第五讲 土壤生态工程

第一节 土壤生态工程与土壤管理 在生态学看来,土壤是陆地生态系统的一部分。在这个意义上,它是天然生态系统或农业生态系统的一个子系统。在别的意义上,它本身又是一个生态系统。土壤是由通过能量和物质的变换而相互作用的生命成分和非生命成分构成的。在生命成分中,不仅有高等植物的根系,而且还有许多自养生物、消费者和还原者的群落。组成这些群落的成员有宏观的和微观的、有持久的和暂短的。在非生命成分中,有母质矿质粉粒,有机质、水、空气和少量的处于溶解状态中的有机质和无机质。土壤是一个适应复杂环境条件而     

森林生态系统土壤真菌群落及其影响因素研究进展

真菌是全球生物多样性的重要组成部分,在森林生态系统功能中发挥着重要作用,通过共生-寄生的相互作用影响着动植物的群落结构。高通量测序技术(Roche FLX 454,Illumina MiSeq)的兴起,使得研究人员能够仔细构建真菌群落的生物地理格局和生态效应,极大地促进了人们对真菌功能特征、多样性的理解。文章综述了森林生态系统真菌群落的最新研究进展,分析了真菌群落多样性地理尺度上的变化趋势与驱动因素,并重点关注植被类型与真菌多样性的关系。研究结果发现,地理距离引起的森林类型的变化是影响真菌群落的主要因素之一。在森林生态系统中,海拔梯度的真菌群落多样性存在上升、下降、"单峰"、无显著变化4种模式,且不同森林类型的驱动因素也存在差异。森林土壤真菌群落组成和多样性受到各种土壤特征(pH、C/N)的影响,植被类型对真菌群落的影响方式也存在不确定性。在今后的研究过程中,有必要对较小尺度上真菌群落的分类和功能结构进行更多分析,探讨海拔梯度下优势植被多样性与真菌群落的关系。在植被类型复杂多样的森林生态系统中,对特异性树种、混交林以及林区(从土壤到植物圈)真菌群落的分类和功能结构进行进一步研究。此外,了解驱动元素循环的生物(人类、植物和土壤生物)以及调节其活动的环境条件(气候、土壤理化特性和地形),从而提高我们对真菌群落与生态系统功能的认识,利用功能基因探索真菌群落组成并探索生态系统功能之间的联系。     

土壤微生物污染诱导群落耐性研究进展

污染诱导群落耐性(PICT)是指生物群落为了在污染环境中继续生存,通过生理生化与遗传特征的改变或以耐性类群生物代替敏感类群,从而使整个群落产生耐性.目前人们已将PICT作为一项指标,从群落耐性方面来评价污染生态学的效应.目前PICT研究已涵盖了水生生物、陆地植物、微生物等,其中土壤微生物是PICT研究的重要群落对象.对土壤微生物群落PICT的研究始于上世纪90年代,并已在多方面取得进展,包括在研究方法上的一些突破和改进.在PICT产生和变化机理等方面也有新发现,如发现了土壤微生物群落PICT与污染物浓度存在较好的正相关关系,并且污染物能够引起土壤微生物群落对其他污染物的共耐性等.在PICT影响因素研究方面发现不仅环境因素会影响PICT的形成,而且检测方法也会影响对PICT的判断.论文较为全面地综述了国际上针对土壤微生物群落PICT的研究进展,包括PICT的概念、研究方法、污染物影响PICT的内在机制及影响PICT的关键因素等,最后提出了研究展望.     

岷江上游祁连山圆柏群落优势种群间的联结性

应用方差分析X^2-测验、点相关系数和Jaccard指数等技术对岷江上游祁连山圆柏群落中12个优势种群的种间联结性进行了研究．结果表明：①12个优势种群在总体上呈显著的负联结，这跟该群落目前所处的演替状态及十扰造成的环境不稳定有密切的关系．②在66个种对中，经X^2-检验联结性达到显著的有4对，即西南樱桃与多叶飞蓬，腋花马先蒿和甘川紫菀，黄总花与银莲花，多叶飞蓬和甘川紫菀．这4个种对显著的联结性跟物种本身的生物学习性有关．③金花小檗、川西锦鸡儿是该群落逆行演替的代表种，由二者之一参与形成的各种对联结性最弱，这两种植物与群落中的其它物种形成较强的联系，还需要一个过程．图1表5参36     

流域水体污染的生态学效应及监测预警

从流域生态系统的结构与功能出发,分述流域水体污染引起的生态学效应(结构与功能效应),并归纳目前国内外生物、生态监测预警的特点.生态监测经历了以敏感和耐污种类比例为主的传统简单指数、以群落结构变化为主的单一指数到以群落结构、营养结构为主要特征的复合多参数指数的发展过程.生物预警利用在线生物监测技术,主要形成了鱼类、无脊椎动物和微生物的三大类生物预警系统.目前,生物完整性指数能从群落水平较好地指示水体污染状况,生态预警则缺乏生态系统水平的研究.因此提出以群落结构为主的生态监测以及生态系统整体水平上的生态预警是未来研究方向的重点.     

