅Acidobacteria的转录活性在两者间差异较大;在微生物的主要代谢活动方面,CK和NPK处理土壤之间基本一致,均以能量获取与蛋白代谢为主,长期施用无机化肥对复杂土壤微生物群落水平的主要代谢活动影响较小。     

水稻土中CH4氧化的研究

在实验室条件下研究了水稻土中CH₄氧化的特性.结果表明,在早稻种植前采集的水稻土不能氧化大气中的CH₄,但当所供给的CH₄浓度>10μl·L^-1时,能迅速氧化CH₄,所供给的CH₄浓度越高,氧化CH₄的速度越大.经高浓度(>1000μl·L^-1)的CH₄预培养10d,可使本来不具有氧化大气CH₄能力的土壤氧化大气CH_4.大田CH₄排放通量高的水稻土,氧化CH₄的能力较大.     

长期施肥对小麦-玉米作物系统土壤颗粒有机碳和氮的影响

通过对华北平原小麦-玉米轮作农田生态系统18年田间施肥试验,研究了长期不同施肥处理对耕层(0～20 cm)土壤颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮的影响.施肥处理包括化肥NPK不同组合（NPK、NP、NK、PK）、全部施用有机肥(OM)、一半有机肥+化肥NPK(1/2OMN)及不施肥(CK)共7个处理.结果表明：各施肥处理均能在不同程度上增加土壤颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮含量,提高土壤颗粒有机碳和氮分配比例及颗粒有机质C/N.施肥处理颗粒有机碳和氮储量较不施肥处理分别增加11.7%～196.8%和13.0%～152.2%,土壤颗粒有机碳对总有机碳储量增加的贡献率为31.5%～67.3%,土壤颗粒有机氮对全氮储量增加的贡献率为14.3%～100.0%;矿质结合有机碳和氮储量较不施肥处理分别增加2.0%～75.0%和0.0%～69.8%.各处理颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮储量均以OM处理最高,且有机肥与化肥NPK配施高于单施化肥各处理,而化肥处理中NPK均衡施用效果最好.说明施用有机肥、有机肥与化肥NPK配施及化肥NPK均衡施用是增加土壤颗粒有机碳和氮及矿质结合有机碳和氮的关键.     

水稻土中CH4氧化的研究

在实验室条件下研究了水稻土中CH4氧化的特性 .结果表明 ,在早稻种植前采集的水稻土不能氧化大气中的CH4,但当所供给的CH4浓度 >1 0 μl·L- 1 时 ,能迅速氧化CH4,所供给的CH4浓度越高 ,氧化CH4的速度越大 .经高浓度 ( >1 0 0 0 μl·L- 1 )的CH4预培养 1 0d ,可使本来不具有氧化大气CH4能力的土壤氧化大气CH4.大田CH4排放通量高的水稻土 ,氧化CH4的能力较大 .