长期施用氮肥对土壤细菌硝化基因多样性及组成的影响

以中国科学院桃源农业生态试验站水稻长期定位试验为平台(28°55′49.8″N,111°26′25.7″E),运用PCR、克隆文库构建等分子生物学技术研究长期单施氮肥(尿素)对亚硝化基因(amoA和hao)多样性及其群落结构的影响.结果表明,长期单施氮肥使amoA基因多样性降低(Shannon指数减少了11%),而ha...     

福建省杉木人工林土壤亚硝酸盐还原基因丰度及其主要环境驱动因子

杉木在我国南方亚热带地区被大面积种植,导致土壤性质发生巨大变化.为揭示福建省杉木人工林土壤中亚硝酸盐还原基因(nirS和nirK)的分布特征及其主要环境驱动因子,本研究选取福建省9个主要林场的杉木人工林土壤为研究对象,使用荧光定量PCR分析了nirS和nirK基因丰度,同时测定反硝化潜势.结果表明:福建省杉木人工林土壤理化性质呈较大的变异特征,其中,pH值为4.02～5.05,为典型的酸性森林土壤.各采样点杉木人工林土壤nirS丰度均显著高于nirK,表明nirS在酸性杉木人工林土壤中占主导.随机森林和逐步回归分析均表明,土壤含水率是影响nirS基因丰度最主要的环境因子,而nirK基因丰度则主要受土壤pH值调控.相关性分析表明,nirS和nirK基因丰度分别与土壤含水率和pH值呈显著正相关.此外,土壤反硝化潜势与SOC、DOC、TN、NO₃^-、MC等环境因子呈显著相关,同时与nirK丰度呈显著正相关,但与nirS丰度无显著相关.综上,福建省杉木人工林土壤nirS和nirK基因丰度存在较大空间变异,土壤含水率和pH值分别是其主要环境驱动因子.     

不同植物对沟渠沉积物反硝化速率及功能基因的影响研究

植物是影响沉积物反硝化作用的重要因素之一,国内外已有不少研究探讨了植物对河口或湖泊沉积物反硝化速率的影响,但关于植物类型对自然沟渠沉积物反硝化速率及其相应功能基因的影响研究不多.因此,本文以7种常见沟渠植物为研究对象,通过室内盆栽试验,利用改进的乙炔抑制法和实时荧光定量PCR技术研究了不同植物对自然沟渠沉积物反硝化速率和相应功能基因(nirS和nirK)拷贝数的影响.结果表明,培养至第180 d时,不同植物生长条件下沉积物反硝化速率在2.85～13.20μg·m~(-2)·h~(-1)之间,不同植物间反硝化速率差异显著,且大型挺水植物浮水植物小型挺水植物.不同植物之间沉积物中nirS基因拷贝数在2.70×10~8～5.02×10~8 copies·g~(-1)之间,nirK基因拷贝数在3.97×10~5～6.91×10~5 copies·g~(-1)之间,与培养初期相比,培养180 d后沉积物中nirK、nirS基因拷贝数明显增多.7种植物中,美人蕉沉积物中的反硝化功能基因拷贝数较高,狐尾藻较低,整体来看,基因拷贝数大小顺序为:挺水植物浮水植物.nirS基因拷贝数与NO~-_3-N含量、TN含量及反硝化速率之间均呈显著性的正相关关系(p0.05),但nirK基因拷贝数与沉积物碳氮含量及反硝化速率之间相关性不显著.     

长期施用猪粪水稻土抗生素抗性基因污染研究

为了全面研究猪粪有机肥对水稻土抗生素抗性及分布格局的影响,选择295对抗生素抗性基因引物,采用高通量荧光定量PCR对水稻土中的抗生素抗性基因污染情况进行了研究.结果表明,未施用猪粪水稻土检测出66种抗性基因,而施用猪粪水稻土则检测出107种抗生素抗性基因,施用猪粪后水稻土中抗生素抗性基因种类显著增加(P<0.05).相对于未施用猪粪水稻土,施用猪粪水稻土有49种抗生素抗性基因丰度显著增加(P<0.05),其中施用猪粪水稻土中喹诺酮类/氯霉素类抗性基因的mexF的丰度相对于未施用猪粪水稻土增加1791倍.高通量定量结果表明,施用猪粪的水稻土抗生素抗性基因分布格局发生显著变化,高通量定量技术是研究环境抗生素抗性基因的一个非常实用的工具.     

