有机和无机肥配比对黄褐土硝化和反硝化微生物丰度及功能的影响

【目的】 土壤硝化与反硝化作用是氮循环的两个关键环节,本文研究不同比例的有机、无机肥配施对硝化和反硝化进程产生的影响,为高效施肥提供理论基础。 【方法】 在安徽农业大学农翠园试验基地的黄褐土上进行了小麦–玉米轮作田间试验。试验以不施氮肥为对照 (CK),在小麦、玉米总施氮量相同的条件下,设置5个处理,分别为单施无机肥 (T1)、无机肥∶有机肥 = 2∶1 (T2)、无机肥∶有机肥 = 1∶1 (T3)、无机肥∶有机肥 = 1∶2 (T4)、单施有机肥 (T5)。在小麦拔节期,取0—20 cm土壤样品,利用荧光定量PCR技术测定反硝化和氨氧化微生物丰度,并结合反硝化能力、N₂O/(N₂O+N₂) 产物比、土壤呼吸、硝化势和氨氧化细菌 (AOB) 与古菌 (AOA) 对硝化势相对贡献率的测定,分析江淮地区长期有机和无机肥配施对黄褐土硝化、反硝化微生物丰度及其功能的影响。 【结果】 单施无机肥或有机肥处理的硝化势均高于不同配比处理。与添加有机肥相比,增施无机肥会显著增加AOA的丰度和硝化贡献率。在反硝化方面,反硝化能力和土壤呼吸随着有机肥投入量的增加而增加,单施有机肥处理显著高于其它处理。nirS和nosZ型反硝化菌丰度随着有机肥的增加而增加,而nirK型反硝化菌丰度呈减少趋势。相关分析表明,反硝化能力与nirS型、nosZ型反硝化菌丰度、有机质和可溶性有机碳含量极显著正相关,与nirK相关性不强。 【结论】 与单施无机肥或有机肥处理相比,有机和无机肥适当配施可降低土壤硝化势,并能调控AOA和AOB在硝化过程中的作用,有效地降低土壤反硝化损失。      

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。     

长期施肥棕壤有机硫矿化特征及其驱动力

  【目的】  探究长期不同施肥对土壤有机硫矿化量、动力学特征和酶活性的影响,揭示玉米–大豆轮作体系中棕壤有机硫矿化特征及其主要驱动因子。  【方法】  沈阳农业大学长期定位试验于1979年建立,为玉米–玉米–大豆 (一年一熟) 轮作模式。试验设置15个处理,本研究选取了其中7个处理,分别为:CK (不施肥)、N₁ (低量化学氮肥)、N₂ (高量化学氮肥)、N₁P (低量化学氮肥+磷肥)、N₁PK (低量化学氮肥+磷钾肥)、M₁ (低量有机肥) 和M₁N₁PK (低量有机肥配施化学氮磷钾肥)。不同作物有机肥投入量相同,氮磷钾化肥投入量不同。选取2014和2015年的耕层 (0—20 cm) 土壤样品,测定土壤基本理化指标 (pH、有机碳和全氮含量)、有机硫矿化量、土壤中性蛋白酶及土壤芳基硫酸酯酶活性。同时,进行矿化培养试验,分析不同温度下有机硫矿化特征。于玉米、大豆收获后测定产量。  【结果】  长期施肥处理均提高了土壤有机硫的矿化量,7个处理总体表现为M₁N₁PK > M₁ > N₁PK、N₁、N₂ > N₁P > CK。单施化肥条件下,增加氮肥用量对有机硫矿化作用无显著影响;单施有机肥或有机肥与化肥配施均可明显促进土壤有机硫矿化。与CK相比,M₁N₁PK处理有机硫矿化量提升幅度最大,提高了57.30%。利用一级动力学方程进行拟合,长期施肥均提高了有机硫矿化势,无机肥处理 (N₁、N₂、N₁P和N₁PK) 的提升幅度均较低,提升效果最优的是M₁处理,比CK提高了45.27%。环境温度和作物种类均显著影响有机硫矿化量和矿化势,随着环境温度的升高,有机硫的矿化量和矿化势均明显增加;玉米种植季有机硫矿化量和矿化势均高于大豆种植季。土壤中性蛋白酶活性和芳基硫酸酯酶活性均以M₁N₁PK处理最高,与单施化肥相比分别提高了96%～220%、264%～986%。有机硫累积总矿化量在种植玉米的年份与土壤有机碳 (r = 0.7693) 含量和全氮 (r = 0.7554) 含量呈显著正相关 (P < 0.05)。  【结论】  土壤的有机碳和全氮含量是棕壤有机硫矿化的主要驱动力。只施用无机肥对土壤有机硫的矿化没有显著影响,而有机无机肥配合施用可显著提高土壤芳基硫酸酯酶、中性蛋白酶活性,进而提高有机硫矿化势和矿化量。玉米因其较高的生物量也成为有机硫矿化的主要驱动力。     

