红壤稻田不同生育期土壤氨氧化微生物群落结构和硝化势的变化

以福建省红壤稻田土壤为对象,通过提取土壤总DNA,利用特异引物进行PCR(聚合酶链反应)扩增和DGGE(变性梯度凝胶电泳)并结合DNA克隆测序,研究了水稻生长过程中稻田土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构的变化。结果显示:稻田土壤具有丰富的氨氧化细菌和氨氧化古菌资源。水稻生长过程中土壤氨氧化细菌群落组成较为稳定,只表现出水稻生长前期(苗期、分蘖期)和中后期(孕穗期、成熟期)间存在一定差异。而土壤氨氧化古菌群落组成变化较大,在水稻生长的苗期、分蘖期、孕穗期和成熟期4个时期间均存在一定差异。在水稻生长过程中,土壤氨氧化细菌群落多样性指数无显著性变化,但氨氧化古菌群落多样性指数随水稻生长明显提高,孕穗期后才达到平稳。水稻生长前期土壤硝化势也具有显著上升趋势,孕穗期时达到最高,而后有所下降。土壤硝化势与氨氧化古菌群落多样性指数具有显著正相关性,与氨氧化细菌没有相关性。研究表明,氨氧化古菌对红壤稻田土壤硝化作用的影响程度较大,证实了氨氧化微生物尤其是氨氧化古菌在稻田土壤微生物组成及其生态系统功能中的重要性。     

不同品种水稻土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构组成

本研究通过提取土壤总DNA,利用特异引物进行PCR扩增和变性梯度凝胶电泳(DGGE),研究了不同品种水稻对稻田土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构组成的影响.结果显示:稻田土壤具有丰富的氨氧化细菌和氨氧化古菌,且氨氧化古菌种类更多;不同品种水稻氨氧化细菌群落结构组成差异较大,其中以"天A/Km71"、"闽优1027"和"Km62/1027"3个品种相似性较高,且明显不同于其余3个品种:而氨氧化古菌群落结构组成在不同土层间表现出较大差异,其中以"天A/Km71"和"Km62/1027"的表土与根际土氨氧化古菌群落组成差异最大.研究表明不同水稻品种及土壤层次对氨氧化微生物群落结构组成具有一定影响,证明氨氧化微生物尤其是氨氧化古菌在稻田土壤生态系统中占有重要地位.     

水稻生育期内红壤稻田氨氧化微生物数量和硝化势的变化

利用荧光定量PCR(Real-timePCR)技术,通过特异引物检测amoA基因拷贝数分析了水稻不同生育期红壤稻田土壤中氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA)的数量变化,并测定了土壤潜在硝化势。结果显示:红壤稻田土壤中AOA数量显著高于AOB,二者比例在1.6～120.7之间;红壤稻田根层土中AOA数量显著高于表土,随水稻生长根层和表土中AOA数量均逐渐增加,且根层土中增加幅度更大;在水稻生长前期表土中AOB数量较多,孕穗期后根层土中AOB数量显著增加且高于表土。水稻生长期内土壤潜在硝化势也具有逐渐增加趋势,且根层土潜在硝化势增加幅度更大。根层土中潜在硝化势与AOB和AOA数量均呈显著正相关,而表土中潜在硝化势只与AOA数量存在显著正相关。研究表明,红壤稻田土壤中AOA数量更为丰富,且与硝化作用的关联程度更为密切,证实了氨氧化微生物在红壤稻田土壤微生物组成及其生态系统功能中的重要性。     

