降水和氮沉降增加对草地土壤微生物与酶活性的影响研究进展

降雨格局改变和区域氮沉降增加是近年来全球变化研究中的热点问题,而草地生态系统分布十分广泛,且大多位于生态脆弱带,易受到全球变化的干扰而失衡。土壤微生物及土壤酶活性是自然生态系统中土壤质量变化的敏感性指标,微生物与酶活性的变化可用来监测水、氮变化大背景下草地生态系统结构和功能的改变。基于此,综述了降雨格局改变和氮沉降增加及其双因子交互作用对草地土壤系统中微生物数量、微生物生物量、微生物多样性与酶活性变化影响的相关研究进展,为更好地预测评估并最终调控和保持草地生态系统稳定性提供科学依据,同时分析阐述了当前工作中存在的一些问题与不足,并对未来研究所面临的关键科学问题进行了探讨和展望。     

恩诺沙星对土壤微生物群落功能多样性的影响

为了评价恩诺沙星(enrofloxacin)对土壤微生物群落的影响,借助BIOLOG检测法比较了不同浓度恩诺沙星影响下的土壤微生物的群落特征。结果表明,各添加药物组与空白对照组的土壤微生物群落代谢多样性差异显著(P<0.05),空白对照组土壤微生物在BIOLOG微平板上的平均每孔颜色变化率(AWCD)和微生物代谢多样性指数(丰富度和多样性)显著高于添加药物组;药物显著影响微生物群落对BIOLOG微平板中碳源的利用能力,较低浓度的恩诺沙星(0.01μg/g)就显著影响了土壤微生物群落对α-Ketobutyric Acid、L-Phenylalanine、1-Erythritol、D-Xylose等碳源的利用代谢能力(P<0.05),且土壤微生物群落利用各类碳源的能力随药物浓度加大而降低。由此可见,恩诺沙星在土壤中残留时对土壤微生物的影响不容忽视。     

玉米间作和施氮对土壤微生物代谢功能多样性的影响

微生物功能多样性是土壤健康的重要指标,在多种生物地球化学过程中发挥关键作用.本研究基于多年田间小区定位试验,设置间作和单作2种种植模式和4个施氮水平(N0,0 kg·hm-2;N125,125 kg·hm-2;N250,250 kg·hm-2;N375,375 kg·hm-2),采用 Biolog-Eco微平板法,分析...     

模拟氮沉降对土壤酶活性和微生物组成的影响

氮沉降改变了草地生态系统的氮(N)素循环过程,由此带来的生态学效应已成为当前研究的热点。以乌鲁木齐周边短期围封草地为研究对象,通过模拟氮沉降实验,分析了自由放牧地和围封草地土壤酶活性和微生物组成,结合土壤养分及化学计量特征,探讨了氮沉降对短期围封草地土壤微生物组成及酶活性的影响,为该地区放牧草地的保护、恢复及管理提供理论依据。结果表明:(1)土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)含量随围封年限的增加总体呈升高趋势,表明围封有利于提高土壤养分含量。与中国草地平均值相比,该草地土壤碳氮比(C/N)相对较高,碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)相对较低,表明该草地土壤有机质分解良好,有利于土壤碳(C)、磷(P)的释放,而土壤N素较为缺乏。(2)就不同围封年限而言,围封3年草地5-20cm层土壤真菌数量高于其它样地;围封3年草地表层土壤蔗糖酶与过氧化氢酶活性最高;围封7年草地放线菌数量最多,说明围封能够促进土壤微生物生长及酶活性的提高。(3)氮素添加对土壤真菌具有抑制作用,N5(4.6gN m^-2 a^-1)、N10(9.8gN m^-2 a^-1)处理显著增加了各样地土壤细菌数量,氮素添加对围封7年草地0-10cm层土壤放线菌无显著影响,而氮沉降显著增加了其它样地5-20cm层土壤放线菌数量,其中N5、N10处理下促进作用最明显;氮素添加对该草地土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶均具有促进作用,N5、N10处理促进作用最明显。综合分析表明,氮沉降可直接或间接影响土壤微生物及酶活性,短期围封作为一种草地管理手段,对退化草地生态系统的修复具有一定作用,并可通过改善土壤理化性质、调节养分含量及其化学计量比来加速退化草地的恢复。     

