煤矿矿区复垦植被类型对土壤微生物功能基因和酶活的影响

煤炭的长期开采严重破坏了当地土壤结构和生态环境,通过植被复垦可有效改善生态环境,目前对土壤理化特征和微生物群落结构研究较多,但对土壤矿区土壤功能微生物的研究较少.以山西省大同市晋华宫矿区5个不同植被类型复垦地（侧柏、云杉、油松、樟子松和桧柏）为研究对象,对其土壤理化性质、碳氮磷硫功能基因丰度和土壤酶活进行测定.结果表明,恢复类型对土壤理化性质、土壤酶活和75种功能基因丰度均有显著影响,桧柏林具有最高的总碳、总氮和总硫含量;云杉林具有最高的脱氢酶和脲酶活性,但碱性蛋白酶活性最低,樟子松林的碱性蛋白酶活性最高;云杉林功能基因丰度最高,但多样性指数显著低于其他样地,这可能是由于云杉林中的ureC、acsA和mct丰度占到了52%以上所导致的;土壤脲酶与六大类功能基因丰度有显著相关性;不同植被类型土壤中功能微生物群落β多样性差异显著,可见功能基因能较好地解释植被类型对微生物功能的影响;综合肥力指标指数最高和最低分别是樟子松和侧柏样地.总之,土壤功能基因是指示不同复垦模式对土壤微生物影响的敏感指标,樟子松和云杉是在该矿区更为适宜的复垦树种.     

有机质提升对酸性红壤氮循环功能基因及功能微生物的影响

外源有机物质输入是提升酸性红壤有机质含量的主要方式,氮素是土壤肥力的重要限制因子.有机质提升后土壤生态系统的变化会影响土壤氮循环过程及功能微生物,但目前还未见报道.本研究选择长期施有机肥的酸性旱地红壤及不施肥对照土壤作为研究材料,基于宏基因组测序及氮循环功能基因数据库比对,研究32 a的连续有机物质输入导致的土壤有机质含量上升对酸性红壤氮循环功能基因及相关功能微生物的影响.结果表明,酸性红壤有机质提升显著增加了土壤总有机碳和总氮含量,缓解了土壤酸化.有机质提升增加了土壤净硝化活性和氨氧化潜势.有机质提升显著增长了编码古菌氨单加氧酶amoA基因和反硝化过程还原酶的功能基因nar、nap、nir、nor和nos的丰度,降低了编码羟胺氧化酶hao基因及执行硝酸盐异化还原成铵过程的功能基因nrf的丰度,提升了有机氮代谢功能基因glnA、gdh、glsA、ansB和nao丰度,改变了硝酸盐同化过程功能基因丰度以及硝化过程功能微生物群落组成.有机质提升后土壤酸化的缓解和总有机碳含量的提升是影响氮循环各过程功能基因丰度及功能微生物组成的最主要因子.本研究全面研究了无机氮和有机氮循环功能基因,关联了氨氧化过程的功能基因、功能微生物类群和功能活性,可为把握酸性红壤氮循环特征提供数据依据,也可为酸性土壤改良提供思路.     

玉米根际微生物氮磷转化的功能基因组学分析

化肥减量增效是保障农业生态环境安全的重要基础.微生物是调控土壤氮磷循环的关键驱动力,研究根际微生物氮磷转化功能可以为进一步提高土壤氮磷利用率提供微生物学调控途径.基于3种典型农田土壤（黑土、潮土和红壤）的田间微区试验,利用宏基因组测序技术研究玉米根际微生物在土壤氮磷转化过程中功能基因的差异及调控因子.结果表明,根际微生物功能多样性受土壤类型影响,黑土和潮土的根际微生物功能多样性主要受含水量和养分含量的影响,红壤受全磷（TP）和速效磷（AP）影响.在土壤氮转化方面,编码氮转化过程通路中相关酶的基因丰度以脲酶基因（ureC）和葡萄糖脱氢酶基因（gdh）丰度最高,分别为7.25×10^-5~12.88×10^-5和4.47×10^-5~7.49×10^-5.同化性硝酸盐还原的功能基因在红壤中总丰度要高于黑土和潮土,其它过程相关酶的功能基因总丰度以潮土最高.编码氮代谢过程相关酶的功能基因丰度主要受土壤细菌丰富度、全钾（TK）和TP含量的驱动.在土壤磷转化方面,催化有机磷矿化的碱性磷酸酶基因（phoD）数目为1093个,酸性磷酸酶基因（PHO）数目为42个.phoD丰度高出PHO丰度2个数量级,此外,同种土壤类型下施肥对phoD和PHO丰度没有显著影响.随机森林分析表明phoD和PHO丰度均受土壤水分、有机质（OM）和全氮（TN）显著影响,但AP含量对PHO丰度影响最大.从功能基因组水平研究了玉米根际微生物的氮磷转化特征,为利用微生物功能提高农田生态系统氮磷利用率提供了科学依据.     