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。      

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。     

有机无机肥配施提升冷浸田土壤氮转化相关微生物丰度和水稻产量

【目的】 以南方典型冷浸田为对象,研究化肥配施不同有机肥对冷浸田水稻产量以及土壤氮相关功能微生物群落丰度的影响,旨在为冷浸田土壤氮素活化和转化过程的定向调控,氮素利用效率提高及水稻高产施肥提供科学依据。 【方法】 通过连续 3 年 6 季的定位试验,采用土壤理化分析、酶学分析和荧光实时定量 PCR 技术深入探讨化肥配施不同堆肥原料有机肥对冷浸田养分活化、水稻产量提升及土壤氮相关功能微生物群落丰度的效应。本试验设 4 个处理,分别为单施化肥 (CK)、化肥配施猪粪 (PIM)、化肥配施牛粪 (CAM)、化肥配施鸡粪 (CHM)。 【结果】 CHM、CAM 处理水稻产量显著高于化肥处理( P < 0.05),较 CK 平均增产 10.23%、7.62%。连续施用 CHM、CAM 显著提高了土壤 pH,增加了土壤有机碳、全氮和铵态氮含量。三种堆肥原料的有机无机配施均能够提高土壤氮素循环相关功能微生物基因丰度,其中细菌、古细菌总群落 16s rDNA 丰度和氨氧化古菌 (AOA) 和氨氧化细菌 (AOB) 的氨单加氧酶 ( amoA) 基因丰度提高趋势一致,以 CHM 处理最高,但细菌总群落 16s rDNA 丰度增幅较小。亚硝酸盐还原酶 ( nirK、 nirS) 基因和一氧化二氮还原酶 ( nosZ) 基因丰度对不同处理的响应并不一致。相关性分析表明,土壤有机碳和全氮含量是影响 AOA、AOB、 nirK、 nirS 型反硝化细菌的重要因子。 【结论】 化肥配施鸡粪有机肥能显著提高冷浸田土壤铵态氮、速效磷含量,增加细菌、古菌、AOA 和 AOB 氨单加氧酶 ( amoA) 的基因丰度,增强土壤脲酶、蛋白酶和磷酸酶的活性,提升冷浸田土壤生产力。      

不同施肥模式对绿洲农田土壤微生物群落丰度与酶活性的影响

以中国科学院阜康荒漠生态系统国家野外观测研究站的长期定位试验为平台,利用荧光实时定量PCR(Real-time PCR)技术,对不同施肥模式下的土壤微生物群落丰度进行了测定,并分析了土壤酶活性。结果表明:与无肥处理(CK)相比,20年长期单施化肥(CF)或者化肥配施秸秆(CF/OM)处理均显著增加了土壤氨氧化古菌(AOA)与氨氧化细菌(AOB)的丰度。其中,土壤AOB最低增加了16倍,而AOA最多增加了3倍,表明AOB可能在原位土壤氨氧化过程中发挥了更为重要的作用。尽管CF/OM处理的作物产量与CF处理无显著差异,但该施肥模式在维持作物产量的同时,其土壤微生物主要类群(真核微生物、细菌、古菌)数量最大,土壤有机碳含量最高,大多土壤酶活性高于其他处理,表明化肥配施有机肥有利于保持土壤微生物多样性,对于提高土壤质量具有重要作用。     

