长期施肥对土壤氨氧化微生物的影响

长期施肥可改变土壤碳氮等养分供应,进而影响微生物数量与群落组成。本研究基于棕壤长期定位实验站,分析不同施肥方式下(不施肥,CK;低量无机氮肥,N₂;高量无机氮肥,N₄;有机无机氮肥配施,M₂N₂)土壤氨氧化古菌(AOA)和细菌(AOB)的变化,为土壤氮素转化的微生物学机制和培肥土壤提供依据。结果表明:不同施肥方式下,土壤AOA与AOB的数量比值为2.28～61.95。与CK相比,施肥后土壤AOA数量降低了1.6%～13.6%。N₄处理AOB数量随土壤深度增加呈先降低后升高的趋势,其他处理则相反。土壤AOB群落Shannon多样性指数、均匀度指数和Simpson指数均高于AOA。M₂N₂处理0～20 cm土层土壤AOB多样性增加,但AOA多样性降低。土壤AOB主要因土壤深度发生聚类,AOB和AOA均未因施肥方式发生聚类。综上,长期施肥改变了土壤AOA和AOB的构成状况,AOA对环境变化较为敏感,AOB较为丰富和稳定。     

长期不同施肥制度对水稻土氨氧化微生物数量和群落结构的影响

由氨氧化微生物驱动的氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,在土壤氮素循环过程中扮演着重要角色.以湖南省宁乡县长达30 a定位试验水稻土壤为研究对象,采用荧光定量PCR和Illumina MiSeq高通量测序分析方法,以amoA基因为靶标,研究了4种施肥制度[不施肥(CK)、化肥(CF)、70%化肥+30%有机肥(CFM₁)和40%化肥+60%有机肥(CFM₂)]水稻土壤氨氧化微生物的数量和群落结构变化.结果表明: 不同施肥处理氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB) amoA基因拷贝数分别为3.09×10⁷～8.37×10⁷和1.04×10⁷～7.03×10⁷ copies·g^-1干土.施肥显著提高了AOA和AOB数量,但处理CFM₂中AOB数量与CK差异不显著.有机肥配施比例对AOB群落α多样性指数的影响强于AOA,处理CFM₁中AOA群落的多样性指数(Shannon)和AOB群落的丰富度指数(ACE和Chao1)均显著高于CK.奇古菌门和泉古菌门是AOA群落的优势门类群,占AOA amoA基因总序列的83.4%;亚硝化螺菌属、environmental_samples_norank、Bacteria_unclassified和Nitrosomonadales_unclassified是AOB群落的优势属类群,占AOB amoA基因总序列的97.8%.维恩分析结果显示,有机肥配施比例对AOB群落操作分类单元(OTU)数量的影响强于AOA,但对各处理共有AOA和AOB amoA基因序列条数的影响均较小.冗余分析结果显示,不同施肥处理AOB群落结构差异强于AOA,且所有土壤理化性质均与AOA和AOB群落结构存在显著相关关系.综上可知:有机肥配施比例显著改变了AOA和AOB数量、多样性和群落结构,配施30%有机肥时,AOA群落的Shannon指数最高,AOB群落数量、ACE和Chao1指数均最高.研究结果可为进一步探讨农业系统中氨氧化微生物对不同施肥制度的响应机制及其在氮素转化中的作用提供科学依据.     

轮作模式对冬小麦土壤氨氧化微生物群落多样性和组成的影响

农田温室气体减排已成为农业绿色发展的重要内容,驱动温室气体氧化亚氮(N₂O)产生的氨氧化微生物受到了研究者们的广泛关注。为探究轮作模式对土壤氨氧化微生物群落的影响,基于田间定位试验,研究了夏红小豆-冬小麦、夏绿豆-冬小麦、夏花生-冬小麦、夏大豆-冬小麦和夏玉米-冬小麦5种轮作模式中冬小麦根际和非根际土壤氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的群落组成和多样性变化特征。结果表明:与夏玉米-冬小麦模式相比,豆禾轮作模式增加了根际土中有机碳和硝态氮含量,以及非根际土中全氮和铵态氮含量。豆禾轮作模式降低了非根际土壤中AOA群落的ACE指数和Chao1指数,并显著降低根际土中AOB群落的ACE指数和Chao1指数(P<0.05)。豆禾轮作显著增加AOA群落中泉古菌门(Crenarchaeota)和AOB群落中变形菌门(Proteobacteria)某些类群的相对丰度(P<0.05)。根际土中豆禾轮作模式与麦玉模式的AOA群落结构发生明显分离,而非根际土中豆禾轮作模式与麦玉模式的AOB群落发生分离(P<0.05)。研究结果表明:豆禾轮作种植改变了AOA和AOB的群落结构和多样性,土壤pH值和速效氮含量是驱动AOA和AOB群落结构变化的重要因子,且根际与非根际土壤中氨氧化微生物存在生态位分离。     