同步硝化反硝化系统中反硝化细菌多样性研究

采用聚合酶链式反应(PCR)和分子克隆构建nirS克隆文库对同步硝化反硝化系统好氧池中反硝化细菌多样性进行了研究.从克隆文库中随机挑选75个克隆子进行序列测定,对测序结果进行了BLAST比对.结果表明,有74个克隆子分属于3个不同的细菌类群,包括β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria和Uncultured bacterium. β-Proteobacteria纲为好氧池内优势菌群,占文库比例的54.41%;其次是γ-Proteobacteria纲,占文库比例的25%.对测序得到的12个OTU用MEGA软件进行系统发育分析,结果显示Thauera属为该系统中最主要的脱氮菌属.     

磷差异性调控水稻根际nirK/nirS型反硝化菌组成与丰度

磷作为一种重要的生命元素,对反硝化微生物的活性和功能有重要影响.反硝化功能基因nir K和nir S是编码亚硝酸还原酶的两种同工酶基因,但是,磷对具有同种功能的nir K和nir S型反硝化菌的调控是否存在差异尚不十分清楚.本文采集严重缺磷红壤性水稻土设置水稻盆栽试验,通过外源添加磷肥设置对照(CK,P:0 mg·kg-1),低磷(P1,P:15 mg·kg-1),高磷(P2,P:30 mg·kg-1)这3个磷添加水平,研究不同磷水平对水稻亚硝酸还原酶基因的组成与丰度的调控作用.结果表明,在长期缺磷土壤上施用磷肥对含亚硝酸还原酶基因nir K和nir S的细菌种群的调控作用有明显差异.不管是根际还是非根际土,含nir S的微生物种群均对施磷水平表现敏感,尤其是高磷(P2)水平,施磷可导致nir S丰度提高2～3倍,同时显著改变nir S型反硝化微生物的组成结构.相比之下,施磷后含nir K基因的微生物组成结构和丰度变异较小.与非根际土壤相比,高磷水平条件下根际土中nir S的基因拷贝数和群落结构均发生了显著变化,缺磷和低磷条件下水稻生长只引起根际土nir S种群组成结构发生显著变化,但其丰度与非根际无显著差异.但不同磷水平条件下nir K的基因丰度和组成结构在根际和非根际土之间几乎无显著变化.综上所述,在严重缺磷水稻土中加施磷肥会显著提高水稻根际和非根际土中nir K和nir S型反硝化菌数量,并改变其种群组成结构,且nir S比nir K型种群响应更敏感.不同磷水平条件下的水稻根系生长均显著改变了根际土壤中nir K和nir S种群组成结构,但除了在高磷水平条件下显著增加了nir S丰度外,对nir K和nir S丰度均影响较小.研究结果可为进一步深入探究施肥对土壤反硝化过程的影响提供理论依据.     

海河口沉积物nirS型反硝化微生物多样性研究

以海河口典型淡水、淡海水以及海水环境的沉积物样品为研究对象,采用克隆文库及典范对应分析等方法研究了nirS型反硝化微生物群落结构的多样性。3个站位共获得154条有效序列,97%序列相似性水平划分为66个OTUs,海水环境的沉积物站位nirS型反硝化微生物多样性最高。系统进化分析显示,全部OTUs序列被划分为7个簇,最相近序列的微生物主要来源于河口、富营养化海湾、人工湿地及海水养殖沉积物等环境。海河口具有独特的反硝化微生物群落分布格局,典范对应分析结果表明该区域的盐度、有机碳以及氮相关营养盐水平是影响其群落特征的重要因素。     

除草剂对氮肥反硝化损失与N2O排放的影响

在华北平原潮土上,采用原状土柱培养乙炔抑制法研究玉米地氮肥反硝化损失和N2O排放量以及喷施3种除草剂(乙莠、丁莠和旱锄)的影响.结果表明,氮肥的反硝化损失量为2.66kgN/hm2,占施肥量的1.77%;氮肥产生的N2O排放量为3.14kgN/hm2,占施氮量的2.09%,反硝化不是该地区旱作系统氮肥损失的主要途径,但氮肥的施用大大增加N2O排放量.喷施除草剂显著或极显著降低氮肥的N2O排放量和反硝化损失量,比单施尿素处理分别降低2.01~2.85kgN/hm2和2.56~3.16kgN/hm2.     