模拟升温对冰川前缘地微生物种群的影响

由于全球变暖影响,冰川处于不断退缩状态.本研究以天山乌鲁木齐河源1号冰川前缘地3个不同退缩年代的土样为研究对象,设置2个温度处理,分别为5℃与15℃,通过150d室内培养实验,探讨升温对冰川前缘地微生物种群的影响.结果表明,在原始样品中,随土壤样品退缩年代的增加,土壤总碳氮含量增加,微生物的数量及α多样性增加. 150d培养实验结果表明:细菌、古菌拷贝数随升温发生变化,但改变未达显著水平.此外,升温改变微生物群落结构,且对不同样点微生物群落结构影响不同.通过对升温后变化显著的优势OTUs进行分析,退缩年代较短的样点对升温响应更为明显,主要表现为Thiobacillus属相对丰度的升高.结果表明,冰川前缘地微生物对变暖响应的土壤异质性,其结果可为高山冰川地区升温下微生物的特征变化提供参考信息.     

缙云山森林植被类型对土壤产N2O相关功能微生物的影响

为明确亚热带不同森林植被对土壤涉氮功能基因(amoA、nirS、nosZ)微生物群落和功能的影响,以缙云山5种森林植被类型(针叶林、阔叶林、针-阔混交林、竹林以及荒草地)土壤为研究对象,采用末端限制性片段长度多态性分析(terminal restriction fragment length polymorphism analysis,T-RFLP)和荧光定量PCR(qPCR)等分子技术,结合与氮素循环相关的微生物酶活,研究不同森林植被土壤涉氮微生物丰度、群落结构及其功能的差异.结果表明:①缙云山国家自然保护区土壤反硝化酶活显著高于硝化势,且针叶林土壤2种酶活均显著低于其他植被类型(P0.05).此外,可溶性有机碳、土壤含水量和总氮是影响酶活的主要环境因子.②qPCR结果显示,竹林土壤涉氮功能微生物的丰度最高,而针叶林土壤最低. 3个涉氮功能微生物的丰度均与可溶性有机碳、总氮、有效氮、总钾以及有效钾显著相关(P0.01).③基于T-RFLP数据,阔叶林土壤涉氮微生物α-多样性指数最高,而竹林最低.主坐标分析(principal co-ordinates analysis,PCoA)显示:在不同植被间,氨氧化古菌群落结构表现出显著差异,针叶林土壤涉氮功能微生物群落结构最独特.此外,基于距离的冗余分析(distance-based redundancy analysis,db-RDA)表明:涉氮功能微生物群落结构主要受可溶性有机碳(P0.001)、有效氮(P0.002)和土壤含水量(P0.001)调控.④土壤反硝化酶活主要受nirS反硝化菌与氨氧化古菌的丰度和涉氮功能微生物的群落结构的影响;而硝化势主要受氨氧化古菌的丰度影响.由上可知,亚热带森林植被显著影响土壤涉氮功能微生物的丰度和群落结构,进而改变其调控土壤的氮素循环的功能.可为我国亚热带森林土壤微生物与N_2O释放的耦合机制提供基础数据.     