施氮肥对华北平原土壤氨氧化细菌和古菌数量及群落结构的影响

利用荧光定量PCR、末端限制性片段长度多样性(T-RFLP)和基因克隆文库技术,比较了4种施氮水平(不施氮肥,0 kg N/hm~2,CK;施低水平氮肥,75 kg N/hm~2,N1;施中水平氮肥,150 kg N/hm~2,N2;施高水平氮肥,225 kg N/hm~2,N3)下华北平原地区小麦季表层(0—20 cm)土壤总细菌、氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的丰度和群落结构。结果表明,土壤总细菌、AOB和AOA数量分别在每克干土5.74×10~9—7.50×10~9、8.89×10~6—2.66×10~7和3.83×10~8—7.78×10~8之间。不同施氮量土壤AOA数量均高于AOB数量,AOA/AOB值在81.72—14.38之间。增施氮肥显著显著提高AOB数量(P0.05),对总细菌和AOA数量的影响不显著(P0.05)。与CK相比,处理N1、N2和N3中AOB数量分别提高了0.64、1.50和1.99倍。增施氮肥显著改变了AOB和AOA的群落结构,且不同施氮量处理中AOB群落结构差异更大。系统进化分析显示,施氮肥小麦土壤AOB主要为Nitrosospira属类群,分布在Cluster 3的两个分支中;AOA分布在Cluster S的4个分支中。相关性分析显示,AOB数量与全氮和铵态氮含量呈显著正相关关系,与土壤pH和碳氮比呈显著负相关关系(P0.05);AOA数量与硝态氮含量和土壤pH呈显著正相关关系,与铵态氮含量呈显著负相关关系(P0.05)。研究结果表明:增施氮肥可显著改变华北平原地区碱性土壤AOB数量与群落结构,该地区小麦土壤中AOB比AOA对氮肥响应更敏感。     

不同放牧强度下土壤氨氧化和反硝化微生物的变化特征

土壤硝化及反硝化功能微生物在氮素可利用性、硝酸盐淋溶和氧化亚氮温室气体排放等方面起着关键作用,在指示不同放牧强度对生态系统的影响及预测草地生态系统退化状况等方面具有重要意义。以内蒙古干旱半干旱草原不同放牧强度(轻度、中度和重度)的长期试验样地为对象,应用定量PCR和限制性末端片段长度多态性(Terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)的方法,研究土壤氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和反硝化细菌的丰度、群落结构和多样性对不同放牧强度的响应。结果表明,土壤p H和铵态氮含量分别在7.90—8.18和6.37—35.92 mg/kg之间,中度放牧处理显著增高了土壤pH(P=0.03),而铵态氮含量在重度放牧处理中最高(P=0.02)。不同放牧强度下土壤异养呼吸相比未放牧处理均显著降低(P=0.02)。土壤AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度范围分别为每克干土(4.94—7.60)×10~9个拷贝数和(0.68—3.75)×10~6个拷贝数,放牧处理对AOA-amoA基因丰度无显著影响,中度放牧处理显著降低了AOB-amoA基因丰度(P=0.04);反硝化微生物nosZ基因丰度随在轻度放牧处理中最低(P=0.03)。土壤铵态氮含量是影响AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度的主要因子,而nosZ基因丰度主要受反硝化底物含量及土壤通气状况的影响。冗余分析表明由放牧所引起的可利用性氮含量的变化是导致氨氧化和反硝化微生物群落结构显著变化的主要因素。     