脲酶抑制剂与硝化抑制剂对稻田土壤硝化、反硝化功能菌的影响

[目的]在农业生产中,脲酶抑制剂(urease inhibitor,UI)与硝化抑制剂(nitrification inhibitor,NI)常作为氮肥增效剂来提高肥料利用率。本文研究了在我国南方红壤稻田施用脲酶抑制剂与硝化抑制剂后,土壤中氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)以及反硝化细菌的丰度以及群落结构的变化特征,旨在揭示抑制剂的作用机理及其对土壤环境的影响。[方法]试验在我国南方红壤稻田进行,共设5个处理:1)不施氮肥(CK);2)尿素(U);3)尿素+脲酶抑制剂(U+UI);4)尿素+硝化抑制剂(U+NI);5)尿素+脲酶抑制剂+硝化抑制剂(U+UI+NI),3次重复。脲酶抑制剂与硝化抑制剂分别为NBPT[N-(n-butyl)thiophosphrictriamide,N-丁基硫代磷酰三胺]和DMPP(3,4-dimethylpyrazole phosphate,3,4-二甲基吡唑磷酸盐)。通过荧光定量PCR(Real-time PCR)研究水稻分蘖期与孕穗期抑制剂对三类微生物标记基因拷贝数的影响,并分析土壤铵态氮、硝态氮与三种菌群丰度的相关性;利用变性梯度凝胶电泳(DenaturingGradient Gel Electrophoresis,DGGE)分析抑制剂对土壤AOB、AOA以及反硝化细菌群落结构的影响,并对优势菌群进行系统发育分析。[结果]1)荧光定量PCR结果表明,施用氮肥对两个时期土壤中AOB的amoA基因与反硝化细菌nirK基因的拷贝数均有显著提高,而对AOA的amoA基因始终没有明显影响;AOB与nirK反硝化细菌的丰度与两个时期的铵态氮含量、分蘖期的硝态氮含量呈极显著正相关,与孕穗期的硝态氮含量相关性不显著;DMPP仅在分蘖期显著减少了AOB的amoA基因拷贝数,表明DMPP主要通过限制AOB的生长来抑制稻田土壤硝化过程;NBPT对三类微生物的丰度无明显影响;2)DGGE图谱表明,在分蘖期与孕穗期,施用氮肥均明显增加了图谱中AOB的条带数,而对AOA却没有明显影响;氮肥明显增加了孕穗期反硝化细菌的条带数;与氮肥的影响相比,抑制剂NBPT与DMPP对AOA、AOB以及反硝化菌的群落结构影响甚微;系统发育分析结果表明,与土壤中AOB的优势菌群序列较为接近的有亚硝化单胞菌和亚硝化螺菌。[结论]在南方红壤稻田中,施入氮肥可显著提高AOB与反硝化细菌的丰度,明显影响两种菌群的群落结构,而AOA较为稳定;NBPT对三类微生物的群落结构丰度无明显影响;硝化抑制剂DMPP可抑制AOB的生长但仅表现在分蘖期,这可能是其缓解硝化反应的主要途径;这也说明二者对土壤生态环境均安全可靠。     

种植水稻和长期施用无机肥对红壤氨氧化细菌多样性和硝化作用的影响

以中国科学院红壤生态试验站发育于第四纪红黏土的植稻红壤为研究对象,研究了长期种植水稻和施用无机肥对土壤β-变形杆菌纲中氨氧化细菌多样性和硝化作用的影响。原始红壤改种水稻13年后,氨氧化细菌16SrDNA的DGGE条带数量增加,条带谱与原始红壤的差异较大,相似性为61%,说明种植水稻后土壤氨氧化细菌群落结构发生了变化。PCR-DGGE方法研究结果也显示,长期施用无机氮肥的处理(NP、NPK和NK),DGGE带谱相似性较高,达到73%,硝化率和硝化势均高于未施用氮肥的处理。逐步回归分析显示硝化率和硝化势均随着土壤脲酶活性的提高而显著增加。推测尿素可提高土壤水解氮含量,使土壤脲酶活性提高,促进硝化细菌的生长,进而提高硝化率和硝化势。     

稻田厌氧氨氧化菌群落结构对氮肥的响应

为探明稻田厌氧氨氧化菌多样性及其对氮肥用量的响应状况,利用厌氧氨氧化菌16S rRNA基因特异引物对定位试验稻田土壤DNA进行PCR-DGGE(聚合酶链反应变性梯度凝胶电泳)并结合DNA克隆测序,研究了氮肥供应量对厌氧氨氧化菌群落结构的影响。DGGE图谱及依据其条带位置和亮度数值计算的多样性指数均显示:高氮处理[N3:225 kg(N).hm 2]的厌氧氨氧化菌群落结构多样性在表层或根层土壤中均显著(P<0.05)高于中、低氮[N2:150 kg(N).hm 2;N1:75 kg(N).hm 2]处理和不施肥对照(CK);同时,高氮处理下表层土壤厌氧氨氧化菌群落多样性指数显著高于根层土壤(P<0.05)。冗余分析(RDA)结果表明,表层土壤中厌氧氨氧化菌群落结构组成与不同氮肥水平处理存在显著相关性(P=0.006)。此外,本试验获得厌氧氨氧化菌DGGE条带DNA序列18条,登录GenBank并获得登录号。研究表明稻田厌氧氨氧化菌群落结构对高氮水平具有较强的响应,尤其是在表层土壤中。     