氮磷添加和栽植密度对大叶相思林土壤微生物群落功能多样性的影响

土壤微生物群落是土壤质量潜在的生态指标,在维持生态系统功能和服务中起着关键的作用。采用Biolog-ECO微平板法,探讨氮磷添加与不同栽植密度交互对大叶相思林(Acacia auriculiformis)土壤微生物功能多样性的影响,以便为建立合理的林分密度和氮磷施肥模式,提高土壤质量提供理论参考。以大叶相思林为研究对象,选择氯化铵(NH4Cl)作为氮肥模拟大气氮沉降,用二水合磷酸二氢钠(NaH2PO4·2H2O)进行磷添加。氮磷处理设置4个水平,即CK、施N、施P和施N+P。种植密度设置4个水平,即1667、2500、4444、10000株/hm²(分别以低密度、中密度、较高密度、高密度表示)。研究结果表明,施P显著提高了4个密度大叶相思林土壤微生物的AWCD值、碳源利用丰富度指数、McIntosh指数、Shannon指数和Simpson指数,而施N和N+P则相反。随着林分密度的减小,各处理的土壤微生物AWCD值趋于减少。通常低密度林分的土壤微生物的丰富度指数、Shannon-Wiener指数、McIntosh指数和Simpson指数较小。     

降水变化对红松阔叶林土壤微生物功能多样性的影响

红松阔叶林生态系统是中国东北地带性顶级植被,具有重要的生态学意义;长白山是研究温带森林对大气降水变化正负反馈的理想地带。以长白山红松阔叶林0—5cm、5—10cm表层土和红松根际土为研究对象,基于Biolog生态平板法,分析了不同降水量条件下土壤微生物功能多样性的变化规律及机制。结果表明,平均颜色变化率(Average well color development,AWCD)随培养时间的延长而增加,在培养初期的表现为降水减少30%样地降水增加30%对照样地,培养的末期,AWCD值的变化没有表现出明显的规律性。各降水量条件下根际土土壤微生物的AWCD值均高于表层土。Shannon多样性指数、Simpson优势度指数和McIntosh均匀度指数在不同降水量样地间均未表现出显著的差异,即降水量增减30%的情况下,未对红松林表层土和红松根际土的微生物功能多样性产生显著影响。土壤微生物利用率最高的碳源是氨基类,其次是碳水类和多聚类,其中氨基类和碳水类也是不同降水条件下微生物功能多样性表现出异质性的主要碳源。     

猫儿山常绿阔叶林不同土层土壤微生物群落功能多样性

运用BIOLOG 技术研究了猫儿山亚热带常绿阔叶林不同土层深度的土壤微生物群落功能多样性。结果表明不同土层深度的土壤微生物群落功能多样性差异显著。土壤颜色变化率(AWCD)随培养时间延长而逐渐增加, 但AWCD值随着土层的加深而逐渐降低。不同土层土壤微生物对6 类碳源的利用能力基本一致, 排序为: 氨基酸类＞酯类＞胺类＞酸类＞醇类＞碳水化合物类, 随着土壤深度的加深, 微生物利用各类碳源的能力呈下降趋势, 氨基酸类、酯类和胺类为不同土层土壤微生物的主要碳源。土壤微生物群落Shannon-Weinner 指数、丰富度指数和均匀度指数也随着土壤深度的加深呈下降趋势。主成分分析结果表明, 从31 个因素中提取的与碳源利用相关的主成分1、主成分2 分别能解释总变异的33.32%和23.14%, 在主成分分析中起主要贡献作用的是碳水化合物类、酯类和胺类碳源。土壤理化性质与土壤微生物群落功能多样性的相关性分析结果表明, 总有机碳、速效氮、速效磷和速效钾是造成不同土层土壤微生物群落多样性差异的主要原因。     