酸性土壤氨氧化微生物及其影响因素研究进展

自然条件变化和人类活动不仅加剧了土壤酸化,扩大了酸性土壤面积,而且严重影响了土壤氮循环。氨氧化过程作为硝化作用的限速步骤,是全球氮循环的核心环节,受到国内外研究者的广泛关注。探究酸性土壤氨氧化作用及其功能微生物对完善氮循环机制和促进土壤养分循环具有重要意义。本文主要综述了土壤中氨氧化代谢途径,对比了氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和全程硝化菌(complete ammoniaoxidizers,Comammox)对酸性土壤氨氧化作用的相对贡献,分析了微生物内源功能差异及pH、底物浓度等外部环境因素对氨氧化微生物丰度、活性和群落结构的影响,最后对氨氧化微生物研究进行了展望,以期为酸性土壤氨氧化作用研究和微生物修复技术应用与实践提供科学参考。     

不同放牧对滇西北高原泥炭沼泽土壤氨氧化微生物群落的影响

氨氧化由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)共同执行,是土壤硝化过程的第一步和限速步骤。放牧过程中,动物啃食、排泄和践踏等行为将影响土壤氨氧化微生物群落,但目前关于不同类型放牧对湿地氨氧化微生物群落结构及其多样性的影响尚不清楚。利用Illumina Mise高通量测序技术,对比研究牦牛放牧和藏香猪放养两种放牧类型对泥炭沼泽土壤氨氧化微生物群落结构及其多样性的影响。结果表明,牦牛放牧显著增加土壤容重,显著降低土壤pH、TN、TOC、NH⁺₄-N和NO^-₃-N含量;藏香猪放养显著增加土壤NO^-₃-N含量和硝化潜势(PNR)。牦牛放牧显著降低土壤AOA的丰富度和AOB的α多样性,藏香猪放养降低土壤AOA的α多样性和AOB的丰富度。放牧显著降低泉古菌门(Crenarchaeota)的相对丰度。AOA的α多样性与土壤NO^-₃-N含量和PNR呈显著负相关。AOB的α多样性与pH、TOC、TN和NH⁺     

攀枝花不同海拔高度烤烟农田红壤中氨氧化细菌与氨氧化古菌的群落结构分析

为探究攀枝花干热河谷区农田土壤氨氧化古菌（Ammonia oxidizing archaea,AOA）与氨氧化细菌（Ammonia oxidizing bacteria,AOB）群落对海拔高度的响应特征,深入认识该区域的氮素循环过程。以攀枝花米易县不同海拔（1600 m、1800 m和2000 m）农田红壤为研究对象,运用化学分析和末端限制性片段长度多态性（Terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP）分别测定土壤理化性质、AOA和AOB群落组成及多样性,研究不同海拔农田土壤中AOA和AOB群落变异及其驱动因子。研究结果显示,不同海拔农田土壤pH均小于7,土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、速效钾（AK）和铵态氮（NH₄⁺-N）含量随海拔升高而降低,碱解氮（AN）、有效磷（AP）和硝态氮（NO₃^--N）含量随海拔升高先增加后降低;随海拔升高,AOA群落多样性指数增加,而AOB群落多样性指数先增加后降低;AOA以亚硝基球菌属（Nitrososphaera）为优势菌群,AOB以亚硝化螺菌属（Nitrosospira）为优势菌群;土壤有机碳（SOC）、速效钾（AK）和硝态氮（NO₃^--N）是影响该区域农田土壤AOA和AOB群落发育的主要因子。总体而言,攀枝花干热河谷区不同海拔农田土壤AOA和AOB群落结构变化明显,土壤硝态氮、速效钾和有机碳是影响AOA和AOB群落结构变异的主要因子;研究结果可为揭示干热河谷区农田红壤氮循环相关微生物的海拔分布格局提供理论依据。     

东湖表层沉积物中氨氧化古菌和氨氧化细菌丰度及多样性研究

研究通过高通量测序和荧光定量PCR等分子生物学分析方法, 以氨单加氧酶基因(amoA)为分子标记, 研究了东湖表层沉积物中AOA和AOB的群落多样性、丰度及其与环境因子的关系。结果表明, 东湖沉积物AOA主要为Nitrosopumilus, 其群落结构与沉积物中总氮含量显著相关, 而AOB主要为Nitrosomonas, 群落结构与沉积物中总有机碳和总磷显著相关。此外, 不同季节AOA丰度均高于AOB, 且沉积物AOA数量与温度呈显著负相关, 但AOB丰度变化不明显。东湖沉积物中AOA可能主导了氨氧化过程。     