温带亚高山针叶林土壤碳循环微生物群落的时空动态

选取参与碳固定的二磷酸羧化/加氧酶基因（cbbM）、有机碳降解的淀粉酶基因（amylase）和纤维素酶基因（cellulase）作为分子标记,用实时定量PCR方法对温带亚高山华北落叶松（Larix gmelinii var.principis-rupprechtii）林、白杄（Picea meyeri）林、青杄（P.wilsonii）林和油松（Pinus tabulaeformis）林土壤碳循环功能微生物类群丰度的时空动态开展研究.结果显示,总碳（TC）、总氮（TN）、总硫（TS）、有机质（OM）和有机碳（TOC）、pH值、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性在4种森林土壤中都有不同程度的差异,且有显著的季节变化特征.高海拔华北落叶松林土壤TC、TN、TS、C/N、OM和TOC含量最高,而pH值最低.土壤TC、TN、亚硝态氮（NO₂^--N）含量、蔗糖酶和脲酶活性,与碳循环微生物类群的丰度呈极显著相关.土壤NO₃^--N含量与有机碳分解和固碳微生物类群的相对丰度显著相关;土壤C/N、NO₂^--N、pH值、OM、TOC、过氧化氢酶及脲酶活性,与降解易分解碳（labile C）和难分解碳（recalcitrant C）的微生物类群的相对丰度呈极显著相关.植被类型和季节变化共同影响土壤碳循环微生物类群的丰度,而季节变化是主导因素.植被和土壤环境因子通过调控微生物群落碳代谢功能类群的结构,影响森林土壤碳源-汇的平衡.     

微塑料对氮素循环相关土壤理化特性及功能微生物的影响

微塑料在土壤中的不断富集累积已对土壤氮素养分循环构成威胁.为探究聚乙烯微塑料对土壤氮素循环相关的主要理化特性、功能基因丰度和功能微生物群落结构的影响,本研究设置6个不同微塑料添加浓度（质量比）的土壤培养试验,分别为CK（未添加）、MP0.5(0.5%)、MP1(1%)、MP2(2%)、MP4(4%)和MP8(8%).结果表明：随微塑料添加浓度增加,土壤容重逐渐降低（4.62%～13.08%）,田间持水量呈先增加后降低趋势,其中MP2处理最高.土壤有机质、全碳、碳氮比、可溶性有机碳以及微生物生物量随微塑料添加逐渐升高.微塑料添加显著增加土壤微生物生物量氮（46.02%～120.70%）和硝态氮含量（42.56%～208.26%）,且MP8处理最高;降低可溶性有机氮（2.46%～15.39%）和铵态氮含量（17.36%～60.42%）,而全氮含量未发生显著变化;土壤净硝化和净氮矿化速率显著增加,但MP8处理呈明显抑制作用.微塑料添加显著增加土壤氮循环功能微生物群落多样性,改变了群落结构组成,其中固氮作用、硝化作用和反硝化作用相关微生物的相对丰度降低,同化性硝酸盐还原作用相关微生物的相对丰度...     

温带亚高山针叶林土壤碳循环微生物群落的时空动态

选取参与碳固定的二磷酸羧化/加氧酶基因（cbbM）、有机碳降解的淀粉酶基因（amylase）和纤维素酶基因（cellulase）作为分子标记,用实时定量PCR方法对温带亚高山华北落叶松（Larix gmelinii var.principis-rupprechtii）林、白杄（Picea meyeri）林、青杄（P.wilsonii）林和油松（Pinus tabulaeformis）林土壤碳循环功能微生物类群丰度的时空动态开展研究.结果显示,总碳（TC）、总氮（TN）、总硫（TS）、有机质（OM）和有机碳（TOC）、pH值、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性在4种森林土壤中都有不同程度的差异,且有显著的季节变化特征.高海拔华北落叶松林土壤TC、TN、TS、C/N、OM和TOC含量最高,而pH值最低.土壤TC、TN、亚硝态氮（NO₂^--N）含量、蔗糖酶和脲酶活性,与碳循环微生物类群的丰度呈极显著相关.土壤NO₃^--N含量与有机碳分解和固碳微生物类群的相对丰度显著相关;土壤C/N、NO₂^--N、pH值、OM、TOC、过氧化氢酶及脲酶活性,与降解易分解碳（labile C）和难分解碳（recalcitrant C）的微生物类群的相对丰度呈极显著相关.植被类型和季节变化共同影响土壤碳循环微生物类群的丰度,而季节变化是主导因素.植被和土壤环境因子通过调控微生物群落碳代谢功能类群的结构,影响森林土壤碳源-汇的平衡.     

