水氮耦合对设施农田土壤自养和异养硝化作用的影响

水氮措施影响设施土壤氮素的转化及硝化微生物活性,但水氮耦合对设施土壤自养和异养硝化作用差异的影响尚不明确。以连续8年设施水氮耦合田间定位试验土壤为研究对象,控制不同土壤田间持水量(WHC)(40%WHC、60%WHC和80% WHC)进行室内微宇宙培养试验,通过添加乙炔抑制剂抑制自养硝化途径,研究水氮耦合对设施土壤自养和异养硝化速率及参与自养硝化的氨氧化微生物的影响,分析氨氧化微生物氨氧化古细菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)对自养硝化作用的贡献。结果表明,水氮耦合下,不同硝化途径NH4+-N、NO^3--N含量以及参与自养硝化的AOA amoA和AOB amoA基因拷贝数均有显著差异。无乙炔培养7 d后,NO^3--N含量显著增加,而NH4+-N含量显著降低,AOA amoA和AOB amoA的基因丰度显著增加。添加乙炔后,NO^3--N、NH4+-N含量基本保持恒定,AOA amoA和AOB amoA基因丰度显著减少。水氮耦合显著影响自养和异养硝化速率,冗余分析(RDA)表明,NH4+-N含量、AOB amoA、NO^3--N-C2H2、AOA amoA可分别解释自养和异养硝化速率变异的68.9%、34.9%、32.8%和24.4%。设施土壤存在自养硝化和异养硝化两种途径,60%～80%WHC各施氮处理均以自养硝化为主,占总硝化速率的65%～86%;仅40%WHC下,氮纯养分量300和525 kg·hm-2处理以异养硝化为主,占总硝化速率的61%～77%。AOB和AOA共同驱动自养硝化,且AOB贡献更大。     

硝化微生物在土壤团聚体中的分布及其对种植方式的响应

【目的】硝化微生物在农田土壤氮转化过程发挥重要作用，深入开展团聚体中硝化微生物分布研究，有助于揭示土壤结构-微生物-土壤营养元素循环间的相互影响机制。【方法】选取旱地黄棕壤为研究对象，比较了玉米连作（M-M）和玉米/花生轮作（M-P）两种种植方式下土壤团聚体的性质和硝化潜势（NP）的变化，并通过荧光定量PCR和高通量测序研究了团聚体中不同类型硝化微生物功能基因的丰度和群落组成差异。【结果】与M-M相比，M-P能够显著提高团聚体pH、NH4+和全碳（TC）含量。M-P使NP显著提高，但团聚体粒径对NP无显著影响。氨氧化细菌（AOB）amoA基因丰度在M-P中高于M-M，且在较小粒级团聚体中分布更多，而氨氧化古菌（AOA）和全程氨氧化细菌（Comammox）amoA基因的分布模式与AOB大致相反，表明AOB更能适应较小团聚体环境，而AOA和Comammox倾向在较大团聚体中占据竞争优势。此外，与M-M相较，M-P团聚体间AOA/AOB和Comammox/AOB比值的差异减小，表明轮作促使土壤硝化微生物在不同粒级间的分布更加均匀。进一步对属水平土壤团聚体硝化菌群落组成分析，结果显示M-P提高了Nitrolancea属亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和Candidatus Nitrosocosmicus属AOA的占比，降低了Nitrospira属NOB的占比，对AOB各属无显著影响。而团聚体粒径仅对Nitrosospira属AOB的占比产生显著影响。NH4+含量和pH是影响土壤团聚体NP和硝化微生物群落变化的最主要因子。NP与AOB amoA基因丰度显著正相关，与AOA amoA基因丰度负相关。但在群落组成上，Nitrosospira属AOB，Candidatus Nitrosocosmicus属AOA和Nitrospira属NOB均与NP呈现正相关。【结论】土壤团聚体粒径和种植方式能较大程度影响硝化微生物的分布，然而，不同硝化微生物在团聚体间分异机制具有明显差异，该研究为完善禾豆轮作下土壤硝化微生物在微域环境的生态适应机制提供了理论支持。     