降水和氮沉降增加对草地土壤酶活性的影响

为探究降水和氮沉降增加对草地生态系统土壤酶活性的影响,于2014年生长季在内蒙古温带典型羊草草原开展了野外原位控制实验。试验共设置降水(对照,W0,自然降水;W15,增加15%的年均降水量)、施氮(对照,CK,0 kg N hm~(-2)a~(-1);低氮,LN,25 kg N hm~(-2)a~(-1);中氮,MN,50 kg N hm~(-2)a~(-1);高氮,HN,100 kg N hm~(-2)a~(-1))及其交互作用等8个不同的处理水平来模拟降水和氮沉降增加的全球变化情景,分别定量探讨了不同水、氮添加条件下草地表层土壤中与氮循环相关的蛋白酶,脲酶,硝酸还原酶,亚硝酸还原酶活性的月动态变化及其与土壤理化性质之间的相关性。研究结果表明:在自然降水条件下,不同施氮水平蛋白酶、脲酶和硝酸还原酶活性无显著差异,亚硝酸还原酶活性相比于对照显著降低;在增加降水条件下,不同施氮水平对蛋白酶和硝酸还原酶活性未产生显著性影响,高氮水平显著降低脲酶和亚硝酸还原酶活性。不同施氮水平是否添加降水对亚硝酸还原酶活性无影响,而增添降水使低氮处理的蛋白酶活性和中、高氮处理水平的硝酸还原酶活性增加、高氮处理的脲酶活性降低。降水在影响蛋白酶和硝酸还原酶活性方面具有主效应,氮沉降在影响亚硝酸还原酶活性方面具有主效应,而降水和施氮处理未表现出明显地交互作用。土壤亚硝酸还原酶活性与土壤碳氮比和NH~+_4-N含量极显著正相关,与NO-3-N含量显著正相关。     

施氮水平对蚕豆枯萎病和根际微生物代谢功能多样性的影响

研究不同氮肥用量对蚕豆根际微生物功能多样性的影响及其与蚕豆枯萎病发生的关系.通过田间小区试验,采用Biolog微平板分析法研究了4个施氮水平N₀(0 kg·hm-2)、N₁(56.25 kg·hm^-2)、N₂(112.5 kg·hm^-2)和N₃(168.75 kg·hm^-2)对蚕豆枯萎病危害和根际微生物代谢功能多样性的影响.结果表明： 施氮(N₁、N₂、N₃)处理显著降低了蚕豆枯萎病的病情指数和根际镰刀菌的数量,显著增加了蚕豆根际的细菌、放线菌数量、细菌/真菌和放线菌/真菌.其中N₂处理蚕豆枯萎病病情指数和镰刀菌数量最低,而细菌、放线菌数量、细菌/真菌和放线菌/真菌最高.与N₀处理相比,N₁、N₂、N₃处理均提高了根际微生物群落碳源利用率(AWCD),但对6类碳源的利用存在一定的差异.不同施氮水平下根际微生物群落对糖类、羧酸类和氨基酸类碳源利用程度较高.主成分分析表明,施氮明显改变了蚕豆根际微生物群落结构,糖类、羧酸类和氨基酸类碳源是区分施氮导致土壤微生物群落变化的敏感碳源.施氮抑制了根际微生物对部分糖类和羧酸类碳源的利用,而提高了对氨基酸和酚酸类碳源的利用,这可能是施氮减轻蚕豆枯萎病危害的重要原因之一.适量施氮能增加根际细菌、放线菌数量,改变微生物代谢功能,降低病原菌数量,是抑制蚕豆枯萎病发生的有效措施.     

古尔班通古特沙漠土壤酶活性和微生物量氮对模拟氮沉降的响应

本文以新疆古尔班通古特沙漠为研究区,原位设定0 (N0)、0.5 (N0.5)、1.0 (N1)、3.0 (N3)、6.0 (N6)和24.0 (N24) g N m?2 a-1 6个模拟施氮浓度,研究氮沉降对土壤酶活性和微生物量N的影响。结果表明：不同浓度的氮增加未改变土壤酶活性和微生物量N原有的垂直分布格局,0 ~ 5 cm土层土壤多酚氧化酶和过氧化物酶活性分别比5 ~ 10 cm土层低11.5 ~ 29.1%和1.4 ~ 14.2%,而该土层的蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性和微生物量N则分别比5 ~ 10 cm土层高4.3 ~ 98.1%、45.3 ~ 119.0%、76.1 ~ 138.1%和77.5 ~ 162.3%。氮增加后,0 ~ 5 cm土层的土壤酶活性和微生物量N比5 ~ 10 cm土层受影响更大。低氮和中氮(N0.5～N3)增加对0 ~ 5 cm土层氧化酶活性影响较小,各处理间差异不显著;高氮(N6,N24)对该层氧化酶活性有明显抑制作用。与对照相比,N24处理下土壤多酚氧化物活性和过氧化物酶活性分别降低了22.4%和12.1%;5 ~ 10 cm土层氧化酶活性对氮增加响应不敏感,各施氮量之间差异不显著;两层土壤的蔗糖酶和碱性磷酸酶活性随氮的增加具有先增加再减少的趋势,而两层土壤的脲酶活性和土壤微生物量N随着施氮量增加分别降低和增加;随着土壤酶活性变化,土壤有效氮和微生物量N增加,有效磷先增加后减少。这些响应表明,氮增加可以改变该荒漠土壤系统的土壤酶活性和微生物量并影响土壤相关营养元素循环。     