农业废物好氧堆肥中环境因子对nirK、nirS和nosZ数量的影响

应用定量聚合酶链式反应(real-time PCR)技术对农业废物好氧堆肥过程中参与反硝化过程的功能基因(nirK、nirS和nosZ)丰度在堆体不同位置处随时间的变化情况进行了研究.结果表明,随着堆肥进程,3种基因数量整体呈现出先升后降的变化规律,且不同位置处的反硝化基因数量之间存在着显著的差异性.使用Canoco 4.5软件对获得的反硝化功能基因丰度数据与不同时期不同层次堆体温度、pH、含水率、NH4+-N、NO3--N和水溶性有机碳(WSC)等环境因子的相关性进行冗余分析(redundancy analysis,RDA).基于手动选择的RDA分析结果表明,WSC、NH4+-N和堆体温度对反硝化基因丰度有着显著的影响(P<0.05),且前2个因子达到了极显著水平(P<0.01).应用t-value回归分析方法单独分析每种环境因子与3种基因的相关性,其中nirK与温度和pH显著正相关(P<0.05),nirS与温度显著正相关(P<0.05),nosZ与NH4+-N显著正相关(P<0.05)、与WSC显著负相关(P<0.05).     

长期不同耕作方式对紫色水稻土重金属含量及有效性的影响

通过长期定位试验,研究了常规平作、水旱轮作、免耕冬水、垄作免耕和厢作免耕5种耕作方式对紫色水稻土剖面重金属(Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd)总量、有效量及水稻根、茎叶和糙米重金属含量的影响.结果表明,经过22 a的耕作,5种耕作方式对紫色水稻土剖面Fe、Cu、Zn、Pb、Cd总量的剖面分布状况影响不显著,而对土壤Mn的剖面分布状况影响显著,常规平作、水旱轮作及免耕冬水均导致表层土壤Mn向下层淋失.5种耕作方式下土壤Fe、Cu、Zn、Pb和Cd的有效量均随土层深度的增加呈降低趋势,而常规平作、免耕冬水、垄作免耕及厢作免耕土壤Mn有效量则表现出随土层深度的增加而增高的趋势.5种耕作方式下,表层土壤Fe、Mn有效量以水旱轮作最高,Zn、Pb有效量以常规平作最高,而Cu有效量受耕作方式的影响不显著.相关分析结果表明,表层土壤有效Fe与pH呈极显著的负相关关系,与有机质呈显著的负相关关系,有效Mn与pH和有机质均呈极显著的负相关关系,有效Zn与总Zn呈显著正相关关系.水旱轮作、垄作免耕及厢作免耕条件下水稻根部Fe、Mn含量,茎叶Fe、Mn、Cu、Cd含量,糙米Cu含量均高于常规平作和免耕冬水,水旱轮作能明显降低Cd向糙米的迁移系数,对降低糙米Cd含量有明显的效果,且水旱轮作条件下糙米Cd含量低于国家食品卫生标准.水稻根部Fe含量与pH呈极显著负相关关系,与有效Fe呈极显著正相关关系,根部Mn含量与pH呈极显著负相关关系,与有效Mn呈极显著正相关关系,茎叶中Mn含量与pH呈显著的负相关关系,与总Mn及有效Mn呈显著的正相关关系,茎叶和糙米Cu含量与pH均呈极显著的负相关关系,糙米中Zn含量与pH呈显著负相关关系,与CEC呈极显著正相关关系.结果表明,耕作方式主要通过影响土壤pH而影响土壤重金属的有效量及水稻重金属的含量,水旱轮作可提高表层土壤Fe、Mn活性,降低土壤Zn、Pb和Cd活性,并能在一定程度上降低糙米Pb、Cd含量,但也应注意长期的水旱轮作可能会导致表层土壤Mn过度向下层淋溶.     

长期不同施肥量对全程氨氧化细菌丰度的影响

全程氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)的发现彻底改变了对传统硝化作用的认知,其在生物地球化学氮循环中可能具有很重要的作用,并为硝化作用研究提供了新的思路,故需要有更多的工作去评估Comammox Nitrospira在不同生态系统中的分布,本试验选取西南大学长期定位试验田的3种不同施肥量的水稻土,分别为对照组(blank control)、常规施肥量(NPK)、高量施肥(1.5NPKS)处理土壤,进行硝化势及硝化微生物尤其是全程氨氧化细菌的测定.结果表明:(1)3种施肥量处理土壤中均检测出较高数量级的Comammox,分支A(Clade A)丰度(以干土计,下同)分别为9.0×107、1.7×108、7.2×108copies·g~(-1),而分支B(Clade B)丰度分别为1.5×107、1.2×107、1.7×107copies·g~(-1).(2)3种施肥土壤中AOA丰度为1.5×107~1.2×108copies·g~(-1),AOB丰度分别为2.0×105~9.3×107copies·g~(-1),均低于Comammox丰度,而不施肥条件下Comammox丰度与AOA、AOB的比值最大,分别为7.2、524.4.(3)Comammox Clade A丰度与Comammox Clade B的比值随施肥量增加而增加,且比值依次为6.1、14.4、43.1.(4)NPK、1.5NPKS两种N肥施用量下全程氨氧化细菌分支A丰度分别为对照组的1.9、8.0倍,氨氧化古菌(AOA)分别是对照组的3.2、7.2倍,氨氧化细菌(AOB)均比对照组显著增加2个数量级;硝化势也随施肥量增加而增大;但不同施肥量对分支B丰度却无显著影响.本试验结果表明Comammox广泛分布于中性紫色水稻土中,在水稻土中丰度均比AOA、AOB高,因此Comammox很有可能在中性紫色水稻土的硝化作用中有一定贡献;水稻土中Comammox以Comammox Clade A为主.     