长期施用含氯化肥对棕壤硝化作用及氨氧化微生物的影响

【目的】氨氧化微生物是氨氧化过程的主要驱动者,氨氧化过程作为硝化作用的限速步骤对氮循环具有重要作用。本研究以沈阳农业大学棕壤含氯化肥长期定位试验的土壤为研究对象,探讨了连续34年施用高氯和低氯化肥对棕壤硝化作用及氨氧化微生物的影响。【方法】该长期试验在等量氮、磷、钾条件下,设置高氯和低氯处理,共8个处理:T1(不施肥);T2(单施尿素);T3(尿素+氯化钾);T4(尿素+过磷酸钙);T5(尿素+过磷酸钙+氯化钾);T6(尿素+磷酸一铵+氯化钾);T7(尿素+氯磷铵+氯化钾);T8(硝酸磷肥+过磷酸钙+氯化钾),T7为高氯处理。采集0—20cm土壤样品,利用荧光定量PCR技术测定氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)丰度,并结合土壤硝化潜势和基本化学性质,分析长期施用含氯化肥对棕壤硝化作用及氨氧化微生物丰度的影响及影响氨氧化微生物丰度的主要环境因素。【结果】长期施肥降低了土壤pH值,高氯处理降低得最多,显著低于其他处理;高氯处理的土壤硝化潜势也显著低于其他处理,且除高氯处理外,配施磷肥的处理土壤硝化潜势显著高于不施磷处理。各处理土壤中AOA丰度均显著高于AOB,高氯处理土壤中AOA、AOB丰度均显著低于其他处理,土壤硝化潜势与AOA和AOB均呈显著正相关关系。【结论】连续施用高氯化肥34年显著降低了棕壤AOA和AOB丰度,抑制了硝化潜势。该结果可为通过含氯化肥的合理施用来调节土壤AOA和AOB,进而调控土壤氮素循环提供参考。     

稻虾共作模式下稻田土壤氨氧化微生物丰度和群落结构的特征

【目的】研究稻虾共作模式下土壤氨氧化微生物数量、群落多样性及群落结构,深入了解该模式下的土壤微生态环境的演变。【方法】试验点在湖北省荆州市长江大学农学院基地,设置稻虾共作模式 (CR) 与常规中稻种植模式 (MR),借助荧光定量PCR技术与Illumina Miseq高通量测序平台,分析了土壤氨氧化细菌 (AOB) 与古菌 (AOA) 丰度、多样性及群落结构。【结果】与MR模式相比,CR模式显著提高了土壤硝态氮、总碳及总氮含量,对土壤pH、碱解氮及土壤碳氮比无显著影响。CR模式土壤AOA与AOB amoA基因拷贝数为3.13 × 105和7.01 × 105 copies/g干土,MR模式土壤AOA、AOB amoA基因拷贝数为1.41 × 105和3.87 × 105 copies/g干土,两个模式土壤AOB的数量均显著高于AOA,CR模式土壤AOA、AOB的数量均显著高于MR模式 (P < 0.05)。α群落多样性指数表明,相比MR,CR模式显著降低了土壤AOA群落多样性,对AOB群落多样性无显著影响。Venn结果分析,CR模式增加了AOA amoA基因的物种,改变了AOB amoA基因的物种组成,且AOB amoA物种数量下降。在属水平上,norank_c_environmental_samples_p_Thaumarchaeota、unclassified_k_norank_d_Archaea、norank_c_environmental_samples_p_Crenarchaeota、norank_p_environmental_samples_k_norank为AOA的优势类群,相对丰度占AOA amoA基因总序列的99.25%～99.46%,CR模式显著提高了norank_c_environmental_samples_p_Crenarchaeota在AOA群落属水平的相对丰度;unclassified_k_norank_d_Bacteria、norank_f_environmental_samples、norank_o_environmental_samples_c_Betaproteobacteria、unclassified_o_Nitrosomonadales为AOB的优势类群,相对丰度共占97.78%～98.49%,且CR模式显著增加了norank_o_environmental_samples_c_Betaproteobacteria与unclassified_o_Nitrosomonadales在AOB群落属水平的相对丰度。冗余分析 (RDA) 结果显示,土壤基本理化性质对于土壤AOA、AOB群落结构影响有着相似的趋势,其中对AOA、AOB群落结构影响最大的因子是硝态氮,其次分别为总碳、铵态氮、碱解氮、pH。根据RDA投影距离分析,稻虾共作模式对土壤AOA群落结构的影响大于AOB,且MR与稻虾共作模式土壤AOB的群落结构具有一定的相似度。【结论】稻虾共作模式显著降低了AOA群落多样性,而对AOB群落无显著影响;稻虾共作模式显著增加了AOA与AOB的丰度并显著影响了群落结构组成。土壤硝态氮、总碳、铵态氮、碱解氮、pH含量是导致土壤微生物数量、多样性及群落结构变化的主要原因。     

