土壤微生物多样性的主要影响因素

土壤微生物是土壤生态系统的主要组成部分,而且不同的土壤具有不同的土壤微生物群落。影响土壤微生物多样性的因素很多,主要可以分为自然因素和人为因素。本文将从土壤微生物多样性的影响因素的两个方面阐述目前国内外土壤微生物多样性的研究现状。     

土壤生态系统微生物多样性技术研究进展

土壤微生物多样性主要研究土壤环境中微生物种群的类别、丰度、分布、结构变化及微生物群落功能的多样性,是土壤生物多样性研究的主体部分。19世纪末,传统的微生物分离培养方法应用于土壤微生物多样性解析。至20世纪70年代,建立了以磷脂脂肪酸图谱分析法(PLFA)和BIOLOG微量分析法为代表的对土壤微生物群落多样性评价的生物化学方法。20世纪90年代后期,随着分子生物学技术的快速发展,建立了变性梯度凝胶电泳(DGGE)、末端限制性片段长度多样性(TRFLP)、克隆文库和高通量测序等土壤微生物多样性研究方法。本文综述了土壤微生物多样性研究技术的原理、进展,并对不同技术的优缺点及应用进行探讨,并对相关领域研究提出思考。     

冬季小流域水体微生物多样性及影响因素

小流域是农业面源、工业源发生和汇集的源头,小流域的水质状况将直接影响着整个流域的水质安全.本文以重庆市涪陵区李渡新区小流域为研究对象,结合高通量测序技术分析了小流域内径流及受纳水体微生物的群落特征,考察了水体理化因子对水体中微生物多样性的影响.结果表明,李渡新区小流域是受纳水体中亚硝态氮和溶解性有机碳的重要来源.小流域内流经不同污染源的水体微生物丰富度和多样性没有呈现显著的差异性,微生物多样性指数与水体总磷（r为-0.79~-0.84,P≤0.01）和磷酸盐（r为-0.71~-0.80,P≤0.01）含量均呈极显著负相关关系.门水平上,流经农业区的径流以放线菌门（37.33%±14.69%）占比最大,其次是变形菌门（32.53%±7.18%）、蓝细菌门（14.65%±22.64%）和拟杆菌门（8.50%±3.67%）等;流经工业区的径流以变形菌门（43.67%±10.80%）占比最大,其次是拟杆菌门（25.33%±11.97%）、放线菌门（24.17%±14.66%）和厚壁菌门（2.53%±0.72%）等.属水平上,流经农业区的径流以hgcI_clade（19.08%±13.46%）占比最大,其次是CL 500-29_marine_group（7.40%±4.44%）和Limnohabitans（7.05%±3.14%）等;流经工业区的径流以黄杆菌属（20.40%±12.37%）占比最大,其次是hgcI_clade（15.30%±11.11%）和不动杆菌属（9.33%±11.50%）等,径流水体中的黄杆菌属可能与流域内工业源的输入有关.亚硝态氮、总磷、磷酸盐、pH和Zn²⁺等是影响小流域水体微生物群落的主要环境因子,对微生物群落的解释量分别为0.26、0.21、0.20、0.15和0.14.DOC、硝态氮、Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺和As³⁺等也与水体中某些微生物菌属的占比存在一定的相关关系.     

莠去津对野生植物群落下土壤微生物功能多样性的影响

为探明亚致死剂量农药对土壤微生物多样性影响,基于大田控制试验,采用Biolog-ECO微平板技术分析喷施亚致死剂量的莠去津对野生植物群落下土壤微生物群落功能多样性的影响.结果表明:① 莠去津的喷施浓度对土壤微生物群落利用全部碳源的能力无显著影响（P>0.05）,但与喷施处理后第30天相比,处理后第60天的土壤微生物群落利用全部碳源的能力有所降低,其中处理Ⅰ〔喷施浓度（以质量浓度计）为1 200 g/hm2〕、处理Ⅲ（喷施浓度为300 g/hm2）显著下降（P < 0.05）,而CK（对照组）、处理Ⅱ（喷施浓度为600 g/hm2）降低程度不显著（P>0.05）,并且其各处理间土壤微生物群落对全部碳源的利用能力大小为CK >处理Ⅲ >处理Ⅱ >处理Ⅰ.② 喷施处理后第30天土壤微生物群落对碳水化合物类碳源的利用能力最强,对羧酸类碳源的利用能力相对较弱;喷施处理后第60天土壤微生物群落对碳水化合物类碳源的利用能力降幅最大,处理Ⅰ、处理Ⅱ、处理Ⅲ分别下降了0.63、0.78、0.85、0.76.③ 喷施除草剂后第30天处理Ⅱ的Shannon-Wiener指数和Simpson指数显著低于其他处理（P < 0.05）,而第60天各处理间多样性指数无显著差异;与喷施处理后第30天相比,第60天各处理多样性指数都有所下降,但没有显著差异（P>0.05）.④ 对土壤微生物群落碳源利用能力进行主成分分析结果显示,提取的与土壤微生物碳源利用相关的主成分累积贡献率为86.6%,主成分1能够区分喷施处理后两个时期的土壤微生物群落特征.⑤ 冗余分析（RDA）表明,pH是土壤微生物利用碳源能力差异的重要影响因素之一.研究显示,除草剂莠去津的施用可在一定程度上降低野生植物群落下土壤微生物群落功能多样性.      