氮沉降对热带亚热带森林土壤氮循环微生物过程的影响研究进展

近年来,高速的城市化和工业化建设导致全球大气氮沉降量逐年递增,其中热带亚热带地区氮沉降量显著高于全球平均水平,而大部分热带亚热带森林土壤趋近氮饱和状态,氮沉降增加将持续向土壤输入外源活性氮,极易导致土壤氮过剩,进而破环整个森林生态系统氮循环的平衡。我国热带亚热带地区经济发展快速,氮沉降增加导致的土壤养分失衡和林地退化等生态问题日益凸显,森林土壤氮循环对大气氮沉降的响应及适应机制已引起了学术界的广泛关注。研究表明氮循环各环节均由特定的功能微生物驱动完成,明确氮沉降增加对热带亚热带森林土壤氮循环功能微生物及其介导的关键过程的影响,对评价未来氮沉降增加背景下全球森林土壤氮循环的响应及驱动机制有重要作用,可为促进我国热带亚热带地区森林修复、生态环境的改善与提升提供科学支撑。鉴于此,本文综述了热带亚热带森林土壤氮循环主要过程（如固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化等）及其功能微生物群落丰度、活性、组成等对氮沉降增加的响应,同时分析了这些功能微生物的群落特征与主要环境因子（如NH₄⁺、NO₃^-、有机碳、pH、含水量等）的关联性。在此基础上探讨了氮沉降增加下功能微生物对热带亚热带森林土壤氮循环的调控作用,重点探讨了功能微生物如何通过改变丰度与群落组成而影响氮循环过程,并对目前研究中存在的主要问题与未来研究重点进行了简要剖析。     

杀虫剂类POPs对土壤中微生物群落多样性的影响

农药类持久性有机污染物(POPs)如DDT和HCH在我国2 0世纪5 0年代到80年代曾广泛使用,在停止使用2 0 a后,在土壤中仍然可以检测到DDT和HCH的残留。利用BIOL OG微平板研究土壤微生物群落功能多样性,意在反映有机氯杀虫剂类POPs对土壤微生物群落多样性的影响。结果表明,加了HCH后土壤微生物群落的颜色平均变化值(AWCD)的变化速度和最终能达到的AWCD值要高于空白土壤,并且随着农药浓度的加大,AWCD值的变化速率也越来越快,最终能达到的最大值也呈比例增大。加了DDT后的土壤与空白土壤的AWCD变化速度和程度相差不大。方差分析结果表明:空白土壤、HCH0 .5mg/kg、HCH1.5 mg/kg各处理间土壤的AWCD值有显著性差异(p<0 .0 1) ,空白土壤、DDT0 .5 m g/kg、DDT1.5 m g/kg各处理间土壤的AWCD值达不到显著性差异的水平(p>0 .0 5 ) ,表层土壤的AWCD值要高于第2层土壤(p<0 .0 1)。从多样性指数的变化来看,当加入到土壤中的DDT和HCH含量稍低时,微生物会利用农药为碳源进行分解作用,从而刺激了微生物的生长,这时表现出丰富度、均匀性和多样性都呈增长趋势。但当农药的浓度进一步加大时,反而会抑制某些种的微生物生长,另外一些种则对加入到土壤中的农药有一定的耐受性,从而表现出群落的均匀性下降,而丰富度升高。在相同施用浓     

农业土壤微生物基因与群落多样性研究进展

介绍了群落基因组多样性、结构多样性与功能多样性相互关系的研究方法 ,重点论述了近年来农业土壤微生物群落遗传、结构与功能多样性的研究进展。同时总结了耕作措施和养分管理对农业土壤微生物群落多样性的影响 ,提出微生物序列分析、比较基因组学和微生物芯片技术与传统研究技术结合将有助于对微生物群落结构与功能和生物与环境因素对土壤微生物群落影响的深刻理解     