长期偏施氮肥对桑园土壤氨氧化微生物的影响

氮肥能够影响土壤氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的丰度和种群结构。利用实时荧光定量PCR(RT-PCR)和变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术研究不同氮肥施用年限(4年,4Y;17年,17Y;32年,32Y;0年,0Y)桑园土壤氨氧化微生物丰度及种群结构变化。结果发现,长期施用氮肥导致桑园土壤酸化,与4Y土壤相比,32Y土壤p H降低0.88。4Y处理土壤AOB amoA基因的拷贝数最高,而在32Y土壤中AOA amoA基因拷贝数最高。各处理AOB amoA基因拷贝数为每克干土6.46×10~5～8.32×10~7,明显高于AOA amoA基因拷贝数每克干土1.70×10~4～1.20×10~5。AOB种群丰度与潜在硝化速率(PNR)呈显著正相关,而AOA种群丰度与土壤pH和PNR的相关性不显著,表明AOB在硝化作用中发挥更为重要的作用。DGGE条带分析表明,氮肥施用年限对AOB种群结构影响较大,而对AOA种群结构影响较小。结果表明,桑园中AOB种群在氮循环中占主导地位,并且长期施用氮肥对桑园土壤AOB丰度和种群结构影响较大,而对AOA影响最小。     

长期施肥对棕壤氨氧化细菌和古菌丰度的影响

【目的】氨氧化是氮转化过程的限速步骤,其由氨氧化微生物所驱动。本研究旨在探明 37 年玉米–大豆轮作施肥条件下影响棕壤氨氧化微生物丰度的主要影响因子及变化规律。【方法】以沈阳农业大学棕壤肥料长期定位试验耕层土壤 (0—20 cm) 为材料,选取其中 9 个施肥处理进行取样分析:不施肥 (CK)、低量氮肥 (N₁)、高量氮肥 (N₂)、氮磷肥 (N₁P)、氮磷钾肥 (N₁PK)、高量有机肥 (M₂)、高量有机肥 + 低量氮肥 (M₂N₁)、高量有机肥 + 氮磷肥 (M₂N₁P)、高量有机肥 + 氮磷钾肥 (M₂N₁PK)。采用实时荧光定量 PCR 技术测定其氨氧化微生物丰度,通过对土壤基本化学性质和氨氧化微生物丰度的冗余分析找出影响氨氧化微生物丰度的主要因素。【结果】施用有机肥处理的土壤 pH、有机质、全氮、碱解氮、速效钾、速效磷、铵态氮、硝态氮含量明显高于不施肥和单施化肥处理。各施肥处理土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾、速效磷的含量总体呈现有机肥处理 > 化肥处理 > CK;与不施肥处理 (CK) 相比,单施化肥处理显著降低了土壤 pH 值,施用有机肥处理显著提高了土壤 pH 值,其中 N₂ 处理的土壤 pH 最低,M₂ 处理的土壤 pH 最高。不同施肥处理氨氧化细菌 (AOB) 的丰度为 0.94 × 106～5.77 × 106 copies/g 干土,氨氧化古菌 (AOA) 的丰度为 3.56 × 106～1.22 × 107 copies/g 干土;施用有机肥处理 AOB 和 AOA 丰度显著高于不施肥和单施化肥处理,其中 M₂ 处理的 AOB 和 AOA 丰度最高,单施氮肥处理的 AOB 和 AOA 丰度最低。冗余分析 (RDA) 表明,影响棕壤 AOB 和 AOA 丰度的主要环境因子有土壤 pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾,且与 AOB 和 AOA 丰度呈正相关关系。【结论】长期轮作施肥显著改变了棕壤的化学性质,从而对氨氧化微生物的丰度产生了显著影响。长期施用有机肥显著提高了土壤养分含量及 AOB 和 AOA 的丰度,对维持土壤氨氧化微生物的数量起到十分重要的作用;同时试验结果也为今后通过改变土壤 pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾等性质对 AOB 和 AOA 进行调节提供了依据。     