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.     

北京城市发展对土壤微生物群落功能多样性的影响

为研究城市发展对土壤微生物功能多样性的影响,以北京市建成区为例,采用Biolog-ECO微平板技术分析不同环路内3种类型绿地(居民区内绿地、街道边绿地、公园内绿地)土壤微生物群落功能多样性的变化.结果表明:二环内各绿地类型土壤微生物群落的AWCD(average well color development,平均颜色变化率)相对较高,分别为1.107、1.192、1.007,表明其土壤微生物群落代谢活性较高,利用碳源能力较强,其他环路土壤微生物群落利用碳源能力相对较弱;其中,各绿地类型土壤微生物群落对羧酸类碳源的利用能力最弱.城市环路梯度下居民区对土壤微生物群落多样性的影响相对较大;街道对土壤微生物群落功能多样性无显著影响(或者城市环路梯度下街道边绿地土壤微生物群落功能多样性趋同);四环～五环公园内绿地土壤微生物群落功能多样性与其他环路之间存在显著差异.对土壤微生物群落碳源利用能力进行主成分分析的结果显示,居民区内绿地、街道边绿地、公园内绿地提取的与土壤微生物碳源利用相关的主成分累积贡献率分别为86.79%、87.09%、84.92%,对主成分分离起主要作用的碳源主要是氨基酸类、糖类、多聚物类和羧酸类物质.冗余分析(RDA)表明,pH、土壤含水量是影响土壤微生物群落代谢能力和功能多样性的主要因素.城市绿地类型和环路因子对土壤微生物利用碳源分异存在一定影响,但对碳源代谢能力变异的解释量(5.91%)低于土壤理化因子的解释量(16.26%).研究显示,城市环路对土壤微生物功能多样性产生一定影响,但各环路街道边绿地土壤微生物功能多样性无显著差异,并且二环内、二环～三环、三环～四环各绿地类型土壤微生物多样性也无显著差异,说明城市发展可能使土壤微生物群落功能多样性趋于同质化.      

土壤多功能性对微生物多样性降低的响应

土壤微生物群落在驱动多种生态系统功能和生态过程中发挥着重要作用,是维持生物地球化学循环的主要驱动力.鉴于全球背景下观察到土壤微生物多样性随着土地利用集约化、气候变化而降低的现象,对土壤微生物多样性的减少是否会对土壤多功能性产生影响进行调查显得尤为重要.利用稀释灭绝法构建土壤微生物多样性梯度,结合高通量测序等技术手段,探究细菌、真菌和原生生物多样性降低对土壤多功能性的影响.结果表明,与未灭菌土壤相比,稀释处理土壤微生物α多样性（丰富度指数和香农指数）显著降低.主坐标分析（PCoA）表明,未灭菌土壤微生物群落结构与稀释处理土壤存在显著分异,而且细菌和真菌群落对稀释处理的响应高于原生生物.回归模型显示,土壤多功能性与微生物多样性指标呈显著的负线性关系,表明土壤微生物群落变化是调节土壤多功能性的关键因素.其次,通过集成推进树（ABT）和回归模型预测分析发现,一些特定的微生物类群如真菌短柄菌属（Solicoccozyma）、瓦湖胶珊瑚菌（Holtermanniella）和细菌属Rudaea相对丰度与土壤多功能性显著负相关,说明关键微生物类群在生物过程中发挥了指示性作用.进一步通过结构方程模型揭示,细菌、真菌和原生生物多样性都对土壤多功能性存在直接或间接影响,其中细菌是驱动土壤多功能性变化的关键生物因子.研究为土壤微生物多样性对土壤多功能性的影响提供了试验证据,并认为在单一农业生态系统中维持一定的土壤微生物群落多样性,特别是关键微生物类群的多样性对未来生态系统功能的可持续发展具有重要意义.     