长期施肥对稻田土壤微生物群落结构及氮循环功能微生物数量的影响

  【目的】   稻田是陆生生态系统中重要的氮库之一，在氮素生物地球化学循环中具有重要地位。研究不同施肥处理对稻田土壤微生物群落结构及其功能的影响具有重要意义。   【方法】   田间试验位于江苏省金坛市，在取样时试验已进行了6年。施肥处理包括:不施肥对照 (CK)、施化肥 (CF)、化肥+猪粪混施 (CMF)、化肥+秸秆混施 (CSF)。采用高通量测序和定量PCR方法测定稻田土壤微生物群落结构及氮循环相关功能微生物数量。   【结果】   在施用肥料6年后，土壤全碳、可溶性有机碳、全氮、铵态氮和硝态氮含量均不同程度地提高。与CF相比，CSF和CMF处理土壤pH升高，全碳、可溶性有机碳与养分含量升高。CK与施肥处理的土壤细菌群落结构差异明显，不同施肥处理的细菌群落结构之间有明显差别。聚类结果显示，CK与CMF处理细菌群落聚类更接近，CF处理和CSF处理细菌群落结构更为接近；与CK相比，CF、CMF、CSF处理土壤中氨氧化细菌 (AOB) 和铁氨氧化微生物Feammox A6的丰度显著提高，其中Feammox A6分别增长87.6%、158%和157%。冗余分析结果表明，施肥过程及其对土壤化学性质的改变显著影响土壤细菌群落的组成和分布。   【结论】   施肥导致的反应底物 (NH₄+、NO₃–含量) 及土壤理化性质的差异，是土壤微生物群落结构和功能微生物数量响应的主要决定因素。不施肥与化肥配施猪粪的土壤细菌群落聚类更接近，施化肥与化肥配施秸秆的细菌群落结构更为接近。施肥对氨氧化细菌AOA数量影响不明显，但显著提高氨氧化古菌AOB和厌氧铁氨氧化功能微生物Feammox A6的数量，特别是有机肥 (猪粪、秸秆) 提高Feammox A6数量的效果大于化肥。长期单施化肥土壤中厌氧氨氧化细菌丰度显著降低，反硝化功能基因nirK、nosZ丰度显著增高；化肥配施猪粪土壤中的厌氧氨氧化细菌丰度变化不明显，反硝化功能基因narG、nirK、nosZ丰度显著增高；化肥配施秸秆处理厌氧氨氧化细菌丰度变化不明显，反硝化功能基因nirK、nosZ丰度显著增高。     

不同形态氮添加对毛竹林土壤N2O排放的影响

  【目的】  氧化亚氮(N₂O)排放是亚热带地区氮损失的主要途径,我们研究了不同形态含氮化合物对土壤N₂O排放的影响。  【方法】  以毛竹(Phyllostachys edulis)林土壤为研究对象进行了室内培养试验。设置土壤中添加KNO₃、NH₄NO₃、NH₄Cl、KCl处理,以去离子水作为对照(CK),在25oC黑暗条件下培养。在培养0.5 h,1、3、5、7、14、28、60天,测定土壤N₂O排放速率,铵态氮(NH₄+-N)、硝态氮(NO₃?-N)、可溶性有机碳(DOC)和水溶性氮(WSN)含量,采用荧光定量PCR技术测定了土壤氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)、nirS、nirK、nosZⅠ、nosZⅡ基因丰度。  【结果】  培养第60天,氮添加与KCl添加处理均显著增加了土壤DOC含量,NH₄NO₃、NH₄Cl处理显著增加了WSN含量,但显著降低了土壤pH。氮添加及KCl添加处理均增加了土壤AOA、AOB、nirK基因丰度,降低了nosZⅠ、nosZⅡ基因丰度。氮添加处理N₂O排放速率均在培养第14天达到峰值,且相较于CK处理均增加了N₂O累积排放量,KNO₃、NH₄NO₃、NH₄Cl和KCl处理累积排放量的增幅分别为524.3%、771.1%、652.7%、98.6%。N₂O排放速率与NO₃?、WSN、nirK基因丰度呈显著正相关,而与pH、nosZⅠ、nosZⅡ基因丰度呈显著负相关。  【结论】  铵态氮添加能显著促进毛竹林土壤N₂O的排放,其效果高于硝态氮,NH₄NO₃作为混合氮,外源性NH₄+-N、NO₃?-N同时输入对土壤N₂O排放的促进作用比单独添加NH₄+-N、NO₃?-N更显著,但并未出现叠加效应。     