民勤绿洲退耕地土壤微生物群落结构与功能多样性特征

为明确退耕阶段对土壤微生物群落结构和功能的影响,选取3个不同退耕阶段的荒漠绿洲区土壤为研究对象,通过宏基因组测序技术来研究不同阶段退耕地中土壤微生物群落的结构和功能多样性特征.结果表明,3个阶段退耕地土壤中放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）的相对丰度存在显著差异,为优势菌门.与退耕前期相比,退耕修复后期增加了群体感应、卟啉与叶绿素代谢、泛酸盐和辅酶A生物合成以及苯乙烯降解的功能基因比例,且相对丰度存在显著差异（P<0.05）,表明不同退耕阶段改变了土壤微生物群落营养循环与能量代谢的功能潜力.RDA结果表明电导率（EC）、速效钾（AK）和全氮（TN）对土壤微生物功能组成具有显著影响,其中EC对微生物功能组成的影响最大.不同退耕阶段对土壤微生物群落结构和功能组成多样性具有显著影响,在民勤绿洲退耕地生态修复中,微生物群落结构和功能组成对不同阶段的土壤修复敏感性可综合相关指标进行考虑.     

硫自养反硝化颗粒表面与间隙微生物群落特征和基因分布

研究了单质硫颗粒自养反硝化柱中表面和间隙生物膜的微生物群落结构、功能基因和代谢途径等生物信息学特征.结果表明,硫颗粒表面生物膜的微生物菌群多样性低于间隙生物膜.氮代谢功能基因丰度差异较为显著,间隙生物膜中硝酸盐和亚硝酸盐的胞外转运蛋白基因丰度远高于表面生物膜,分别为0.0792%、0.109%与0.0157%、0.0314%.对于还原性反硝化代谢,表面生物膜的总基因丰度却明显低于间隙生物膜,分别为0.367%、0.406%.此外,参与反硝化过程的基因丰度明显不同,特别是将NO₃^-还原成NO₂^-以及将N₂O还原成N₂过程中的基因.对于硫代谢,没有观察到明显的差异.APS (硫酸腺苷)氧化是将SO₃^2-氧化为SO₄^2-的主要途径,其基因丰度远远高于直接氧化途径,分别为0.137%与0.0005%(表面)、0.138%与0.0007%(间隙).结果表明,在单质硫自养反硝化过程中,间隙生物膜与表面生物膜中的微生物存在合作关系,协同促进硫自养反硝化脱氮过程.     

海螺沟冰川退缩区中铬的分布、累积与来源

以青藏高原海螺沟冰川退缩区为研究对象,借助其长达160a的植被演替序列,探讨Cr的时空分布和累积循环特征,并解析其潜在来源。结果表明,退缩区C层土壤Cr含量为(155.17±32.68)mg/kg,显著高于O层(48.23±10.21)mg/kg(P<0.05)。随着植被的演替,O层土壤Cr含量随淋溶作用的增强而逐渐降低。在植被系统中,各演替阶段优势种对Cr均无显著富集特征(ω<1)。此外,土壤是冰川退缩区生态系统的主要Cr库(2269.90±234.57)mg/m²,而各样地O层土壤Cr储量约为植被的9~20倍。随着演替的进行,土壤有机质含量升高而植被的“归还作用”减弱,导致Oi、Oe层土壤Cr储量逐渐减小而Oa层和植物Cr储量逐渐增大。研究发现,“高循环强度-低吸收利用”为冰川退缩区生态系统中Cr的主要循环策略。根据主成分解析结果,贡嘎山土壤Cr以母质土壤风化来源为主(68.89%),而大气沉降对其影响并不显著。     

