农田土壤自养微生物碳同化潜力及其功能基因数量、关键酶活性分析

研究农田土壤自养微生物碳同化潜力,对全面认识农田生态系统碳吸收和碳储存有着重要意义.选取6种典型农田土壤,通过14C连续标记示踪技术结合密闭系统模拟培养,量化了土壤自养微生物碳同化潜力及其向土壤活性碳库组分转化,同时结合分子生物学技术及酶学分析方法,探讨了不同土壤自养微生物细菌固碳功能基因(cbbL)丰度及关键酶(RubisCO)活性.结果表明,土壤自养微生物具有可观的CO2同化潜力,在本实验条件下,全球每年表层(0~20 cm)土壤通过自养微生物的同化作用可固定的碳为0.57~7.3 Pg.供试土壤的14C土壤有机碳(14C-SOC)含量范围为10.63~133.81 mg·kg-1,而14C可溶性有机碳(14C-DOC)、14C微生物生物量碳(14C-MBC)含量范围分别为0.96~8.10 mg·kg-1、1.70~49.16 mg·kg-1.土壤可溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和SOC的更新率分别为5.07%~14.3%、2.51%~13.12%和0.09%~0.64%.土壤细菌cbbL丰度范围为2.40×107~1.9×108copies·g-1,且RubisCO酶活性(CO2/soil)范围为34.06~71.86 nmol·(g·min)-1.相关分析表明,土壤14C-SOC与14C-MBC及RubisCO酶活性均呈极显著正相关关系(P<0.01).说明土壤对大气CO2的同化作用主要是由自养微生物参与的同化过程,且较高的RubisCO酶活性意味着较高的自养微生物CO2同化潜力.     

坡位与土层对喀斯特原生林土壤微生物生物量与丰度的影响

运用氯仿熏蒸法和实时荧光定量PCR(Real-time PCR)法,检测喀斯特峰丛洼地原生林上、中、下坡位各土层(淋溶层:A层0~10 cm;过渡层:AB层30~50 cm;淀积层:B层70~100 cm)中土壤微生物生物量碳、氮(SMBC、SMBN)及微生物(细菌和真菌)丰度的变化,揭示坡位和土层对土壤微生物生物量和丰度的影响.结果表明,坡位和土层及其交互作用均对土壤微生物生物量及丰度具有显著影响(P0.05).具体表现为,土壤微生物生物量与丰度均随土层深度的增加而降低;A层SMBC在下坡位表现最高,均高于上坡位(P0.05),AB层、B层SMBC在中坡位最高;SMBN均在下坡位表现为最高,显著高于上坡位(P0.05);除B层细菌丰度、AB层真菌丰度在各坡位间无显著差异外,均表现为中坡位最高(P0.05).逐步回归分析结果表明,在坡位和土层的影响下,有机碳、碱解氮与p H、碱解氮与速效磷、速效钾分别是SMBC、SMBN、细菌丰度、真菌丰度的主要影响因子.     

生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应

将原农业排水沟渠改建成生态沟,以水生美人蕉、黑三棱、灯心草、铜钱草和绿狐尾藻等为试验植物,通过沟渠水样氮、磷去除的时空变化,各植物区泥沙和植物氮、磷含量的对比,探讨了生态沟渠对农业面源污染的阻控效应.结果表明,生态沟渠出水氮、磷浓度分别低于地表水环境质量标准Ⅳ类和Ⅱ类,整条生态沟渠对水体总氮、总磷的平均去除率分别为64.3%、69.7%.整条生态沟渠2010年和2011年拦截泥沙总量的平均值为40 400 kg,含泥沙氮52.4 kg,泥沙磷21.4 kg;其中各植物段拦截泥沙氮、磷量为水生美人蕉铜钱草黑三棱绿狐尾藻灯心草.生态沟渠植物每年累积带走的氮、磷量分别为7.9 kg和1.4 kg;5种植物氮、磷吸收量最高的是水生美人蕉和绿狐尾藻,二者的地上生物量与地下生物量比值也远高于其他3种植物.因此,生态沟渠对氮、磷污染物有较好的拦截效应,5种植物中氮、磷吸收效果最好的是水生美人蕉和绿狐尾藻.     