生物炭对土壤硝化反硝化微生物群落的影响研究进展

生物炭因具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和无机矿物等特性,在控制农业面源污染和温室气体排放方面有着良好的应用前景.生物炭对氮循环微生物群落特征的影响是生物炭能否有效控制面源污染和改良土壤的核心问题.围绕生物炭对土壤氮循环微生物群落特征的影响,从生物炭的多元性、添加量和环境条件3个方面综述生物炭对土壤硝化和反硝化微生物的影响研究进展.高温热解生物炭对土壤氮循环微生物的积极作用要比低温热解生物炭效果好;生物炭原料来源、添加量对土壤氮循环微生物群落的影响存在较大差异;添加有机肥料要比常规化肥更能提高氮循环微生物碳源的利用能力及其活性;环境中的污染物如多环芳烃(PAHs)、酚类化合物(PHCs)和重金属等的存在不利于氮循环微生物的生存.随着分子生物技术的进步,未来应结合多种分子生态学技术和稳定同位素探针技术等手段研究生物炭对土壤氮循环微生物的影响机制,生物炭热解温度和添加量对土壤氮循环微生物的影响不容忽视,在长期的田间试验中应注意老化生物炭对污染物和氮循环微生物的影响.     

生物炭对土壤中微生物群落结构及其生物地球化学功能的影响

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质,具有改善土壤理化性质、调控营养元素循环、防治重金属、多环芳烃等污染物迁移转化等功能,因此,在土壤改良与修复领域具有较好的应用前景。但是,生物炭的施用将对土壤中的微生物群落结构组成带来影响,从而改变整个生态系统的物质循环过程。本文综述了近年来国内外有关生物炭对土壤微生物分布影响的研究进展,探讨了生物炭对土壤微生物生长代谢的作用机制,阐述了生物炭对于微生物主导的土壤生物地球化学过程产生的影响作用。相关研究发现,土壤总微生物生物量在生物炭施用后或增加,或不变,或呈现下降趋势;不同种类微生物对于生物炭的响应非常复杂,从而呈现出各异的土壤微生物群落结构组成。生物炭对微生物生长代谢的影响源于改变p H环境、影响水分分布、调节养分循环等多种机制的协同作用,而生物炭在对环境物质的吸附以及对微生物的直接吸附方面扮演着重要角色。同时,生物炭对于土壤微生物群落结构组成的影响还会随着时间的推移而发生变化。生物炭对土壤中微生物分布的改变还会进一步影响微生物的生物地球化学功能,对温室气体排放、碳氮循环和有机污染物降解等生物地球化学过程产生重要影响。因此,有待开展更多关于生物炭对于土壤微生物分布及其生态功能的影响的深入研究,以期更全面地评价生物炭对土壤环境质量的影响作用,为生物炭的实际应用提供依据。     

张广才岭森林时空变化对步甲群落多样性的影响

研究中国北方地区成熟林、次生林和人工林生物多样性及群落结构,了解不同森林类型对物种的保育作用,可为生物避难所的选取和保护工作提供科学依据。为研究中国温带地区不同森林类型生物多样性,采用陷阱法对张广才岭森林中人工落叶松林、次生白杨林、次生混交林、成熟混交林和成熟针叶林5种典型森林生境中的地表步甲群落进行调查,在每种森林中设置4个重复样方,共20个样方,在每个样方中设置4个陷阱,在步甲的主要活动期(6—8月)内每隔2周收集1次陷阱内的昆虫样本,共捕获9 073头步甲。采用生态学多样性指数对群落组成进行分析,基于和弦标准化的预期物种共享(CNESS)相异指数的非度量多维标度法(NMDS)分析步甲物种周转率,并统计不同时间动态下步甲群落多度、丰富度和多样性变化,旨在分析并比较成熟林、次生林和人工林对生物多样性保护的作用。结果表明:次生白杨林步甲群落物种多样性最高,Shannon-Wiener多样性指数H'为2.37,人工林步甲最低,仅为1.99;人工林步甲群落结构与天然林差异较大,天然林中多样化的生态环境维持较高的步甲群落β多样性;在天然林中,步甲多度、丰富度和Simpson多样性指数随时间变化具有相似的变化趋势,而与人工落叶松林差异明显。由此认为,天然林对物种的保育作用是无可替代的,目前大规模种植单一种类的树木对维持森林生物多样性是不利的,改善中国森林生物多样性最有效的方法是任林地自然发展。     