长期石油污染对盐碱化土壤中微生物群落分子生态网络的影响

长期石油污染改变了土壤微生物群落组成,降低了群落多样性,对生态系统造成严重的威胁.为了探讨长期石油污染对盐碱化土壤中微生物物种间相互作用关系的影响,采集胜利油田石油污染土壤和未污染土壤,利用随机矩阵方法构建分子生态网络.结果发现,污染土壤和未污染土壤中微生物功能基因组的分子生态网络存在显著差异(P0.001).与未污染土壤相比,污染土壤的网络节点数、连接数、平均连通度、模块数和模块性都显著降低,说明在石油污染的影响下土壤微生物网络拓扑结构发生变化;污染土壤和未污染土壤的模块枢纽基因、连接器基因均没有重叠,模块枢纽基因和连接器基因的网络拓扑角色发生了变化.通过构建烷烃、多环芳烃降解基因网络,发现负相互作用的比例较大,这可能反映了微生物功能群落间的竞争关系.     

1973-2018年布喀达坂峰地区前进冰川遥感监测

冰川跃动是冰川动力不稳定性的表现,影响着全球约1%的冰川。基于1973-2018年208景Landsat MSS/TM/ETM+/OLI遥感影像,对布喀达坂峰地区不同时期前进冰川进行遥感识别。结果表明：（1）1973-2018年布喀达坂峰地区共有7条冰川发生过前进,其中冰川末端快速退缩型冰川有3条,冰川末端波动前进型和冰川末端稳定型冰川各有2条。莫诺马哈冰川和5Y542H0020冰川可能为跃动冰川,且前者正处于跃动阶。（2）近45年间布喀达坂峰地区7条冰川共出现过25次前进现象,各条冰川发生前进次数均多于（含）2次;前进冰川发生时间主要集中于2000s（7次）和1970s（6次）。该地区冰川在各月份均发生过前进现象,推断该地区前进冰川属斯瓦尔巴型。布喀达坂峰地区冰川前进无明显规律,大多数冰川两次前进时间间隔为10年左右。（3）布喀达坂峰地区冰川前进可能受热控和水控机理共同作用,单一的气候变化尚难以解释其变化机理。     

High starter phosphorus fertilization facilitates soil phosphorus turnover by romoting microbial functional interaction in an arable soil

Microbial phosphorus (P) turnover is critical in C utilization efficiency in agroecosystems. It is therefore necessary to understand the P mobilization processes occurring during P fertilization in order to ensure both crop yield and environmental quality. Here, we established a controlled pot experiment containing soil amended with three different levels of starter P fertilizer and collected soil samples after 30, 60, and 90 days of incubation. Quantitative microbial element cycling (QMEC) smart chip technology and 16S rRNA gene sequencing were used to investigate functional gene structures involved in carbon, nitrogen and P cycling and the bacterial community composition of the collected samples. Although P fertilization did not significantly affect the structure of the soil microbial community, some rare microbiota were changed in particular phosphorus-solubilizing bacteria were enriched at the high P fertilization level, suggesting that the rare taxa make an important contribution to P turnover. P fertilization also altered the functional gene structure, and high P concentrations enhanced the functional gene diversity and abundance. Partial redundancy analysis further revealed that changes in rare taxa and functional genes of soil microorganisms drive the alteration of soil P pools. These findings extend our understanding of the microbial mechanisms of P turnover.     