岩性对喀斯特灌丛土壤固氮菌与丛枝菌根真菌群落结构及丰度的影响

运用末端限制性片段长度多态性(terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)和荧光定量PCR(real-time PCR)法,检测喀斯特灌丛生态系统中不同岩性条件下土壤固氮菌与丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)真菌群落结构与丰度的变化,揭示岩性对灌丛生态系统土壤中固氮菌与AM真菌群落结构与丰度的影响.结果表明不同岩性条件下,土壤固氮菌与AM真菌丰度存在显著差异,其中,固氮菌与AM真菌丰度在石灰岩土壤中最大,白云岩土壤中最小,石灰岩-白云岩夹层土壤介于两者之间;同样,不同岩性土壤中固氮菌与AM真菌群落结构存在显著性差异.土壤Olsen-P、有机碳、黏粒含量与固氮菌丰度存在显著正相关关系,而土壤全氮、黏粒含量与AM真菌丰度存在显著正相关.RDA分析表明,植物均匀度影响固氮菌群落组成结构,而植物均匀度、香农多样性指数及丰富度指数影响AM真菌群落组成结构.以上的研究结果表明:岩性主要是通过影响植物与土壤养分来影响土壤固氮菌与AM真菌群落组成结构及丰度.     

秸秆还田对外源氮在土壤中转化及其微生物响应的影响

秸秆还田是农业生产上提高土壤肥力的重要措施,而秸秆中较高的碳氮比,使秸秆碳的利用率较低,温室气体排放较高,因此配施无机氮磷肥能够调控土壤中元素计量比,增加微生物活性和元素利用率,促进土壤肥力提升.本研究选择在模拟秸秆还田条件下,添加¹⁵ N标记的无机氮肥,研究不同养分肥料添加对土壤中外源氮转化与分配的影响,以及微生物响应特征.结果表明,秸秆添加增加了土壤和土壤溶液中铵态氮和总氮含量;秸秆与无机氮肥配施条件下,土壤中¹⁵ N-TN在100 d培养时期内基本保持在28~33 μg,¹⁵ N-NH₄⁺在前30 d培养时期内逐渐增加,而后逐渐降低;施P增加了土壤中¹⁵ N-TN和¹⁵ N-NH₄⁺的含量,却使土壤溶液中¹⁵ N量降低了28%.无机氮肥在土壤中的分配表明,¹⁵ N在土壤中的比例基本保持在52%~61%,磷肥的添加使¹⁵ N在土壤中的分配比例最大提高了16.5%,而土壤溶液中¹⁵ N的比例由第5 d的36%降低至100 d时30%,使外源¹⁵ N损失量减少了1.2倍.秸秆添加促进了微生物活性,显著提高了土壤MBN的量;而无机肥料的添加进一步促进了土壤微生物的活性,100 d培养实验后,秸秆与无机氮、磷肥同时添加使MBN增加到对照处理的2.0和2.2倍.磷肥添加促进了微生物对¹⁵ N的利用,使¹⁵ N-微生物生物量氮（¹⁵ N-MBN）的量比添加秸秆和氮肥处理的提高了1.5倍.对土壤氮转化酶活性（β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶,NAG）的研究结果表明,氮肥降低了土壤酶活性和底物亲和性,而氮磷肥同时添加时,酶活性较单加秸秆处理提高了48.1%.本研究可为深入了解稻田土壤生态系统氮循环、实现农田土壤肥力提升和温室气体减排提供理论依据.     

不同碳负荷梯度下稻田土壤有机碳矿化特征

易利用态有机碳是土壤微生物的重要碳源,影响土壤有机碳的矿化和累积过程,而易利用态碳源的输入量尤其是相对于土壤微生物生物量碳的不同输入负荷,对土壤有机碳的矿化影响机制尚不明确.因此,本研究采取室内模拟培养实验,选择不同浓度梯度添加[0. 5、1、3、5倍微生物量碳(MBC)]~(13)C-葡萄糖,分析葡萄糖-C的矿化特征及其激发效应.结果表明,葡萄糖-C矿化率随着外源碳添加量的增加而显著增加;葡萄糖-C向快库、慢库分配的比例也分别与碳添加量呈指数关系(R~2=0. 99,P 0. 05和R~2=0. 99,P 0. 05).在高添加量处理(3×MBC、5×MBC)中,葡萄糖的添加抑制土壤原有有机碳的矿化,即表现出负激发效应;而在低添加量处理(0. 5×MBC、1×MBC)中,表现为正激发效应,60 d培养结束后累积激发效应分别为160. 0 mg·kg~(-1)和325. 1 mg·kg~(-1).相关性分析结果表明在培养实验前期,累积激发效应主要受MBC、MBN和DOC的影响,而在后期主要β-葡糖苷酶、几丁质酶和铵态氮的影响.因此,稻田土壤有机碳矿化和激发效应与易利用态有机碳添加的碳负荷密切相关,并通过微生物量和酶活性调控土壤碳的矿化过程.本研究对于揭示稻田有机碳累积行为与推动农业可持续发展具有重要的科学意义.     