秸秆生物炭施用对玉米根际和非根际土壤微生物群落结构的影响

为探究生物炭施用对土壤微生物群落结构与功能的影响,以广东博罗某生态农业实验基地玉米地为试验对象,设置3个处理,分别按0(C)、5(B1)、10(B2)t·hm~(-2)施加秸秆生物炭,分别于第7天、14天、21天后采集根际土壤及非根际土壤样品,通过对玉米根际及非根际土壤细菌16S rDNA进行高通量测序分析,结合16S rDNA PICRUSt功能预测技术,探究生物炭施用对玉米根际土壤及非根际土壤微生物群落结构与功能的影响。结果表明,与空白对照组相比,施加生物炭可明显增加玉米非根际土壤微生物群落多样性,施加21 d后C组、B1组和B2组chao1指数分别为1 261、2 707和2 472;对根际土壤微生物多样性影响不显著(P=0.406)。施加5t·hm~(-2)生物炭后,玉米根际土壤酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度升高,但施加10 t·hm~(-2)生物炭处理酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度降低。在科水平上,施加生物炭后,玉米非根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)受到明显抑制,而施加生物炭与否及施加量多少对根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)丰度高低影响不显著(P=0.857)。PICRUSt预测结果表明,生物炭施加对玉米土壤微生物群落代谢、遗传、信息传递等过程产生影响,从而改变微生物的群落结构及生态功能。综上,施用生物炭会影响玉米土壤微生物群落结构与功能,相对于施加10 t·hm~(-2)处理,施加5 t·hm~(-2)处理对土壤微生物群落结构的影响效果更为显著。该研究结果可为生物炭农业化利用机制研究及施加量选择提供参考。     

水生系统中溶解态有机质的激发效应研究进展

溶解态有机质(DOM)的迁移转化是影响水环境生物地球化学循环和生态系统功能的重要过程.DOM是来源丰富、化学结构和活性不同的成千上万种化合物的混合物.其中,活性组分的存在可能促进微生物对惰性组分的降解,形成清除惰性DOM的一个重要机制,即激发效应,对全球碳循环和生态系统产生深远影响.当前,水生系统DOM激发效应研究主要运用各种化学和生物的方法,监测添加活性DOM对惰性DOM的降解速率和微生物丰度与群落结构的改变.在不同的研究体系中,存在正激发、负激发和无激发等3种效应,受到活性DOM和惰性DOM的特征、微生物响应特征和环境因子等的综合作用.新方法的应用和典型区域、典型事件的观测,将有助于评估水生系统DOM的激发效应、深入理解DOM的微生物转化过程.     

宏蛋白质组学在活性污泥研究中的应用

宏蛋白质组学作为研究微生物群落的一种新兴技术,主要是对特定微生物群落所表达的全部蛋白进行宏观、高通量的分析研究.本文综述了宏蛋白质组学研究的技术路线,主要包括蛋白的提取和纯化、分离和鉴定,以及宏蛋白质组学在强化生物除磷的活性污泥、活性污泥胞外多聚物和比较不同处理工艺活性污泥的差异等方面的研究.活性污泥的宏蛋白质组学研究完善了强化生物除磷活性污泥的厌氧和好氧阶段的代谢模型,揭示了活性污泥胞外多聚物在污染物降解过程中的主要作用和表现,阐述了不同活性污泥在污水处理过程中宏观特性与微观功能之间的关系,对于污水的生物处理有着重要的指导意义.宏蛋白质组学在活性污泥研究领域仍处于起步阶段,没有统一、有效的蛋白提取方法,数据库匮乏,成为活性污泥宏蛋白质组学发展的主要阻碍.随着各种新兴仪器、方法的应用以及数据库的不断完善,活性污泥宏蛋白质组学将会在污染物生物降解机制分析、鉴定功能蛋白等方面展现其巨大的优势.     