基于宏基因组学的酸性森林土壤氨氧化微生物群落特征研究

全球30%以上陆地面积是酸性土壤(pH5.5),而酸性土壤中氨氧化微生物群落特征研究是破译其硝化过程微生物学机理的基础。尤其随着完全硝化微生物(Complete ammonia oxidizer,comammox)的发现,亟需重新认知酸性土壤中氨氧化微生物类群。以酸性马尾松林为研究对象,综合利用荧光定量PCR(qPCR)、凝胶电泳半定量和宏基因组测序等技术研究土壤中氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和Comammox的相对丰度以及群落组成特征。研究发现AOA和AOB amoA基因丰度分别为2.61×106 copies·g~(-1)和1.45×106copies·g~(-1);而comammoxamoA基因qPCR结果存在显著的非特异性扩增,导致其丰度被高估,而经凝胶电泳半定量矫正后,约为(1.38～1.47)×106copies·g~(-1),该结果和土壤宏基因测序揭示的comammox相对丰度基本吻合。此外,宏基因组分析发现经典嗜酸group1.1a-associated仅占AOA总类群的12%,而group1.1b则占88%,尽管目前仍未有嗜酸group 1.1b AOA纯菌株的报道。AOB主要类群为Nitrosospira(约64%),而Nitrosomonas约占36%。Comammox主要类群为clade B(约64%),而clade A仅占36%且均隶属于clade A.1亚枝,这暗示clade B与已报道的嗜中性comammox clade A纯菌株有极大的生理代谢差异。总之,本研究提供了综合利用qPCR、半定量和宏基因组分析土壤氨氧化微生物群落的策略,并建议优化comammox的qPCR引物,同时本研究系统分析了酸性马尾松林土壤中氨氧化微生物的相对丰度和群落组成特征。     

氨氧化基因丰度和潜在氨氧化速率对加拿大一枝黄花入侵和土壤类型的响应

  【目的】  土壤类型和植物入侵影响土壤微生物群落结构和功能，基于此，我们研究加拿大一枝黄花 (Solidago canadensis) 入侵两种类型土壤后，土壤中氨氧化古细菌 (AOA) 和氨氧化细菌 (AOB) 的基因丰度和潜在氨氧化速率 (PAOR) 的变化规律及影响机理。  【方法】  云南和浙江是加拿大一枝黄花入侵的重点地区，本研究在云南省滇池周边的海东湿地公园、捞鱼河湿地公园和安乐村 (土壤类型均为冲积土) 以及浙江省东部的杭州湾湿地公园、临海上盘镇和路桥镇峰江村 (土壤类型均为黄泥田土)，分别选择一块采样地，面积为100～150 m2。在每块采样地加拿大一枝黄花入侵 (Mono) 和未入侵 (Nat) 之处，划出0.5 m × 0.5 m，采集土壤和植物样品。Mono和Nat地块相距10～20 m，每个地块重复3次。采用qPCR和室内培养技术分析土壤中AOA、AOB基因丰度和PAOR，用植物生态和土壤化学方法分析植物生物量和土壤化学性状。  【结果】  加拿大一枝黄花入侵后，冲积土中AOA丰度和PAOR显著下降，黄泥田土中AOA丰度和PAOR却显著提高，而AOB丰度在两种类型土壤中均显著提高。Nat冲积土中AOA丰度和PAOR大于黄泥田土，而Mono条件下冲积土中AOA丰度和PAOR小于黄泥田土，AOB丰度在两种土壤类型中均变化较小。Mono样地植被地上部分和地下部分生物量、土壤有机质含量和pH是影响冲积土和黄泥田土AOA丰度和PAOR的重要因素。与AOA不同，冲积土AOB丰度仅受植物地下部分生物量的影响，而黄泥田土AOB丰度同时受植物地下部分生物量、土壤总磷含量和pH影响。  【结论】  加拿大一枝黄花入侵大大增加了植被地上部和地下部生物量，进而为微生物提供了大量的碳源，同时提高了土壤pH，因此，氨氧化细菌AOB的丰度显著增加。土壤类型仅影响AOA的丰度，对AOB和氨氧化潜力没有显著影响，而加拿大一枝黄花入侵显著影响两类土壤中的AOA、AOB丰度以及氨氧化潜力。     

