3,5-二甲基吡唑(DMP)施用后土壤硝化作用潜势及微生物群落动态变化研究

采用室内培养试验方法,从3,5-二甲基吡唑施用后土壤硝化作用潜势、参与氮转化的主要生理菌群、土壤微生物群落的数量及其生理活性等的动态变化入手,研究了新型硝化抑制剂3,5-二甲基吡唑(DMP)的施用对土壤硝化作用及生物学质量的影响。结果表明,适量DMP的施用可在一定时间内显著降低土壤的硝化作用潜势和土壤氨氧化菌的数量,刺激土壤三大微生物群落的增殖,但细菌、真菌和放线菌对DMP的剂量反应不同。土壤细菌数量呈现随DMP用量增加而增加的趋势,真菌和放线菌数量在培养28d之前则以中等剂量处理的为最高。超高量DMP的施用则强烈抑制土壤氨氧化菌的生长,土壤硝化作用潜势在整个培养期间一直维持在一个较稳定的低水平状态,且在施用前期对真菌和放线菌的增殖及总的微生物生理活性表现了一定的抑制效应,微生物商降低,qCO2值增大;在施用14d后,这种负效应逐渐缓解,进而表现出一定的刺激效应。DMP施用对土壤反硝化细菌影响不大。     

土壤氮循环微生物过程的分子生态学研究进展

固氮作用、硝化作用和反硝化作用是土壤微生物参与氮素循环的三个重要方面。自分子生态学方法应用于土壤学后,土壤微生物作用于氮素循环过程的机理研究取得了若干重要进展。包括:1)利用固氮菌的nifH基因作为分子标记研究有机质、氮素与固氮微生物之间的关系,发现固氮微生物的丰度和群落结构与土壤有机质含量呈正相关。然而,固氮微生物的丰度和群落结构与土壤速效N含量呈负相关,施用氮肥会抑制固氮微生物的生长,施氮土壤固氮微生物数量减少,多样性降低。2)以氨氧化微生物功能基因为探针,揭示了土壤pH与氨氧化微生物分布关系密切,碱性土壤中氨氧化细菌是硝化作用主要参与者,而酸性土壤中氨氧化古菌是硝化作用的主导者。土壤中N素的含量也影响氨氧化微生物的数量和群落结构,施入氮肥后氨氧化微生物的数量和活性增加。3)利用反硝化功能基因为分子标记研究土壤因子对反硝化细菌群落的影响,阐明了土壤可溶性有机碳、pH和土壤水分是影响反硝化细菌数量和群落结构的重要因子,并且发现土壤反硝化细菌与土壤反硝化能力和氧化亚氮释放之间存在着一定的联系,但这种联系在不同研究对象中存在差异,需要进一步确认。目前,利用分子生物学技术解析土壤氮素循环微生物生态功能取得了重要的进展,但还需进一步深入。今后,将采用包括同位素在内的示踪技术与分子生物学方法相结合共同分析氮循环不同代谢过程微生物种群间的相互关系以及氧化亚氮产生与硝化和反硝化微生物之间的关系。     

控制氮肥施用引起的活性氮气体排放：脲酶/硝化抑制剂研究进展与展望

氮肥不合理施用所排放的活性氮气体(NH3、N2O、NO)对环境造成了极大影响,其中,挥发到大气中的NH3会与酸性气体反应形成气溶胶,降低空气质量;氮素转化过程中排放的N2O是一种具有高增温潜势的温室气体,对全球气候变暖有贡献;排放的NO在大气中进行二次反应产生光化学污染及次级污染(如酸雨)。脲酶抑制剂(UI)和硝化抑制剂(NI)对减少氮肥施用中活性氮对环境负面风险方面的消减作用被广为研究。本文在汇总近年来土壤氮素硝化作用微生物机理的研究进展基础上,结合近年的文献汇总数据,综述了UI及NI的类型、作用机理、对硝化作用相关功能微生物的影响、对N2O、NO及氨挥发减排的效果,以及影响抑制剂作用效果的因素(温度、土壤水分、土壤pH、土壤质地、土壤有机质含量等),并对新型生物硝化抑制剂(BNI)及抑制剂的可能研究方向进行了展望。     