‘寒富’苹果园生长季土壤氨氧化细菌群落结构与多样性

采用PCR-DGGE技术,对‘寒富’苹果园生长季内土壤氨氧化细菌群落结构、多样性及其与土壤理化因子的相关性进行探讨。结果表明,不同时期土壤硝化强度、氨氧化细菌数量、种群组成及多样性表现出明显差异。其中,11月份土壤硝化强度最高,9月份最低,而氨氧化细菌数量则表现为11月份最低,7月最高。多样性特征分析表明,土壤氨氧化细菌多样性和均匀度指数均表现为11月份最高,9月份最低;而丰富度指数则表现为5月份与7月份最高,11月份最低;优势度指数则为9月份最高,5月份最低。系统发育分析结果表明,苹果园土壤氨氧化细菌均隶属于β-变形菌纲(β-Proteobacteria),多为不可培养菌株,其中亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira)为土壤优势菌属。氨氧化细菌与土壤理化性质相关性分析发现,土壤速效磷、速效钾含量与硝化强度、氨氧化细菌多样性指数、均匀度和优势度指数呈显著相关,而与土壤氨氧化细菌数量无明显相关性。说明环境因子时间分布的不均匀性是不同时期土壤氨氧化细菌群落结构组成差异的重要原因。     

转基因水稻秸秆还田对土壤硝化反硝化微生物群落的影响

转基因作物可能通过根系分泌物和植株残体组成的改变及外源基因的转移释放令土壤微生物群落产生变化,影响土壤微生物的生态功能。氨氧化细菌和反硝化细菌是驱动土壤硝化和反硝化过程的关键微生物,其群落结构的变化直接关系土壤氮素的转化与利用。本研究利用荧光定量PCR和PCR-DGGE技术分析了转cry1Ac/cpti双价抗虫基因水稻‘Kf8’秸秆还田降解过程中,土壤氨氧化细菌和反硝化细菌群落丰度与组成的变化,探讨转基因水稻是否存在影响稻田土壤氮素转化与N2O排放的可能。结果显示:无论是氨氧化细菌amo A基因还是反硝化细菌nirS基因,其丰度在转基因水稻‘Kf8’与非转基因水稻‘Mh86’的秸秆还田土壤中都没有显著差异;转基因水稻‘Kf8’和非转基因水稻‘Mh86’秸秆还田降解过程中0~10 cm土层中的amo A基因丰度均显著高于10~20 cm及20~30 cm土层(P0.05);各深度土层中的nirS基因丰度均存在随秸秆还田时间延长而增加的趋势。水稻秸秆还田降解过程中,转基因水稻‘Kf8’的土壤氨氧化细菌和反硝化细菌的群落多样性指数及组成,均与非转基因水稻‘Mh86’没有显著差异。相关分析结果表明土壤氨氧化细菌和反硝化细菌群落组成均与水稻秸秆还田时间存在显著相关性(P=0.002),反硝化细菌群落组成还与土层深度显著相关(P=0.024)。本研究表明转cry1Ac/cpti抗虫基因水稻秸秆还田对稻田土壤硝化和反硝化关键微生物群落不会产生明显影响。就土壤微生物群落而言,转cry1Ac/cpti抗虫基因水稻秸秆还田不存在影响土壤氮素转化与N2O排放的可能。     

添加生物炭改善菜地土壤氨氧化细菌群落并提高净硝化率

  【目的】  氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,对氮循环有着重要影响。本研究通过分析生物炭输入下土壤氨氧化微生物群落的变化,揭示其影响土壤硝化作用的生物学机制。  【方法】  以华北潮土区设施菜地土壤为对象,设置生物炭梯度 (C₀、C_0.5、C_1.5、C_4.0) 土壤培养试验,结合PCR和T-RFLP等分析技术,观测生物炭输入下土壤氨氧化细菌群落变化动态,解析生物炭、土壤硝化作用与氨氧化细菌群落之间的关系。  【结果】  添加生物炭明显改变了土壤氨氧化微生物群落结构及氮素硝化过程。与未添加生物炭处理相比,生物炭添加处理培养前期土壤氨氧化细菌群落Shannon、Evenness指数分别升高5.4%～18.8%、26.2%～33.8%,后期Shannon指数降低20.7%～34.2%。生物炭输入对AOA群落没有明显影响,AOB群落256、58 bp代表物种丰度分别增加61.4%～56.0%、60.6%～78.6%,488 bp代表物种丰度降低22.8%～26.9%。21 bp代表物种丰度前期增加后期降低,与491 bp代表物种丰度变化相反。添加生物炭土壤AOB amoA基因丰度增加48.9%～53.2%。土壤NO₃–-N含量提高1.7%～25.6%,NH₄+-N含量下降13.4%～31.1%,土壤净硝化速率提高21.8%～70.2%。  【结论】  生物炭的输入可以改善以AOB为主的土壤氨氧化微生物群落结构,提高amoA酶活性,但是对氨氧化古菌微生物群落结构未产生明显影响。因此,生物炭提高土壤净硝化速率的作用与其对土壤氨氧化细菌群落和组成的影响密切相关。     