农村生态环境中的生物监测

农村生态环境是人类的食物基地,有效地监测农村生态环境的环境质量,防止污染物随食物链富集而危害人体,具有重要的意义。生物监测具有敏感性强、简易、快速、便利、持久等优点。本文系统介绍了农村生态环境中生物监测的方法;包括利用指示生物监测环境污染;动、植物区系(群落)的定性、定量调查;生物指数与多样性指数;生物中毒含量的监测等。本文还着重介绍了反射光谱法及遥感生物监测技术的应用,植物遗传系统及染色体畸变监测,生物的生理、生化监测等生物监测技术的新进展,展现了生物监测方法在环境监测领域中的广阔的发展前景。     

生物炭与炭基肥对大豆根际土壤细菌和真菌群落的影响

土壤微生物在农田土壤生态系统中发挥重要作用,然而秸秆生物炭与炭基肥处理对微生物群落的影响以及对农田生态环境的意义尚不清楚。以黄淮海平原豆-麦轮作为研究对象,采用荧光定量PCR和Illumina高通量测序技术比较不同施肥方式对土壤细菌和真菌群落的丰度、组成和多样性差异,探究秸秆还田、生物炭以及炭基肥添加对根际土壤微生物群落结构的影响。试验处理包括单施化肥对照(CK)、秸秆全量还田配施化肥处理(CS)、炭基肥处理(BCF)、低量生物炭配施化肥处理(LB)以及高量生物炭配施化肥处理(HB)。结果表明:与对照CK相比,LB、BCF和HB处理显著提高了根际土壤有机碳和速效磷含量;LB、BCF和HB处理对土壤细菌丰度没有显著影响,HB处理显著降低了变形菌门的相对丰度。HB处理的真菌丰度显著高于CK,增加了86.3%,真菌群落Chao1和ACE指数较CK分别显著增加了5.9%和5.8%;与CK和CS相比,LB、HB和BCF处理明显改变了真菌群落结构。冗余分析(RDA)表明,土壤有机碳、总氮和速效钾是改变真菌群落结构的主要驱动因子。综上,研究表明大豆根际真菌群落对生物炭施加的敏感程度高于细菌,且土壤碳和氮含量是影响真菌和细菌群落结构的关键因子。该研究结果可为秸秆资源的合理利用提供理论参考。     

番茄根区土壤线虫群落变化对生物炭输入的响应

根结线虫属于线虫群落中的植食性线虫,它们寄生于作物根部,能引起植株根结线虫病,使得染病作物减产严重。生物炭作为一种土壤调理剂,对土壤理化及生物活性都有显著影响。土壤线虫群落结构变化及其作物效应对生物炭输入的响应可为全面评价生物炭的农业利用潜力提供依据。通过田间微区试验,将生物炭分别以0.0%(CK)、0.1%(BC1)、0.5%(BC5)和2.0%(BC20)的添加量(质量比)与土壤混合,以探讨生物炭输入对番茄根结线虫病与土壤线虫群落变化的影响。结果显示,(1)生物炭输入对番茄生长影响明显,BC1和BC5两种处理番茄生物量显著高于对照的2749.16 g·plant-1,分别增加14.97%与12.94%。而在BC20处理中番茄生物量则下降了13.75%。(2)生物炭对番茄作物根部根结数有一定的抑制作用。随着生物炭添加量的增加,番茄植株根结数逐渐降低。(3)土壤线虫群落丰度随着生物炭添加量增加显著上升,CK、BC1、BC5和BC20处理的线虫总数(以干土计)分别为1 490.0、1 657.8、2 100.2和2 300.2 ind.·kg-1。(4)生物炭对线虫群落结构影响明显,与CK相比,BC5与BC20处理的食植性线虫比例分别下降了33.4%与41.4%,且与对照处理差异显著。与此相反,食真菌类线虫比例则显著上升,增幅分别达到70.7%与95.5%。在较高生物炭添加量条件下,土壤线虫群落中食植性线虫比例的下降,应该是番茄根结数降低的原因之一。基于以上结果推测,在适当的添加量下,生物炭对番茄作物感染根结线虫病具有一定的抑制作用。     

第二讲 农业植物生态工程

第一节 农业植物群落生态工程 一、热带地区农业植物群落生态工程 在自然界里,各种植物组成各式各样的群落;一定地区的各种群落组成该地区的植被。自然形成的植物顶极群落的结构复杂,一般层次多、单位面积植株多度大。尤其是热带雨林群落结构最为复杂,其中乔木层2—3层,灌木和草本植物有6—7层之多,木本群落以多优势种混交型为主。几十年来,人们一直在设     

区域因素对珊瑚礁群落多样性的影响

直到不久前,生态学家还主要把本地过程的重要性作为珊瑚礁群落多样性的决定因素。Karlson等人把眼光放得更远了一些,他们对地方影响因素和大尺度影响因素对西热带太平洋中一个10000 km断面上珊瑚礁群落多样性的影响都做了记录。令人吃惊的是,他们发现,即使在世界上最丰富的生物多样性热点地区也存在相当大的区域性影响,而在这些地区理论上是不可能有这种影响的。这一结果突出显示了在区域背景下的管理,诸如对旅游、捕捞、污染、采矿和林业经营等地方活动的管理,对保护濒危生物群落的重要性。(摘自Nature, 2004, 429: 867) 区域因素对珊瑚礁…     