氮素水平对潮土氨氧化微生物和硝化作用的影响

为了明确不同氮素水平对土壤硝化作用和氨氧化微生物的影响,特别是高氮水平下氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的响应特异性,以潮土为供试土壤,以尿素和硫酸铵作为氮源,设置5个氮素水平(以N计,分别为0、150、300、600、1 200 mg·kg^-1,相应地,记为N0、N150、N300、N600、N1200),进行28 d的微宇宙培养,研究不同氮素水平下尿素和硫酸铵对土壤AOB、AOA丰度和土壤硝化作用的影响。结果表明,添加氮肥显著(P<0.05)降低了土壤pH值,至培养结束时(28 d),土壤pH值随氮素水平增加而降低。培养结束时,各加氮处理的土壤$NH_{4}^{+}$-N含量都处于较低水平(0.72~2.01 mg·kg^-1)。与N0处理相比,添加尿素或硫酸铵增加了AOB amoA基因拷贝数,且AOB amoA基因拷贝数随氮素水平增加而增加;但施用氮肥对AOA amoA基因拷贝数无显著影响。土壤平均净硝化速率随氮素水平的增加而增加,且同一氮素水平下,尿素处理的土壤平均净硝化速率高于硫酸铵处理。相关关系分析发现,土壤$NO_{2}^{-}$-N+$NO_{3}^{-}$-N含量与AOB amoA基因拷贝数呈显著(P<0.05)正相关关系,与AOA amoA基因拷贝数无显著相关性,说明AOB在潮土硝化作用中起主导作用。综上,高氮水平并未抑制潮土的硝化作用,反而促进了土壤硝化作用,且该过程主要由AOB主导。研究结果可为潮土上氮肥的科学管理提供理论基础。     

氰氨态氮的硝化抑制效应及其在农田的应用

本文探讨了氰氨态氮的硝化抑制效应,比较了氰胺和双氰胺在农田的使用效果。研究结果表明,氰胺和双氰胺都能抑制硝化作用,从而提高氮肥利用率。在水田土壤中,氰胺的分解速度比双氰胺缓慢,硝化抑制效应持续时间较长,其增效作用比双氰胺大;在旱田土壤则相反,双氰胺的硝化抑制效应大于氰胺。在正常的条件下,氰胺是氰氨化钙分解的主要产物。试验结果表明,氮肥与氰氨态氮的配合比例以5:1～3:1为宜。在多数情况下,这个浓度水平对作物无害,并能充分发挥增效作用。同时,在水田土壤中,氮肥与氰氯化钙配施,其增效作用比双氰胺大,而成本却比双氰胺为低。     

模拟水位下降与刈割对高寒湿地土壤氨氧化与反硝化微生物的影响

湿地土壤是温室气体重要的源和汇,认识湿地生态系统氮循环过程有助于预测氮循环对未来气候变化的响应与反馈机制。为探讨硝化作用和反硝化作用对土壤水位变化和刈割的响应机制,依托于2013年在青藏高原东部若尔盖泥炭地南部湿地设置的野外实验,通过在样地周围挖掘不同深度的排水沟模拟水位下降,结合刈割处理,研究水位下降和刈割对泥炭地土壤氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和反硝化细菌(Denitrifying bacteria)丰度的影响。2014年7月取样分析结果表明:水位下降显著降低土壤含水量,水位下降与刈割均显著降低土壤呼吸;氨氧化及反硝化微生物功能基因丰度在各处理间无显著差异,但刈割及其与水位下降的交互作用显著影响AOA-amo A与AOB-amo A基因丰度比。刈割处理显著增加AOB-amo A基因相对丰度,但对AOA-amo A基因丰度无显著影响,揭示AOB可能在湿地土壤硝化过程中占主导地位。土壤nir S基因丰度显著高于nir K基因,表明nir S基因对水位下降及刈割的响应更为敏感。随着土壤水位的下降,刈割促进了由AOB主导的氨氧化过程,而反硝化微生物丰度的增加削减了氨氧化产物硝酸盐的积累,继而降低了土壤硝酸盐含量。     

双氰胺抑制剂对土壤硝态氮测定的影响

氮肥施用是农业增产的有效途径,脱氮作用可使土壤中下渗的剩余氮素得到消散与净化。采用硝化抑制剂可消除针对土壤氮素转化运移研究中硝化、反硝化作用的交叉影响,而硝化抑制剂的应用,又可能对土壤硝态氮的测定产生影响。选择测定硝态氮的常用方法酚二磺酸分光光度法和紫外分光光度法,对比研究了应用硝化抑制剂双氰胺对硝态氮测定的干扰影响。结果表明：双氰胺明显对紫外分光光度法测定硝态氮产生干扰影响,对酚二磺酸法测定影响较小。     

增效剂对大豆的药效与药害试验初报

各种氮肥如碳酸氢铵、硫铵、尿素等施入土壤之后,经亚硝化细菌和硝化细菌作用,把铵态氮(NH_4~ )转化成容场流失的亚硝态氮(NO_2~-)和硝态氮(NO_3~-)。硝态氮在土壤中,经反硝化作用则成为气态的氧化亚氮(N_2O)或分子态氮(N_2)而散失。为此研究能抑制铵氧化为亚硝酸的细菌活动的新型药剂(即增效剂或硝化抑制剂),防止硝化作用所造成的损失,以提高氮肥利用率,达到增产目的。我们应用国产三种增效     

硝化抑制剂DMPP应用研究进展及其影响因素

硝化作用是土壤氮素转化的关键过程之一,利用化学氮肥添加硝化抑制剂可有效调控土壤氮素的转化,提高农产品产量和品质,同时降低氮肥损失对大气和水体造成的污染。3,4-二甲基吡唑磷酸盐(3,4-dimethypyrazole phosphate,DMPP)是一种对植物及土壤无毒无害的高效硝化抑制剂。在现有相关研究的基础上,结合国内外研究进展,回顾了国内外硝化抑制剂DMPP的研究历史与特性,通过综述DMPP对土壤硝化抑制作用的机理,全面评述了施用DMPP的环境效应和农学效应,重点阐述了影响DMPP在土壤中硝化抑制效果的影响因素,归纳了国内外当前的研究热点及取得的科研成果,并对未来的研究方向予以展望。     