稻田土壤厌氧氨氧化菌群落结构对长期不同施肥的响应

研究长期不同施肥稻田土壤厌氧氨氧化微生物丰度和群落结构组成,深入认识稻田厌氧氨氧化菌对不同施肥的响应机理,可为合理施肥和理解湿地生态系统厌氧氨氧化过程提供科学依据。设置不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)、无机肥配施牛粪(NPKM)、无机肥加秸秆还田(NPKS)四个处理,采用荧光定量PCR和高通量测序对不同施肥模式下水稻土厌氧氨氧化细菌丰度和群落结构进行分析。结果发现,不同处理之间厌氧氨氧化细菌丰度具有显著差异(p0.05),表现为NPKMNPKSNPKCK,且与有机质、全氮和铵态氮含量具有显著相关性(p0.05)。高通量测序结果表明,不同施肥处理主要的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia、Candidatus Anammoxoglobus和Candidatus Scalindua,其中优势种群为Candidatus Brocadia。菌群的多样性分析表明,CK和NPKS处理的厌氧氨氧化菌群落结构多样性香农指数(Shannon index)、辛普森指数(Simpson index)和丰富度指数(Chao 1 index)显著高于NPKM和NPK处理(p0.05)。上述结果表明,长期施肥改变了厌氧氨氧化菌的数量和群落结构。有机无机肥配施更有利于提高厌氧氨氧化菌丰度。然而,不同施肥措施对厌氧氨氧化菌的多样性影响不同,无机肥加秸秆还田提高了厌氧氨氧化菌多样性,但单施无机肥和无机肥配牛粪降低了厌氧氨氧化菌多样性。厌氧氨氧化菌的数量和群落结构对不同施肥的响应不同。     

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.     

冬种绿肥对水稻土硝化作用的影响

冬闲田种植绿肥是传统的水稻土培肥增产措施,但绿肥-水稻种植系统中,不同绿肥种类对硝化作用的影响规律及调控机制尚不明确.采用盆栽试验,研究了冬种紫云英、油菜、黑麦草对土壤性状及硝化作用的影响,并通过特异性细菌抑制剂(卡那霉素和大观霉素)研究了氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)对硝化作用的相对贡献.结果表明,冬种三...     

紫云英与稻秸还田对稻田土壤硝化潜势的影响

  【目的】  种植利用绿肥和稻秸还田是水稻土培肥的重要措施。硝化作用是氮循环中的关键过程,我们研究了绿肥与稻秸还田对土壤硝化作用的影响,以明确紫云英–稻秸联合还田下的稻田硝化作用机制。  【方法】  水稻盆栽试验共设8个处理,分别为:对照(CK)、单独紫云英(MV)、单独稻秸(RS)、紫云英+稻秸(MV+RS)、单施氮肥(N)、紫云英+氮肥(MV+N)、稻秸+氮肥(RS+N)、紫云英+稻秸+氮肥(MV+RS+N)。研究了在不施氮和施氮条件下,紫云英、稻秸不同利用方式对土壤性状及硝化作用的影响,并通过特异性细菌抑制剂(卡那霉素和大观霉素)研究了氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)对硝化作用的相对贡献。  【结果】  MV+RS+N处理提高了土壤全氮和有机质含量,降低了碱性水稻土的pH。在早稻分蘖期,MV+RS+N处理显著提高了土壤中铵态氮和硝态氮含量。早稻移栽前,MV+RS 处理显著增加了土壤硝化潜势(NP), 而MV处理相较CK降低了NP。早稻分蘖期,氮肥添加显著提高了NP。早稻拔节期和晚稻收获期,RS和MV+RS处理均降低了NP。早稻移栽前,MV+RS处理同时降低了土壤恢复硝化强度(RNP),以及AOA和AOB在恢复硝化强度中的贡献(RNP_AOA和RNP_AOB),并降低了RNP_AOB在RNP中的占比。早稻分蘖期,CK和N处理,MV+N处理提高了RNP_AOB,而在早稻拔节期,MV+RS+N处理相比MV+RS处理提高了土壤RNP及RNP_AOB。早稻收获期,MV、RS及MV+RS处理均降低了稻田土壤RNP。在不同生育期中,早稻分蘖期的NP与硝态氮含量显著正相关,其他时期相关不显著。土壤NP与土壤 pH 和硝态氮含量呈显著正相关,与土壤微生物量碳 (SMBC) 和土壤微生物量氮 (SMBN) 含量呈显著负相关。RNP_AOA与土壤pH和铵态氮含量呈显著正相关。  【结论】  紫云英–稻秸联合还田降低了碱性水稻土pH,并在水稻生育早期显著提高而在生育后期显著降低了土壤硝化潜势。硝化潜势与土壤pH和硝态氮含量呈显著正相关。早稻分蘖期和早稻拔节期以RNP_AOB占主导,紫云英–稻秸联合利用较CK降低了RNP_AOB;早稻和晚稻收获期则以RNP_AOA占主导,紫云英–稻秸联合还田相较于单独还田提高了RNP_AOA。     