不同生育期苹果园土壤氨氧化微生物丰度研究

【目的】大量施氮引起的土壤酸化问题已严重制约苹果的安全生产。氨氧化微生物驱动的土壤硝化作用是土壤氮素循环的重要环节,探析苹果园土壤中氨氧化微生物氨单加氧酶基因(amoA)丰度与土壤硝化强度(Potential Nitrification,PN)和土壤理化性质的相关性,有助于评价土壤氨氧化微生物类群在苹果园土壤生态系统中的作用。【方法】本研究以辽宁省丹东东港地区‘寒富’苹果园土壤为研究对象,采用实时荧光定量PCR(Real-time PCR)技术,检测苹果树不同生育时期, 4月28日(萌芽期)、 7月24日(新梢停长期)、 10月23日(落叶期)的两个苹果园(分别编号为D1和D2)的土壤理化性质、 土壤硝化强度、 氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea, AOA)和氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria, AOB)的amoA基因丰度,并分析了氨氧化微生物丰度与土壤理化性质和土壤硝化强度之间的关系。【结果】不同生育时期‘寒富’苹果园土壤理化因子差异较大。所有供试土壤的硝态氮(NO-3-N)、 速效磷(AP)和速效钾(AK)含量在4月份最高,铵态氮(NH+4-N)含量在7月最高,NO-3-N、 NH+4-N、 AP和AK含量在10月多为最低。且所有供试土壤pH值均在4.25~6.09之间。同一生育时期内,D2土壤pH均显著高于D1土壤,但其NO-3-N和NH+4-N含量则不同程度地低于D1土壤。不同采样时期的果园土壤硝化强度随季节变化表现出先降后增的趋势,除7月D2土壤硝化强度显著高于D1土壤外,4月与10月D2土壤硝化强度均显著低于D1土壤。尽管不同采样时期的土壤AOA与AOB丰度随生育期而各异,所有供试土壤中AOA丰度均显著高于AOB丰度。同一时期内,D2土壤AOA和AOB丰度均显著高于D1土壤。尽管土壤pH、 NO-3-N与AOA、 AOB均表现出显著相关性,土壤PN仅与AOA丰度明显正相关。【结论】长期施肥导致苹果园土壤pH值降低,pH值的改变是影响AOA与AOB丰度的重要因子,果园土壤的硝化过程主要由AOA来完成,土壤硝化强度与季节变化引起的温度和土壤环境因子等的改变密切相关。苹果园无机氮肥混合有机肥的施入,同时结合自然生草、 人工刈割等管理制度,在一定程度上可改变土壤氮素的含量与种类,减缓土壤酸化。     

长期不同施肥对棕壤AM真菌群落结构的影响

【目的】 探明长期不同施肥条件下玉米–大豆轮作棕壤丛枝菌根 (Arbuscular mycorrhizal, AM) 真菌群落结构的变化及其影响因素。 【方法】 以沈阳农业大学棕壤肥料长期 (38年) 定位试验耕层土壤 (0—20 cm) 为材料,于2016年4月选取其中6个施肥处理:1) 不施肥 (CK);2) 单施化学氮肥 (N);3) 施用化学氮磷肥 (NP);4) 施用化学氮磷钾肥 (NPK);5) 单施有机肥 (M);6) 有机肥和化学氮磷肥配施 (MNP)。采用PCR-DGGE和克隆测序,分析了棕壤AM真菌群落结构,并结合环境因素进行冗余分析和典型对应分析。 【结果】 施用有机肥处理土壤有机碳 (TOC)、全氮 (TN)、全磷 (TP)、全钾 (TK)、碱解氮 (AHN)、有效磷 (AP)、速效钾 (AK)、可溶性有机碳 (DOC) 含量显著高于单施化肥和不施肥处理,且趋势表现为有机肥处理 > 化肥处理 > CK;与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。长期施肥显著改变了土壤中的AM真菌孢子密度,施用有机肥处理的孢子密度显著高于单施化肥处理和不施肥处理。冗余分析结果表明,土壤pH与AM真菌多样性指数和均匀度均呈显著负相关,而孢子密度与AP、TK、AHN呈显著正相关,AM真菌多样性指数与孢子密度则不相关。聚类分析表明长期不同施肥将棕壤中AM真菌分为两大类群,分别为不施肥区和施肥区,其相似度仅为42%。通过割胶克隆测序得出从土壤样品中分离的AM真菌种群主要为球囊霉菌,典型对应分析表明AP、AK、TOC、NH ₄+-N显著影响AM真菌的群落组成。 【结论】 长期定位施肥改变了棕壤的理化性质,从而对AM真菌的群落结构产生了显著影响。      

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.     

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.     