亚热带不同林分土壤氨氧化菌群落特征

为揭示亚热带不同森林类型对土壤氨氧化菌群落特征的影响,采用荧光定量PCR以及PCR-DGGE技术研究了阔叶林、杉木林、马尾松林和毛竹林土壤氨氧化古菌和细菌丰度及古菌群落结构特征.结果表明:不同林分土壤中氨氧化古菌数量(1.62×106~1.88×107个·g-1干土)高于相应土壤中的氨氧化细菌(2.41×105~4.36×105个·g-1干土);毛竹林土壤氨氧化古菌数量显著高于杉木林,而后者又显著高于阔叶林和马尾松林,但氨氧化细菌数量在不同林分之间没有显著差异.DGGE图谱分析表明,不同林分土壤中氨氧化古菌的物种有所差异,且毛竹林和杉木林土壤古菌群落结构迥异.氨氧化古菌在亚热带主要林分土壤中表现出明显优势,且除植被类型外,土壤速效钾、pH和有机质是引起土壤氨氧化古菌群落结构及多样性变异的主要因素.     

长期施加氮肥及氧化钙调节对酸性土壤硝化作用及氨氧化微生物的影响

以长期施加氮肥及添加氧化钙调节的酸性土壤为研究对象,运用定量PCR和DGGE技术,探讨了土壤氨氧化微生物及硝化作用对不同施肥处理及氧化钙调节的响应。长期施化学氮肥导致酸性土壤p H(KCl)值(3.35—3.47)和硝化潜势(0.02—0.14μg NO-2-N g-1土壤h-1)进一步降低,而添加Ca O后土壤酸化得以缓解(p H值4.10—4.46),土壤硝化潜势(0.22—0.34μg NO-2-N g-1土h-1)显著增加。同时,添加Ca O处理对氨氧化古菌(AOA)的群落结构无明显影响,但明显提高了各施肥处理土壤中氨氧化细菌(AOB)的群落多样性,加Ca O处理的土壤中,AOA的数量降低而AOB的数量增加。这些结果表明虽然酸性土壤中AOA在数量和活性上占主导优势,AOB在功能上冗余,但当添加Ca O后,AOA和AOB对环境变化迅速作出响应,并根据其不同的生态位需求重新分配优势地位,二者交替作用共同驱动酸性土壤硝化作用。     

不同施肥制度对石灰性紫色水稻土中氨氧化古菌群落结构的影响

研究不同施肥制度对水稻土氨氧化古菌(AOA)群落结构和垂直分布特征的影响,可以深入认识不同施肥制度下的石灰性紫色水稻土氮素循环特征及微生物驱动机制,为该地区科学施肥、培肥地力提供理论依据。利用化学分析和变性梯度凝胶电泳(DGGE)对不同施肥制度下石灰性紫色水稻土理化性质和AOA群落结构进行了分析。结果显示:相对于无肥处理,施肥会降低石灰性紫色水稻土pH和硝氮含量,而增加土壤有机质、全氮和氨氮含量。伴随土壤深度增加,土壤pH增加,全氮和硝氮含量降低,氨氮含量变化趋势不明显。不同施肥制度在不同土壤深度对石灰性紫色水稻土AOA群落结构产生不同的胁迫效应,不同施肥制度下的AOA群落结构在0—20 cm处差异不明显;土壤深度增加,不同施肥制度下的AOA群落结构表现出明显差异,CK和N肥处理下的AOA群落结构较简单。AOA群落结构多样性指数和丰富度随土壤深度增加而减小。石灰性紫色水稻土AOA与来自不同土壤和水体环境的AOA具有明显相似性。冗余梯度分析(RDA)显示pH(P=0.012)是造成石灰性紫色水稻土AOA群落结构差异的主要原因。研究揭示石灰性紫色水稻土中的AOA群落结构受施肥制度明显影响并表现出明显的垂直分布特征。     