有机碳氮添加对酸性森林土壤氨氧化过程的影响

以亚热带酸性森林土壤为研究对象,开展了微宇宙室内培养实验,设置了有机碳和有机氮添加处理,分析了土壤硝化活性和氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)的功能基因丰度,研究了外源有机碳和有机氮对酸性森林土壤氨氧化过程的影响规律。结果表明:外源有机氮添加显著刺激了酸性森林土壤硝化活性,乙炔抑制实验表明自养氨氧化对酸性森林土壤硝化过程的贡献率90%。有机碳添加对土壤硝化活性未有显著影响,同时添加有机碳和无机铵态氮也未显著提高土壤硝化活性,而外源有机氮添加提高了土壤矿化速率并导致土壤NH3浓度升高,可能是土壤硝化活性、AOA和AOB数量显著增加的主要原因。     

不同经营强度下毛竹丛枝菌根共生体对氨氧化微生物的影响

利用原位微宇宙试验将丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌菌丝与根系区分,设置菌根室(RA)和菌丝室(AH)两个分室处理,以粗放经营(extensive management,EM)毛竹林为对照,研究集约经营(Intensive management,IM)条件下毛竹林土壤丛枝菌根共生体对氨氧化微生物群落的影响及其响应机理。结果表明,无论集约经营还是粗放经营AH处理土壤pH均显著降低,且集约经营毛竹林AH处理土壤碱解氮显著降低;不同分室处理对硝化势没有显著影响,但集约经营毛竹林RA处理土壤硝化势显著高于粗放经营;集约经营之后氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)基因丰度显著降低,而氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)基因丰度则在两种经营强度的AH处理中显著降低。不同经营强度和分室处理并未对氨氧化微生物群落组成结构产生显著影响,但网络分析显示集约经营毛竹林氨氧化微生物之间的互作和共生关系优于粗放经营,粗放经营毛竹林氨氧化微生物之间的竞争更为激烈。研究结果为更好地理解毛竹林AM真菌与氨氧化微生物之间的互作关系提供了理论基础。     

不同施肥模式对土壤氮循环功能微生物的影响

  【目的】   微生物在土壤氮循环过程中发挥着重要作用。通过研究农田土壤氮循环过程中不同功能微生物群落基因丰度对施肥模式的响应及其关键影响因素,探讨不同施肥模式调控下氮素转化的微生物学机制,为改善农业生产中氮素的管理策略提供理论依据。   【方法】   田间试验始于2011年,试验地点位于江苏省常州市溧阳市南渡镇,供试土壤为白土型水稻土,种植制度为稻麦轮作。试验包括单施化肥 (NPK)、化肥+畜禽有机肥 (NPKM)、化肥+秸秆还田 (NPKS) 以及相邻江苏省耕地质量监测点不施肥对照 (CK),共 4个处理。于2014年水稻成熟期采集土壤样品,采用实时荧光定量PCR法分析了土壤硝化 (amoA)、反硝化 (narG、nirS、nirK、norB、nosZ)、固氮 (nifH)、硝酸盐异化还原 (napA) 等氮循环过程的相关功能微生物基因丰度的变化。以氨氧化微生物为模式微生物,测定添加与不添加1-辛炔情况下的土壤硝化潜势,分析氨氧化古菌 (AOA) 与氨氧化细菌 (AOB) 功能基因丰度与土壤硝化功能的内在联系。   【结果】   与CK相比,NPK处理显著增加了土壤中AOB-amoA、narG、nosZ和nifH基因的丰度。与NPK处理相比,NPKS处理进一步提高了土壤中AOB-amoA、narG、nosZ、nifH以及nirK基因的丰度。与CK相比,除AOA-amoA、nirS、napA基因以外,NPKM处理显著提高了土壤中所有氮循环功能基因的丰度。AOB-amoA基因丰度的变化对土壤氮循环功能基因丰度的整体变异影响最大。AOB主导了施肥土壤的硝化过程 (81.90%～84.42%)。土壤总硝化潜势与AOB-amoA基因丰度显著相关,但与AOA-amoA基因丰度相关性不显著。氮循环功能微生物基因丰度主要受到土壤pH、土壤有机碳(SOC)和NO₃–含量的影响。   【结论】   畜禽有机肥与秸秆的施用能够进一步刺激氮循环功能基因丰度的增长,促进土壤氮循环。土壤pH、SOC和NO₃–含量是影响土壤氮循环功能微生物丰度的关键因素。施肥主要通过提高土壤AOB-amoA功能基因的丰度,进而提高土壤硝化潜势,因此在控制土壤硝化作用时应重点关注AOB微生物群落。     