土地整治对土壤微生物多样性的影响分析

为了研究土地整治对土壤微生物的影响,通过田野调查和样品实验,对土地整治区内外土壤中的微生物多样性与种群结构进行了对比分析.结果表明:从微生物多样性来看,土地整治区内土壤细菌和真菌多样性显著提高;从微生物种群结构来看,土地整治区内细菌丰度较高的属有变形菌、绿弯菌、酸杆菌和放线菌,真菌丰度较高的属有被孢霉菌、青霉菌和曲霉菌;有机肥的使用显著提高了微生物多样性及鞘脂单胞菌和地杆菌等土壤有益菌的丰度;通过相关性分析可得,土壤理化性质和重金属污染水平是影响土壤微生物多样性与结构的重要因素.该研究证实了土地整治对提高土壤微生物多样性和改善土壤质量的重要作用,也为土地整治工作的开展提供了科学依据.     

油污土壤微生物治理的影响因素

微生物法治理油污土壤具有成本，低效果好的特点，其原理是利用微生物降解土壤中的油等污染物，微生物，污染物及环境等方面的因素的影响降解效率，通过对各种影响因素的分析，提出了提高降解效率的措施。     

原始红松林退化演替后土壤微生物功能多样性的变化

为了全面了解原始红松林退化演替为次生林后土壤生境及土壤微生物功能多样性的变化规律,以小兴安岭典型的原始阔叶红松林、退化演替后先锋阶段的白桦林及亚顶级阶段的硬阔叶林为研究对象,采用Biolog-ECO微平板检测法,分析三者0~ < 10 cm和10~20 cm表层土的土壤微生物功能多样性变化规律.结果表明:各林型土壤微生物的AWCD值（平均颜色变化率）随培养时间的延长而增加,培养初期表现为原始阔叶红松林>硬阔叶林>白桦林;培养末期表现为原始阔叶红松林>白桦林>硬阔叶林,三者的AWCD值在0~ < 10 cm土层分别为1.06、0.86、0.81,10~20 cm土层分别为0.68、0.47、0.45,原始林显著高于次生林（P < 0.05）,说明原始林土壤微生物对单一碳源的代谢活性显著高于次生林;同一林型下土壤微生物的AWCD值均表现为0~ < 10 cm土层显著高于10~20 cm土层（P < 0.05）. Shannon-Wiener多样性指数、Simpson指数、McIntosh指数和Richness丰富度指数也均表现为原始林显著高于次生林（P < 0.05）.原始林土壤微生物对各类碳源的综合利用强度均大于次生林,不同林型下土壤微生物群落的优势碳源类型存在一定的差异,碳水类、氨基酸类、羧酸类和多聚物类碳源是原始林退化演替后土壤微生物群落在碳源利用上发生变化的敏感碳源.      

河北省不同盐渍化土壤类型的微生物多样性与种群结构

为了探索盐渍化土壤中微生物多样性及群落构成,有效筛选盐渍土壤中耐盐微生物菌群.采用高通量测序技术对采集的河北省滨海盐渍土（原生盐渍化）、设施盐渍土（次生盐渍化）和高产粮田（健康土壤）3个生境的耕层土壤样本细菌和真菌多样性、群落结构、网络关系及其影响因子进行测定.结果表明,与大田土壤相比,设施土壤中OM、AP、AK、TS和EC显著升高,滨海盐渍土壤的TS和EC显著升高,其他养分指标则显著降低.细菌α多样性依次为：设施盐渍土>高产粮田>滨海盐渍土,真菌α多样性则为高产粮田显著高于设施盐渍土和滨海盐渍土.在门和属水平上分析盐渍化土壤的菌群结构,细菌群落中绿弯菌门（Chloroflexi）及其菌属和真菌群落中子囊菌门（Ascomycota）及其中有益菌Trichocladium和病原菌Fusarium为盐渍化土壤中的优势微生物类群.土壤EC和TS两个盐分因子是对细菌和真菌菌群分布贡献最大的因子,与绿弯菌门中unclassified_A4b和unclassified_Chloroflexi以及变形菌门中unclassified_α-Proteobacteria等细菌菌属和子囊菌门中Trichocladium、unclassified_Chaetomiaceae、Crassicarpon、Cephaliophora和Sodiomyces等真菌菌属呈显著正相关.研究结果为盐渍化土壤修复所需的微生物资源筛选提供了理论依据.     