长期施肥对不同深度稻田土壤碳氮水解酶活性的影响特征

与稻田土壤碳周转密切相关的酶活性是评价土壤肥力和肥料管理的重要指标.本研究选取秸秆还田(ST)、化肥(NPK)和不施肥(CK)的长期定位试验田,以10 cm的间距分段采集土壤剖面0~40 cm范围内的新鲜土样,利用96微孔酶标板荧光分析法,测定参与土壤碳氮转化过程关键酶β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)和β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性,探讨不同施肥措施对不同深层土壤酶活的影响.结果表明,相比不施肥的土壤,施用化肥和秸秆土壤的BG酶活性分别提高了35%~118%和55%~342%;NAG酶活性分别提高了9%~30%和102%~484%.同时,随着土层深度的增加,土壤酶活性逐渐降低,0~20 cm深层土壤酶活性显著高于20~40 cm深层土壤.在不同施肥措施中秸秆还田可高程度影响稻田深层土壤.RDA分析表明土壤碳氮含量主要与0~20 cm的土壤酶活性有显著的正相关关系,与20~40 cm的土壤酶活性呈负相关关系.综上所述,随着土壤深度增加土壤微生物量和土壤酶活性显著降低.长期施肥显著提高了不同深层土壤生物量和土壤酶活性,其中秸秆还田作用尤为突出.因此,合理的秸杆还田有利于改善稻田深层土壤肥力,优化农田土壤养分循环,为作物生长提供良好的土壤环境.     

镉胁迫下稻田土壤微生物基因多样性的DGGE分子指纹分析

采用现代分子生物学技术,避开传统的分离培养过程,探讨重金属镉污染条件下稻田土壤微生物种群的基因多样性.经过直接从土壤中抽提总DNA,并对总DNA中16S rDNA及其中 V3可变区序列作PCR扩增、变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析等,对镉胁迫下稻田土壤总DNA、微生物种类分布进行了初步的研究,发现不同浓度镉胁迫下稻田土壤间的菌种有明显差异,DGGE技术可以用于污染环境下微生物多样性研究.同时对DGGE分子指纹图谱的生物信息学分析作了初步尝试,为污染环境下土壤微生物多样性研究提供了新的实验方法与依据.     

长期施肥对红壤稻田耕层土壤碳储量的影响

以红壤性稻田土壤为对象,研究了长期施肥（1990～2006年）对稻田表层土壤碳储量及固碳潜力的影响,讨论了耕层厚度变化对碳储量估算及处理间差异的影响.研究发现,与长期施用化肥相比,有机物的循环利用能显著提高红壤性稻田土壤碳储量,其碳储量为57.7～66.2 t/hm²,比试验前高出18.7～27.2 t/hm²,而长期施用化肥碳储量提高幅度平均为5.4 t/hm².红壤性稻田土壤饱和固碳量为84.0 t/hm²,与目前碳储量相比还有17.8～43.7 t/hm²的固碳潜力.研究证实,土壤碳储量与土壤容重和表层土壤厚度的变化密切相关,以20 cm或23 cm作为统计厚度估算表层土壤的碳储量将分别低估20.6％和11.3％,其中有机物施用处理碳储量低估幅度最大（分别为26.8％和18.9％）;另外,用相同统计厚度进行碳储量估算减小了不同施肥处理间的差异.从稻田土壤碳储量及固碳潜力来考虑,有机物配合化肥施用是红壤稻田较优的施肥方式.     