长期施肥对酸性土壤氨氧化微生物群落的影响

【目的】 长期施肥显著影响着酸性土壤的pH,研究由此引起的土壤中氨氧化古菌 (ammonia-oxidizing archaea,AOA) 和氨氧化细菌 (ammonia-oxidizing bacteria,AOB) 的变化,为土壤培肥提供理论依据。 【方法】 供试土壤为27年长期定位施肥试验的红壤,供试作物为玉米。选择不施肥对照 (CK)、氮肥120 kg/(hm2·a)(N)、氮磷钾肥 (NPK) 和猪粪2000 kg/(hm2·a)(OM) 4个处理采集土壤样品,测定了土壤基本理化性状;利用qPCR、PCR-DGGE方法,分析土壤AOA和AOB群落丰度与组成。 【结果】 1) 长期定位施肥导致土壤pH值发生显著变化,N处理的土壤pH值最低,仅为4.03,其次是NPK和CK处理的土壤,OM处理土壤pH值最高,接近中性达6.40。2) 与CK相比,长期施肥提高了土壤有机质、全氮、铵态氮和硝态氮含量。3)OM处理显著提高了土壤NH₃浓度,而其它处理对NH₃浓度无显著影响。4) 施肥显著增加了土壤AOA的丰度,OM处理提升幅度最大;AOA丰度与土壤有机质碳、全氮呈极显著正相关 (P < 0.01),与铵态氮、土壤NH ₃浓度呈显著正相关 (P < 0.05),与土壤pH、硝态氮关系不显著 ( P > 0.05);施肥改变了AOA的群落结构,CK、N、NPK处理的群落结构差异不显著,OM处理与另外三个处理差别较大。主要AOA类群是Group 1.1b,少数属于Group 1.1a-associated。RDA分析表明,土壤pH值、有机质、总氮、铵态氮、土壤中NH ₃浓度是导致AOA群落变化的主要环境因子。5) 仅OM处理对AOB丰度和群落产生了显著影响,主要类群是Nitrosospira Cluster 3,少数属于Nitrosospira Cluster 9。AOB丰度与土壤NH₃浓度呈极显著正相关 (P < 0.01),与有机质碳、全氮呈显著正相关关系 ( P < 0.05),与土壤pH、铵态氮、硝态氮关系均不显著 ( P > 0.05)。 【结论】 长期施用不同肥料对酸性土壤的理化性质影响差异大,AOA和AOB的丰度和群落结构也发生了明显变化,尤其是施加有机肥之后。来自不同处理的大部分AOA属于Group 1.1b类群,少数属于Group 1.1a-associated类群。仅在OM处理中检测到AOB类群,大部分属于Nitrosospira Cluster 3,少数属于Nitrosospira Cluster 9。      

土地利用方式对万木林土壤氨氧化微生物丰度的影响

以我国亚热带地区典型花岗岩发育酸性红壤为研究对象,选取福建建瓯万木林自然保护区封禁保护下5种自然植被和1种人工种植植被土壤,采用荧光实时定量PCR(Real-time PCR)技术测定了土壤氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的群落丰度,采用15N稳定同位素成对标记和数值模型相结合的方法测定了土壤初级硝化速率。结果显示,长期封禁保护下的自然植被土壤pH低,土壤AOB数量偏低。人为种植和管理显著提高了土壤pH,促进了AOB的生长,其丰度比自然条件下提高了2个数量级,土壤初级硝化速率也显著提高,并与AOB数量存在显著的相关性,表明AOB是硝化作用的主要贡献者。5种自然植被条件下AOA的amoA基因拷贝数占泉古菌16S rRNA基因的比例都小于1%(0.01%～0.64%),在农业利用方式下上升到5.32%,表明并非所有泉古菌都具备氨氧化功能基因amoA,氮肥施用可能促进了氨氧化古菌的生长。     