长期施肥对氨氧化古菌丰度及群落结构的影响

【目的】氨氧化古菌对土壤氮素转化有着重要的作用。本研究以长期定位施肥黄泥田土壤为研究对象探讨了长期不同施肥模式对土壤氨氧化古菌数量和多样性的影响,为制定合理的施肥制度提供理论基础。【方法】试验在福建省农科院试验站上进行,以30年长期定位施肥的红壤性水稻土为研究对象采用荧光定量PCR和克隆文库技术,研究了长期不同施肥模式对氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)丰度及群落结构的影响。试验设4个处理:1)不施肥(CK);2)单施氮磷钾肥(NPK);3)氮磷钾肥配施牛粪(NPKM);4)氮磷钾肥配施秸秆(NPKS)。小区面积为12 m~2每个处理设3个重复。土样采集时间为2012年10月份(水稻收获后),测定土壤养分和氨氧化古菌的数量及多样性。【结果】1)与CK相比,NPKM和NPKS处理显著增加了土壤有机质含量,NPKM和NPKS处理之间无显著差异。2)与CK相比施肥均能提高土壤全氮含量;NPKM和NPKS处理能够显著提高土壤全磷含量,NPKM处理全磷含量最高;仅NPKS处理能显著增加全钾含量。3)与CK相比,长期施肥均能提高土壤有效氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)的含量,并且NPKM处理AN和AP含量最高,NPKS处理中AK含量最高。4)与CK相比,长期施肥均对土壤pH值无显著影响。5)与CK处理相比,NPKM和NPKS处理的amoA基因拷贝数显著增加增加幅度分别为168.4%和95.7%;单施化肥处理与CK无显著差异。土壤氨氧化古菌数量与土壤有机质含量呈显著正相关,与土壤全磷、有效氮、速效磷和速效钾含量呈极显著正相关。6)长期不同施肥处理影响土壤氨氧化古菌的种群结构,单施化肥增加了土壤AOA的多样性,而化肥配施有机肥则降低了AOA的多样性。7)本试验中得到的土壤氨氧化古菌amoA基因序列均为不可培养的古菌,包括泉古菌(Crenarchaeote)和奇古菌(Thaumarchaeote)。本试验所得氨氧化古菌绝大多数与来自土壤、沉积物的amoA基因克隆非常相似,少数与水体环境相似。【结论】不同培肥模式下,土壤中氨氧化古菌均为不可培养的古菌,包括泉古菌(Crenarchaeota)和奇古菌(Thaumarchaeota),然而水稻土壤养分和氨氧化古菌丰度及群落结构变化显著。单施化肥的作用不明显,有机无机肥配施有利于土壤有机质和养分的积累以及氨氧化古菌的生长增加了氨氧化古菌优势菌群的比例。     

Long-term fertilization effects on active ammonia oxidizers in an acidic upland soil in China

The effects of long-term fertilization of acidic soils on ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) communities and its ecological implications remain poorly understood. We chose an acidic upland soil site under long-term (27-year) fertilization to investigate ammonia oxidizer communities under four different regimes: mineral N fertilizer (N), mineral NPK fertilizer (NPK), organic manure (OM) and an unfertilized control (CK). Soil net nitrification rates were significantly higher in OM soils than in CK, N or NPK soils. Quantitative analysis of the distribution of amoA genes by DNA-based stable isotope probing revealed that AOA dominate in CK, N and NPK soils, while AOB dominate in OM soils. Denaturing gradient gel electrophoresis and clone library analyses of amoA genes revealed that Group 1.1a-associated AOA (also referred to as Nitrosotalea) were the most dominant active AOA population (>92%), while Nitrosospira Cluster 3 and Cluster 9 were predominant among active AOB communities. The functional diversity of active ammonia oxidizers in acidic soils is affected by long-term fertilization practices, and the responses of active ammonia oxidizers to mineral fertilizer and organic manure are clearly different. Our results provide strong evidence that AOA are more highly adapted to growth at low pH and low substrate availability than AOB, and they suggest that the niche differentiation and metabolic diversity of ammonia oxidizers in acidic soils are more complex than previously thought.     

长期定位施肥对中性紫色土硝化作用及氨氧化微生物的影响

为了研究长期不同施肥措施对中性紫色土氨氧化微生物及其硝化作用的影响,以国家紫色土肥力与肥料效益监测基地的中性紫色土为研究对象,进行土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌amo A基因的Real-time PCR分析,比较长期不同定位施肥对土壤氨氧化潜势和硝化强度的影响,并分析不同施肥制度对功能微生物丰度与功能的作用。数据显示,土壤中氨氧化古菌amo A基因拷贝数(Log值6.21～7.14)远大于氨氧化细菌(Log值3.65～5.73),相对于对氨氧化细菌丰度的影响,施肥对土壤氨氧化古菌丰度影响较小。施用氮肥与磷肥都显著提高了土壤氨氧化细菌丰度,1.5NPK+M处理氨氧化细菌丰度最高(Log值5.73),有机无机肥配施可以显著提高土壤氨氧化微生物丰度;而含氯化肥的施用在一定程度上降低了土壤氨氧化细菌丰度与硝化细菌生长,与施用不含氯的肥料处理相比,含氯肥料处理的土壤氨氧化细菌丰度与硝化细菌数分别降低了3.74%和88.12%。研究表明,长期施肥能影响中性紫色土中氨氧化细菌的丰度,有机无机肥配施能够提高土壤的氨氧化潜力与土壤的硝化能力。