几种修复措施对Cd淋失及土壤剖面运移影响

采集典型Cd超标稻田土壤开展室外盆栽实验,选取石灰、生物炭、苎麻、苎麻+有机酸EDTA添加强化富集植物等当前具有大田推广潜力的重金属超标土壤修复措施为研究对象,分析降雨、土壤双重酸性环境不同修复措施下土壤剖面有效态Cd含量变化及其径流流失特征.结果表明,生物炭(2%质量分数添加量)相比其他处理可显著提高土壤p H,苎麻添加EDTA则明显降低了土壤p H.同次降雨事件中,苎麻处理所产生的径流水样中水溶态Cd质量浓度显著高于水稻降雨排水,水稻生物炭添加处理径流水Cd质量浓度明显低于石灰添加及其他各处理,苎麻添加EDTA后径流水Cd质量浓度比苎麻显著升高,石灰处理(0.3%质量分数添加量)对土壤p H、径流水Cd质量浓度影响不明显.实验周期内,径流水Cd的质量浓度呈现春季高于夏季的特征.生物炭添加可显著降低0~20 cm土层有效态Cd含量且具一定持续效应,EDTA添加则显著提高了0~20cm土层有效态Cd的含量,而添加一段时间后含量则明显降低,但20~40 cm土层有效态Cd含量则略高于其他处理,具有一定的次表层土壤Cd活化效应.综上,生物炭等碱性固化材料添加修复措施可降低Cd污染土壤对地表受纳水体、土壤剖面下移的污染风险,而有机酸强化植物修复技术对地表水、深层土壤Cd污染风险较大,因此有机酸强化植物修复措施在大田推广时应充分考虑重金属的二次污染风险.     

水稻光合同化碳在土壤不同粒径、密度分组中的分配特征

水稻生长影响土壤有机质在土壤及其各组分中的分布,是关系土壤有机质储量的重要因子.为量化水稻光合同化碳在土壤不同粒径和密度组分中的分布,进而为水稻土有机质积累持续机制与固碳潜力研究提供数据支撑,应用14C连续标记示踪技术,以当地主栽水稻品种"中优169"为供试作物,分别选取亚热带区4种典型稻田土壤,通过土壤有机质物理分组方法探讨了水稻根际输入的光合碳在土壤物理组分(粒径、密度)中的含量和分配特征.结果表明,水稻标记种植80 d后,250～2 000μm粒径的SOC14含量范围为118.23～309.94 mg.kg-1,SOC14/SOC的比例范围为0.52%～1.55%,均大于20～250μm、<20μm这2个粒径的SOC14含量和SOC14/SOC的比例,250～2 000μm、20～250μm这2个粒径的轻组组分的SOC14含量均显著大于相应的重组组分的SOC14含量,说明稻田生态系统通过水稻的根际沉积作用将有机碳(水稻光合同化碳)主要固定在大粒径的轻组组分中,从而提高了土壤有机碳含量.相关分析表明,250～2 000μm粒径与其轻、重组组分、<20μm粒径、20～250μm粒径的SOC14含量之间均呈显著性正相关,而<20μm、20～250μm粒径的轻组组分的SOC14含量之间呈极显著性负相关.     

间种高粱及施用大颗粒尿素对茶园N2O排放的影响

茶园施肥量大、氧化亚氮(N_2O)排放系数高,且近年来我国茶园面积不断扩大,使茶园成为重要的农业N_2O排放源,亟需有效的茶园N_2O减排措施.本研究在我国中亚热带典型丘陵茶园,通过设置间种高粱、施用大颗粒尿素和常规施肥3种管理措施,观测不同管理措施下茶园土壤N_2O及相关环境因子动态,旨在解析茶园土壤N_2O排放的主控因子和明确提出的减排措施的有效性. 2 a的田间试验结果表明:①茶园土壤N_2O排放通量与土壤化学性质、温度及降雨有显著的相关性,土壤物理性质和土壤化学性质的交互作用对N_2O排放影响最大,土壤化学性质中的NO~-_3-N含量是决定N_2O排放量大小的最主要因素,茶园土壤N_2O减排研究的工作重点在于如何减小土壤中的NO~-_3-N含量;②间种高粱在未影响茶叶产量的前提下减少了51.2%的N_2O排放,从缓解全球气候变暖角度看,间种高粱是本研究中最佳的茶园管理措施;③施用大颗粒尿素在提高29.5%的茶叶产量同时减少了34.7%的N_2O排放,从兼顾经济效益及缓解全球气候变暖的角度看,茶园中施用大颗粒尿素则是本研究中最佳的施肥措施.