亚硝化球菌属(Nitrososphaera)可能是酸性土壤硝化作用的重要驱动者

选择初始pH相近的两个酸性土壤(JX-3和JX-7)样品进行培养试验,探讨了氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)在酸性土壤硝化过程中所发挥的作用。结果显示,经过50 d的培养,JX-7样品硝化速率显著高于JX-3,且明显降低土壤pH。培养后,两个土壤样品AOB丰度均增加,但样品间没有显著差异;JX-7土壤AOA丰度显著增加,而JX-3无显著变化。两个土壤样品AOA群落组成本身存在分异,但对于同一样品培养前后均无显著分异;AOB群落组成在两土壤间没有分异,但培养前后分别有分异。培养后,JX-7样品中AOA优势属Nitrososphaera和某些未知微生物的个别OTUs绝对丰度显著增加,而两样品AOB中Nitrosospira属的一些OTUs的绝对丰度均显著增加。因此,所研究的酸性土壤样品中AOA是硝化作用的主要贡献者,而且AOA主要通过提高Nitrososphaera属中个别OTUs的丰度,而不是整个群落来调控硝化作用。     

Responses of bacterial and archaeal ammonia oxidisers of an acidic luvisols soil to different nitrogen fertilization rates after 9?years

It is still not clear which group of ammonia-oxidizing microorganisms plays the most important roles in nitrification in soils. Change in abundances and community compositions of ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) under long-term different nitrogen (N) fertilization rates were investigated in an acidic luvisols soil using real-time polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis, respectively, based on the ammonia monooxygenase a-subunit gene. The experimental plan included the following treatments: control without N fertilization (N_CK), low N fertilization rate, middle N fertilization rate, and high N fertilization rate as 0, 100, 150, and 250?kg urea-N?ha^?1, respectively. Long-term different N fertilization rates did not significantly alter the total C and N contents of soil while it significantly decreased soil pH, which ranged from 5.60 to 5.20. The AOB abundance was more abundant in the N fertilization treatments than the N_CK treatment; the AOA abundance decreased by the increasing N fertilization rates, as did the ratios of AOA/AOB. The large differences in the potential nitrification rates among four treatments depended on the changes in AOA abundance but not to changes in AOB abundance. Phylogenetic analysis showed that the AOB communities were dominated by Nitrosospira clusters 1, 3, and 9 while all AOA sequences were grouped into soil/sediment cluster except for one sequence. Taken together, these results indicated that AOB and AOA preferred different soil N conditions and AOA were functionally more important in the nitrification than AOB in the acidic luvisols soil.     

pH regulates key players of nitrification in paddy soils

Increasing lines of evidence have suggested the functional importance of ammonia-oxidizing archaea (AOA) rather than bacteria (AOB) for nitrification in upland soils with low pH. However, it remains unclear whether niche specialization of AOA and AOB occurs in rice paddy wetlands constrained by oxygen availability. Using DNA-based stable isotope probing, we conclude that AOA dominated nitrification activity in acidic paddy soils (pH 5.6) while AOB dominated in alkaline soils (pH 8.2). Nitrification activity was stimulated by urea fertilization and accompanied by a significant increase of AOA in acid soils and AOB in alkaline soils. DNA-based stable isotope probing indicated significant assimilation of ¹³CO₂ for AOA only in acidic paddy soil, while AOB was the solely responsible for ammonia oxidation in the alkaline paddy soil. Phylogenetic analysis further indicated that AOA members within the soil group 1.1b lineage dominated nitrification in acid soils. Ammonia oxidation in the alkaline soil was catalyzed by Nitrosospira cluster 3-like AOB, suggesting that the physiological diversity of AOA is more complicated than previously thought, and soil pH plays important roles in shaping the community structures of ammonia oxidizers in paddy field.