近50a来中国阿尔泰山冰川变化——基于中国第二次冰川编目成果

利用"中国冰川资源及其变化调查"项目最新冰川编目成果和中国第一次冰川编目结果,对中国阿尔泰山冰川近50 a变化进行分析。结果表明,1960至2009年期间,中国阿尔泰山地区冰川普遍退缩,冰川数量、面积与冰储量分别减少116条、104.61 km²和6.19 km³。与中国其他山系冰川变化相比,阿尔泰山冰川面积年平均减少率最大,是冰川退缩最强烈的地区。阿尔泰山冰川在各个朝向均呈退缩趋势,其中朝北向冰川条数与面积减少大于其他朝向,朝西向冰川变化最小。2 400~2 600 m、2 600~2 800 m和3 000~3 200 m三个海拔区间冰川条数和面积均呈减少趋势,其中2 600~2 800 m冰川退缩最为显著。冰川变化呈现出区域差异性,布尔津河流域冰川数量和面积减少最多,但在其他流域冰川条数减少与面积减少并没有保持一致性,小冰川大规模退缩(或消失)是导致阿尔泰山地区冰川变化区域差异的主要原因。阿尔泰山地区冰川退缩与气候变化关系密切。对研究区4个气象台站5-9月平均气温和10-4月降水变化分析表明,自1960年代以来,阿尔泰山地区5-9月平均气温显著上升,气温上升导致的冰川消融在一定程度上抵消了固态降水增加对冰川的补给。     

1959-2008年乌鲁木齐河源1号冰川融水径流变化及其原因

采用数理统计、 Morlet小波分析和Mann-Kendall突变检验对乌鲁木齐河源1号冰川1959-2008年径流序列进行分析,揭示了冰川融水径流的变化趋势、 周期特征和突变特性,并对径流与气候、 冰川变化关系进行了探讨。结果表明:乌鲁木齐河源1号冰川近50 a来径流增加趋势显著,特别是在1993年发生突变后,平均径流较1993年前增加了69.4%。径流序列第一主周期为15 a,第二主周期为6 a。在13~16 a时间尺度上看,1号冰川融水径流在未来的几年将继续保持偏多趋势,但是从5~7 a和超长期时间尺度上看则相反。冰川融水径流与冰川物质平衡、 年均气温、 消融期气温及年降水量存在良好的瞬时响应关系,其中消融期气温的振动对冰川融水径流振动能量贡献最大,在气温超过2 ℃时,径流将加速增长。物质平衡变化100 mm可引起河流径流变化22.9×10⁴ m³,1号冰川过去50 a累积物质平衡为-13 693 mm,相当于额外补给河流径流量3 135.7×10⁴ m³,约是年径流量的16.1倍。     

基于LiDAR、SRTM DEM的祁连山黑河流域十一冰川2000-2012年物质平衡估算

以祁连山黑河流域十一冰川为例,利用机载三维激光扫描数据（Light Detection And Ranging, LiDAR）和SRTM DEM数据,在LiDAR点云数据预处理、高程数据配准、校正、误差评估的基础上,建立基于大地测量法的冰川物质平衡计算流程。表明：2000-2012年十一冰川冰面高程变化为-7.47±0.92βm,变化率为-0.62±0.08 m·a^-1,估算十一冰川的年均物质平衡为 -0.53±0.07βm w.e.,累积物质平衡为-6.35±0.78βm w.e.,折合水当量约为（330.4±40.8）×10^4βm³;与其他典型监测冰川物质平衡进行对比和分析,论证了估算结果的可靠性;LiDAR数据具有非常高的精度和空间分辨率,目前关于其在冰川物质平衡研究中的应用很少,论文尝试将其应用于冰川物质平衡变化研究中,具有广阔的发展前景。     

稻草还田对土壤微生物群落功能多样性的影响

为了探讨稻草还田的微生物学过程与效应,借助平板涂抹法和BIOLOG检测法,比较研究了免耕条件下3种不同稻草还田量(33%、67%和100%,以稻草不还田土壤为对照)对晚稻田土壤微生物群落功能多样性的影响.结果表明:①土壤细菌数量差异显著,以67%稻草还田处理为最高,稻草不还田处理最低,稻草还田提高了土壤细菌数量;②碳源平均颜色变化率(AWCD法)在培养早期各处理间的差异不大,但随着培养时间的延长,67%和100%稻草还田处理土壤微生物的AWCD值显著大于对照和33%稻草还田处理组;③土壤微生物代谢多样性指数(丰富度和多样性)在3种稻草还田量处理土壤中也表现出明显差异,67%和100%稻草还田处理的土壤中微生物功能多样性显著大于33%稻草还田处理和对照;④67%和100%稻草还田处理显著改善了土壤微生物的功能多样性.以67%稻草还田处理改善土壤微生物群落结构和功能的效果最为显著.