菌渣与化肥配施对稻田土壤微生物群落组成及多样性的影响

菌渣是一种独特而丰富的有机物料,与化肥配施不仅能改良土壤质量还可以调控微生物群落.然而,土壤细菌和真菌对菌渣与化肥配施的响应是否一致仍不清楚.在水稻田间长期定位试验条件下,设置化肥水平(C)0%、 50%和100%,菌渣相对用量(F)0%、 50%和100%各3个水平,共9个处理,对土壤肥力与微生物群落的相关指标进行测定.结果表明,土壤全氮(TN)在C₀F₁₀₀处理中最高,碳氮比(C/N)、全磷(TP)、可溶性碳(DOC)和有效磷(AP)在C₁₀₀F₁₀₀处理中最高,土壤有机碳(SOC)、碱解氮(AN)、速效钾(AK)和pH在C₅₀F₁₀₀处理中最高,较对照分别增加了55.56%、 26.18%、 26.46%、 17.13%、 279.54%、 85.57%、 41.61%、 29.33%和4.62%.菌渣与化肥配施后,不同处理土壤细菌和真菌α-多样性存在显著变化,与对照C₀F₀处理相比较,各处理细菌β-多样性...     

不同施肥处理对红壤丘陵区水稻土养分状况的影响

研究依托千烟洲生态站,利用1998年建立的红壤稻田长期定位施肥试验,研究不同施肥处理对水稻土土壤碳及养分的影响。结果表明:①施用有机肥有利于提高土壤碳、 氮、 磷含量,土壤总有机碳(SOC)含量达到16.8 g·kg^-1,全氮(TN)含量达到1.5 g·kg^-1,速效氮(AN)含量达到153.8 mg·kg^-1,速效磷(AP)含量达到43.3 mg·kg^-1,而土壤速效钾(AK)含量仅达到23.0 mg·kg^-1,低于施用化肥的各个处理;②施用氮、 磷、 钾肥减缓了红壤水稻土酸化趋势,显著增加土壤AP(12.3~47.1 mg·kg^-1)、 AK(22.3~54.5 mg·kg^-1)含量;③秸秆还田可以提高稻田红壤SOC(10.8 g·kg^-1)、 TN(1.1 g·kg^-1)含量。因此,建议在红壤稻田施入适量有机肥,提倡秸秆还田,提高土壤碳含量,同时配合施用钾肥,满足作物对养分的需求;化肥、 有机肥施用量需要考虑其对水体氮、 磷污染的潜在风险。     

长期施肥对水稻土耕层微生物生物量氮和有机氮组分的影响

以亚热带2个国家级稻田土壤肥力变化长期定位监测点的土样为对象,研究了长期施肥对土壤微生物生物量氮(B_N)和有机氮组分的影响.采用氯仿熏蒸-K₂SO₄提取法和酸水解-蒸馏法分别对耕层土壤微生物生物量氮和有机氮组分进行了测定.结果表明,经过17a的有机无机肥配合施用,土壤氮含量水平较低的宁乡点,土壤全氮平均每年增加约40 　mg·kg^－1,而土壤氮含量水平较高的南县点,平均每年增加约55 　mg·kg^－1.有机无机肥长期配合施用也提高了土壤微生物生物量氮和微生物生物量氮占全氮的比例;同时也显著增加酸解性氮及氨基酸态氮、酸解未知氮的含量.此外,土壤酸解性氮及其组分均与微生物生物量氮存在极显著的正相关关系,其中氨基酸态氮和酸解未知氮对微生物生物量氮的影响最大.研究表明,有机无机肥配施是使稻田土壤氮素含量提高的重要措施,有机无机肥配施促进了土壤氮库的积累,即易矿化和较难矿化2部分氮库同时增加.     

粪肥和有机肥施用对稻田土壤微生物群落多样性影响

为探究典型粪肥施用对稻田土壤微生物的影响,开展崇明岛稻田粪肥施用现场实验.采用高通量测序技术分析对照组(CK)和鸡粪(CM)、猪粪(PM)和有机肥(OF)施用稻田土壤微生物群落组成及多样性.结果表明,与CK相比,施用有机肥可提高土壤有机质(SOM),施用鸡粪可显著提高土壤氨氮(NH⁺₄-N)和总氮(TN)含量(P<0.05).PM组土壤微生物多样性显著高于CK组(P<0.05),OF组土壤微生物群落丰富度显著高于CM组(P<0.05).pH值、总磷(TP)、总氮和Pb是影响稻田土壤微生物群落组成的重要因素,CM组微生物群落结构与其他3组差异较大.与CK相比,OF组增加了硝化螺菌属(Nitrospira)的相对丰度,CM组显著降低了反硝化细菌Ignavibacteriae的相对丰度(P<0.01),达40.56%,但显著增加了硝化细菌陶厄氏菌属(Thauera)的相对丰度(P<0.05),达203.00%; PM组显著增加了氨化细菌Armatimonadetes的相对丰度(P<0.05),达57.51%,还增...