长期施肥对稻田土壤细菌、古菌多样性和群落结构的影响

稻田土壤是“迷失碳”的重要吸纳场所之一,也是温室气体(CH4和N2O等)的重要排放源.大气温室气体的动态变化与土壤碳氮转化的微生物过程紧密相关.以湖南桃江国家级稻田肥力变化长期定位试验点为平台,采用PCR-克隆测序和实时荧光定量PCR技术,研究不施肥(CK)、施氮磷钾肥(NPK)和氮磷钾肥+秸秆还田(NPKS)3种长期施肥制度(＞25 a)对稻田土壤细菌和古菌群落结构及数量的影响.细菌和古菌16S rRNA基因文库分析结果表明:稻田土壤细菌主要类群为变形菌、酸杆菌、绿弯菌,而古菌主要为泉古菌和广古菌.长期施肥导致土壤细菌和古菌种群结构产生明显差异,与CK相比,NPK和NPKS处理稻田土壤的变形菌、酸杆菌和泉古菌相对丰度增加.LIBSHUFF软件分析结果也表明,16S rRNA基因文库在CK、NPK及NPKS处理间存在显著差异.3种施肥处理的稻田土壤细菌16S rRNA基因拷贝数为每克干土0.58× 1010～1.06×1010个,古菌为每克干土1.16×106 ～ 1.72×106个.施肥(NPK和NPKS)后,细菌和古菌的多样性和数量增加,且NPKS＞NPK.说明长期施肥显著影响土壤细菌和古菌群落结构、多样性及数量.     

Effects of long-term fertilization of forest soils on potential nitrification and on the abundance and community structure of ammonia oxidizers and nitrite oxidizers

Forest fertilization in British Columbia is increasing, to alleviate timber shortfalls resulting from the mountain pine beetle epidemic. However, fertilization effects on soil microbial communities, and consequently ecosystem processes, are poorly understood. Fertilization has contrasting effects on ammonia-oxidizing bacteria and archaea (AOB and AOA) in grassland and agricultural ecosystems, but there are no studies on AOB and AOA in forests. We assessed the effect of periodic (6-yearly application 200 kg N ha?1) and annual (c. 75 kg N ha?1) fertilization of lodgepole pine and spruce stands at five long-term maximum productivity sites on potential nitrification (PN), and the abundance and diversity of AOB, AOA and Nitrobacter and Nitrospira-like nitrite-oxidizing bacteria (NOB). Fertilization increased AOB and Nitrobacter-like NOB abundances at some sites, but did not influence AOA and Nitrospira-like NOB abundances. AOB and Nitrobacter-like NOB abundances were correlated with PN and soil nitrate concentration; no such correlations were observed for AOA and Nitrospira-like NOB. Autotrophic nitrification dominated (55–97%) in these forests and PN rates were enhanced for up to 2 years following periodic fertilization. More changes in community composition between control and fertilized plots were observed for AOB and Nitrobacter-like NOB than AOA. We conclude that fertilization causes rapid shifts in the structure of AOB and Nitrobacter-like NOB communities that dominate nitrification in these forests.     

小麦-甘薯轮作长期增施有机肥对碱性土壤固氮菌群落结构及多样性的影响

生物固氮为农业生态系统提供天然的氮素来源,探究长期增施有机肥对土壤固氮菌群落的影响,为合理增施有机肥和维持土壤固氮微生物群落多样性提供科学依据。选取小麦-甘薯轮作中连续37a不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)、化肥+有机肥(NPKM)处理的甘薯季碱性土壤样品为研究对象。采用Illumina MiSeq高通量测序技术,研究土壤固氮菌群落的组成、多样性及其与土壤特性的关系。结果表明:与对照和单施化肥相比,长期增施有机肥降低土壤固氮菌群落丰富度和多样性,且丰富度与土壤pH显著正相关,与有机碳、全氮和有效养分(硝态氮、有效磷和速效钾)显著负相关。主坐标分析表明长期施肥显著改变土壤固氮菌群落结构,与对照相比,增施有机肥比单施化肥对固氮菌群落结构的影响更大。冗余分析表明土壤有机碳和速效钾是影响固氮菌群落结构改变最主要的因素。长期增施有机肥显著降低变形菌门、蓝藻菌门、Beta-变形菌和固氮弧菌属的相对丰度,显著增加硝化螺旋菌门、酸杆菌门和硝化螺菌属的相对丰度,这与土壤pH、有机碳和有效养分显著相关。因此,在碱性土壤上长期增施有机肥对固氮菌群落结构的改变更大,对群落多样性的抑制作用更强。