Abundance and community structure of ammonia-oxidizing archaea and bacteria in an acid paddy soil

Nitrification is essential to the nitrogen cycle in paddy soils. However, it is still not clear which group of ammonia-oxidizing microorganisms plays more important roles in nitrification in the paddy soils. The changes in the abundance and composition of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and ammonia-oxidizing bacteria (AOB) were investigated by real-time PCR, terminal restriction fragment length polymorphism, and clone library approaches in an acid red paddy soil subjected to long-term fertilization treatments, including treatment without fertilizers (CT); chemical fertilizer nitrogen (N); N and potassium (NK); N and phosphorus (NP); N, P, and K (NPK); and NPK plus recycled crop residues (NPK+C). The AOA population size in NPK+C was higher than those in CT, while minor changes in AOB population sizes were detected among the treatments. There were also some changes in AOA community composition responding to different fertilization treatments. Still few differences were detected in AOB community composition among the treatments. Phylogenetic analysis showed that the AOA sequences fell into two main clusters: cluster A and cluster soil/sediment. The AOB composition in this paddy soil was dominated by Nitrosospira cluster 12. These results suggested that the AOA were more sensitive than AOB to different fertilization treatments in the acid red paddy soil.     

长期施肥对水稻土剖面氨氧化古菌和细菌丰度及组成的影响

长期施肥影响稻田土壤理化性质和硝化微生物群落,但长期施肥对稻田不同土层氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)群落结构的影响尚不明确.以湖南宁乡稻田不同施肥制度长期定位试验为平台,选取不施肥(CK)、施秸秆有机肥(ST)、有机-无机肥配施(OM)和施全量化肥(NPK)4个处理,采用实时荧光定量PCR和Illumina...     

Ammonia oxidizer abundance in paddy soil profile with different fertilizer regimes

Studies about ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and archaea (AOA) are often focused on topsoil, but little is known about their activity and distribution in subsoil. A long-term fertilizer experiment was conducted to assess the effects of different fertilizer treatments on AOB and AOA in vertical soil profiles of paddy soil plots that received no nitrogen fertilizer control (CK), NPK chemical fertilizers (CF), organic–inorganic mixed fertilizer (OIMF) and organic fertilizer (OF). Soil properties, potential nitrification rate (PNR) and amoA gene abundance of AOB and AOA were measured and analyzed by two-way ANOVA and correlation analysis. Quantitative PCR analysis of amoA genes showed that AOA were more abundant than AOB in all the soil samples. AOB declined sharply with soil depth. Compared with CK and OF treatments, CF and OIMF treatments had higher abundance of AOB throughout the soil profiles. However, AOA tend less responsive to soil depth and fertilizers compared to AOB. This caused the AOA/AOB ratios in subsoil higher than in topsoil, and in CK and OF higher than in CF and OIMF treatments. These results suggest that AOA are more abundant and can be better adapted to nutrient-poor subsoils than AOB, and autotrophic nitrification could likely be determined by a complex suite of environmental factors in vertical profiles of the paddy soil tested.     

石灰和双氰胺对红壤酸化和硝化作用的影响及其机制

施用石灰是改良酸性土壤的重要措施,但其对土壤硝化作用的增强不仅加速土壤酸化,也增加硝态氮流失风险.传统的硝化抑制剂双氰胺(Dicyandiamide,DCD)能否在石灰改变pH的条件下始终有效抑制硝化是当前红壤区生产中亟需解决的问题.采用短期土壤培养试验,探讨了不同用量石灰与DCD配合施用对土壤酸化和硝化作用的影响及其...