臭氧浓度升高对盆栽小麦根系和土壤微生物功能的影响

模拟研究了臭氧浓度升高（日变化熏蒸方式）对小麦根系和土壤微生物活性的影响。实验分3个处理,即空气对照（CF,臭氧浓度约4～10nl·L^-1）,臭氧浓度Ⅰ（OⅠ,8h平均75nl·L^-1）,臭氧浓度Ⅱ（OⅡ,8h平均110nl·L^-1）。结果表明,臭氧浓度升高后小麦茎叶、根系生物量以及根冠比都会降低,根系活力更是显著低于空气对照,可见臭氧对植物地下部分的影响是显著的。与对照相比,低浓度O3（75nl·L^-1）对根际土和非根际土的微生物生物量碳没有什么影响;而较高的O3浓度（110nl·L^-1）会造成根际土微生物生物量碳降低9．3％,非根际土微生物生物量碳降低5．3％,说明高浓度臭氧抑制土壤微生物的量。臭氧浓度升高后小麦根际土壤微生物利用单一碳源的能力（AWCD）都明显低于对照;低浓度的臭氧对土壤微生物的多样性指数和丰富度指数都没有显著影响,而浓度较高的臭氧则显著降低了根际土微生物的多样性指数,而对丰富度指数没有显著影响,且也没有发现O3浓度升高对非根际土微生物的影响。可见,臭氧主要影响根际土壤微生物而对非根际土壤微生物影响不大,且只有在高浓度的臭氧处理下才会显著降低根际土壤微生物的多样性指数。     

Loss in microbial diversity affects nitrogen cycling in soil

Microbial communities have a central role in ecosystem processes by driving the Earth''s biogeochemical cycles. However, the importance of microbial diversity for ecosystem functioning is still debated. Here, we experimentally manipulated the soil microbial community using a dilution approach to analyze the functional consequences of diversity loss. A trait-centered approach was embraced using the denitrifiers as model guild due to their role in nitrogen cycling, a major ecosystem service. How various diversity metrics related to richness, eveness and phylogenetic diversity of the soil denitrifier community were affected by the removal experiment was assessed by 454 sequencing. As expected, the diversity metrics indicated a decrease in diversity in the 1/10³ and 1/10⁵ dilution treatments compared with the undiluted one. However, the extent of dilution and the corresponding reduction in diversity were not commensurate, as a dilution of five orders of magnitude resulted in a 75% decrease in estimated richness. This reduction in denitrifier diversity resulted in a significantly lower potential denitrification activity in soil of up to 4–5 folds. Addition of wheat residues significantly increased differences in potential denitrification between diversity levels, indicating that the resource level can influence the shape of the microbial diversity–functioning relationship. This study shows that microbial diversity loss can alter terrestrial ecosystem processes, which suggests that the importance of functional redundancy in soil microbial communities has been overstated.     

家畜粪便堆肥对番茄青枯病、土壤酶活性及土壤微生物功能多样性的影响

合理施用堆肥能够有效地改善植物的生长条件和土壤的生态环境,从而提高植物对病害的抗性。通过盆栽实验,研究了家畜堆肥浸渍液及堆肥混土对番茄青枯病的防治效果及其对土壤酶活性和土壤微生物功能多样性的影响。结果表明,家畜堆肥浸渍液及堆肥混土均对番茄青枯病有一定防治效果,以体积分数1∶1、1∶3的浸渍液处理和质量分数10%的堆肥混土处理效果较好,分别降低病情指数69.4%,31.5%和13.0%。而且浸渍液处理效果优于堆肥混土处理,浓度越高抗病效果越明显。堆肥混土处理可提高土壤脲酶活性,对蔗糖酶和过氧化氢酶活性影响不大;1∶1堆肥浸渍液处理能显著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性。基于BIOLOG方法的土壤微生物群落功能研究表明,两种堆肥处理的平均每孔变化率(AWCD)值、Shannon多样性指数、Simpson多样性指数均较对照减小,而对于Alatalo均匀度指数则没有显著影响。不同堆肥处理间微生物碳源利用存在较大差异,堆肥混土处理的主要碳源是糖类和羧酸类物质,而浸渍液处理则是糖类和氨基酸类物质。通过主成分分析得到的堆肥处理聚类结果与各种处理的抗病性强弱分类情况相吻合,且与AWCD值、Shannon多样性指数、Simpson多样性指数的强弱分类也大致吻合。研究表明,施用家畜粪便堆肥主要通过改变土壤微生物群落多样性和土壤酶活性,提高番茄植株的抗病性。