生物多样性的海拔分布格局研究及进展

生物多样性的海拔分布格局受制于气候、空间、环境等多种因子的影响,综合大量研究发现,无论是动植物还是微生物,环境因子对其影响与驱动的作用最明显。海拔梯度是决定分布格局的重要因素之一,因此探讨生物多样性在环境因子驱动下的海拔分布格局具有重要意义。文章分别探讨了植物、土壤动物和土壤微生物多样性沿海拔梯度的变化规律,揭示了温度、湿度及人为干扰等因素下植物多样性沿海拔梯度的5种分布格局及可能机制,土壤动物多样性沿海拔梯度的3种分布格局及可能机制,同时揭示土壤微生物在海拔分布格局虽然有物种模式,但是机制不是很明确;最后对植物、土壤动物、土壤微生物生物多样性耦合关系的认识作了阐述。并在此基础上,认为生物多样性的分布格局与尺度密切相关,因此开展不同尺度的生物多样性的研究以及它们对全球气候变化的响应是未来研究的重要方向;土壤动物群落的多样性的变化规律研究,应致力于其生理型、营养型、生态型的多样性的研究;在不同的研究尺度上,驱动微生物群落构建机制的差异导致了群落演变规律的变化,仍需要以地理学和生物学等相关学科理论为支撑,并与微生物群落构建理论相结合,对海拔分布格局下生物多样性的保护和生态系统稳定性研究提供科学依据。     

转基因抗虫水稻生态安全性研究进展

我国转基因抗虫水稻的商业化种植已成为国内外广泛关注的热点问题.本文系统综述了转基因抗虫水稻的遗传转化、基因漂流、靶标害虫的抗性风险、对非靶标生物和稻田节肢动物群落的影响以及B t杀虫蛋白在土壤中的残留等方面的研究进展.现有研究表明,B t水稻对二化螟、三化螟和稻纵卷叶螟等主要靶标害虫具有较高的抗性水平,对稻飞虱、叶蝉、捕食性天敌等非靶标生物的生长发育和稻田节肢动物群落的稳定性无明显影响.靶标害虫的抗性和转基因水稻与杂草稻、野生稻之间的基因漂移风险是转基因抗虫水稻商业化种植的主要环境安全问题.参60     

宁夏盐池封育区植物特征值及多样性影响

封育措施是一种主要的草场恢复和重建的措施。通过对半干旱沙地老封育、新封育和对照区的比较分析,量化了不同封育措施下植被变化。对3种封育措施群落组成和生物多样性的分析结果表明,封育改变了群落的组成成分并增加了生物多样性,同时对群落植物的生活型、饲用价值分析计算结果则显示,老封育的群落植物逐渐向多年生发展,放牧价值开始降低,而对照区则明显处于一种非平衡的稳定状态。从3种措施植被的盖度、高度、生物量和饲用价值来看,老封育区均低于新封育区和对照区,表明长期封育不利于促进并提高草场的放牧利用价值。     

数学模型在合成微生物群落构建中的应用

微生物在自然环境中分布广泛、多样性高,作为群落成员发挥着重要的生态系统功能.然而,自然微生物群落的组成和相互作用极其复杂,简单可控的合成微生物群落更易于研究微生物群落多样性与生态系统功能的关系及其相互作用机制等关键微生物生态学问题.将数学模型应用于合成微生物群落是目前合成微生物生态学研究的重要手段,有助于理解微生物群落的动态演替和生态学原理.本文综述构建合成微生物群落的数学模型,分别描述微生物个体、种群和基因组水平构建模型的基本原理和优缺点及其在合成微生物群落构建中的应用最新进展,并讨论集成微生物个体、种群与基因组水平的建模方法,指出通过"设计—构建—分析—学习"的循环能更好地实现数学模型在合成微生物群落构建中的应用,推动合成微生物生态学的研究.同时,介绍合成微生物群落在工业技术、环境修复、人类健康等方面的应用,展望数学模型在合成微生物群落构建中应用的发展方向与应用前景.未来应从完善实验数据和模型算法以及两者更好地结合等方面入手,提高数学模型在微生物群落构建中的预测性、适用性与通用性,并将这些模型应用于合成微生物生态学和微生物组工程,为相关生物技术提供理论指导,促进生物经济的发展.(图1表1参95)