油污土微生态环境非生物因子与微生物活性关系

油污土微生态环境的非生物因子通过改变降解优势菌的含量及活性最终影响石油烃的生物降解速率及模式.本研究通过对我国北方部分油田和石油化工区的取样分析,揭示油污土微生态环境的非生物因子与微生物活性的关系,研究影响微生物活性和石油烃降解效率的环境及污染物等非生物因子.结果表明,我国北方油田区及石油化工区土壤受到了不同程度的石油烃污染,石油烃含量最高可达34 000mg/kg干土.柱层析分析结果表明,污染物中烷烃、芳烃等轻质组分含量超过50%,有利于微生物活性的提高.油田区土壤的pH值一般在7.8以上,不利于石油烃降解微生物生长代谢;油污土的营养水平普遍较低,如可被生物利用的速效氮含量低于30mg/kg干土,速效磷含量低于10mg/kg干土,仅占土壤总氮、总磷的5%左右,远远达不到石油烃生物降解所需的营养水平(C:N:P=100:10:1).毫无疑问,调节土壤pH值,增加对营养水平等非生物因子的调控对于提高微生物活性,加快石油烃的降解有重要的意义.     

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.     

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...     

华北平原典型城市土壤微生物群落时空变化规律及其驱动因子

微生物群落结构和功能受多种环境因素的共同影响,为阐明典型城市土壤中微生物群落的时空变化规律及其主要影响因素,亟需开展典型城市土壤中微生物群落时空动态变化特征研究.鉴于此,选取华北平原典型城市——石家庄市为研究区,共设置12个采样点,分别于2021年6月（夏季）和9月（秋季）采集表层土壤,并利用16S rRNA高通量测序技术对土壤中微生物群落结构及功能进行研究,探究其时空变化规律;同时运用Pearson相关性分析建立微生物群落与环境因子间的相关性,识别微生物群落时空变化的主要驱动因子.结果表明：①石家庄市表层土壤中主要优势菌门为放线菌（Actinobacteriota）和变形菌（Proteobacteria）;就季节变化而言,在门水平上,Actinobacteriota和Proteobacteria相对丰度均呈降低趋势;在属水平上,夏季主要优势菌属为节杆菌属（Arthrobacter）和未知分类菌属,秋季主要优势菌属为Arthrobacter和Candidatus_Nitrocosmicus,且优势菌属呈显著季节差异（P<0.05）;②就季节变化而言,Simpson、Ace和Chao指数均值呈升高趋势,而OTU均值呈降低趋势;就空间差异而言,Shannon指数和Simpson指数呈显著空间差异（P<0.01和P<0.05）;③各类功能基因无显著季节和空间差异;其中能源生产和转换类功能基因相对丰度最高,在夏季和秋季的相对丰度分别为24.06%~24.84%和24.63%~25.98%;④微生物群落结构组成、多样性指数和功能基因与喹诺酮类抗生素（QNs）、总磷（TP）和硝氮（NO₃^--N）呈显著相关,且与QNs显著相关性最强（|r| >0.900）;这表明在石家庄市表层土壤中抗生素成为影响微生物群落变化的主要驱动因素.因此,为保障城市土壤中微生物群落结构和功能稳定,应进一步加强土壤中抗生素污染的综合管控.     

微生物多样性对土壤碳代谢特征的影响

土壤微生物群落在生态系统过程中发挥着重要的作用,而关于土壤微生物多样性对生态系统功能的影响无一致结论.为了研究微生物多样性对土壤碳代谢特征的影响,将稀释10~(-1)、10~(-3)和10~(-5)倍(D1、D3和D5)的庞泉沟阔叶混交林土壤悬浮液接种在灭菌的土样中.通过碱式滴定法和Biolog Eco板等实验方法测定了不同多样性梯度下土壤碳矿化速率和碳代谢利用模式的变化.结果表明培养6周后,D1处理的碳矿化速率、累积碳矿化量、平均孔颜色变化率(AWCD)和多样性指数(Shannon、Mc Intosh和丰富度指数)均显著高于D5处理.且相关分析表明,累积碳矿化量和AWCD与丰富度呈显著负相关.对碳源吸光度做主成分分析(PCA)和单因素方差分析发现微生物多样性梯度的土壤碳源利用模式也存在差异.因此,微生物多样性下降影响土壤的碳矿化速率和碳源利用模式,导致陆地生态系统的功能发生改变,在森林土壤管理中,应重视土壤微生物物种多样性变化对生态系统功能的影响.