东北沼泽湿地土壤中氨氧化微生物活性和丰度研究

为了研究东北典型沼泽湿地——三江湿地和扎龙湿地表层土壤中氨氧化微生物的活性和丰度,采用氯酸盐抑制亚硝酸盐氧化菌(Nitrite-oxidizing bacteria,NOB)和氨苄青霉素抑制氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)以及荧光定量PCR的方法,分析了生长季和非生长季氨氧化微生物的活性和丰度的关系。结果表明:在不同类型的湿地土壤中,pH值显著地影响湿地土壤中氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)的潜在氨氧化活性(Potential ammonia oxidation activity,PAO)(P0.01)。AOA的丰度值与PAO_(AOA+AOB)呈显著正相关(r=0.96,P0.05),而与PAO_(AOA)不存在相关性(P0.05)。三江湿地的毛苔草和小叶章土壤中的PAO_(AOA+AOB)、PAO_(AOA)、AOA丰度与AOB丰度,并无显著差异。研究表明植被的差异并没有影响土壤中氨氧化微生物的潜在氨氧化活性以及氨氧化微生物的丰度,但在抑制AOB活性之后毛苔草土壤中的PAO出现了显著的下降(P0.05),表明AOB在毛苔草土壤中的氨氧化过程中发挥着重要作用。     

长期施用氮肥和磷肥对渭北旱塬土壤中氨氧化古菌多样性的影响

采用基于氨单加氧酶基因的PCR-RFLP和DNA测序技术,以黄土高原旱地黑垆土为材料,研究长期施用氮肥和磷肥对土壤氨氧化古菌多样性的影响.结果显示,不同施肥处理土壤样品得到的氨氧化古菌的OTU数分别为25(种植不施肥,CK)、21(不施肥不种植,LD)、18(单施氮肥,N)、25(单施磷肥,P)和13(氮、磷共施,NP).氨氧化古菌的多样性指数H′和优势度指数Ds变化趋势基本相同,分别为P＞CK＞LD＞NP＞N和P＞CK＞NP＞LD＞N;种群丰富度和均匀度指数在不同处理间变化较大,分别为CK＞P＞LD＞N＞NP和P＞NP＞LD＞N＞CK.各处理优势氨氧化古菌绝大部分属于Cluster S,少数属于Cluster M,获得的序列全部属于难培养泉古菌门.不同施肥方式的长期定位试验土壤中氨氧化古菌多样性变化较大,而优势氨氧化古菌系统进化定位没有显著变化.     

长期咸水滴灌对土壤氨氧化微生物丰度和群落结构的影响

为探讨长期咸水滴灌对棉田土壤氨氧化细菌（AOA）和氨氧化古菌（AOB）的丰度和群落结构的影响,于2018年采集已经过10年咸水滴灌的棉田土壤,通过实时荧光定量PCR和高通量测序技术测定土壤AOA和AOB的丰度和群落结构。试验设3个灌溉水盐度水平：0.35、4.61 dS·m^-1和8.04 dS·m^-1（分别代表淡水、微咸水和咸水）。结果表明：微咸水、咸水灌溉显著降低土壤NO₃^--N含量和潜在硝化势（PNR）,但显著增加土壤盐分和NH₄⁺-N含量。不同处理AOA和AOB的amoA基因拷贝数分别为2.2×10⁶~3.6×10⁶copies·g^-1和1.9×10⁵~3.2×10⁵ copies·g^-1干土;微咸水、咸水处理AOA和AOB amoA基因拷贝数均显著低于淡水处理,且微咸水处理显著降低AOA/AOB。PNR与AOA丰度（P<0.001）和AOB丰度（P<0.001）均呈显著正相关关系。此外,不同灌溉水盐度下AOA群落操作分类单元（OTUs）的数量大于AOB,微咸水、咸水灌溉显著降低AOB群落的OTUs。与淡水处理相比,咸水、微咸水处理显著增加AOA群落的香农指数,咸水处理显著降低AOB群落的香农指数。AOA和AOB群落的优势类群分别为Candidatus Nitrosocaldus和Nitrosospira;咸水、微咸水处理抑制AOA群落的Betaproteobacteria生长,而咸水处理中Candidatus Nitrosocaldus显著高于淡水和微咸水处理。AOB群落中Nitrosomonas的相对丰度随着灌溉水盐度的增加而显著降低。LEf Se分析显示,AOA在咸水灌溉下仅有1个差异物种,而AOB在微咸水灌溉时有5个差异物种。冗余分析结果显示：AOA群落结构的改变与土壤NO₃^--N、pH和盐度的变化密切相关,而AOB群落结构的改变仅与NO₃^--N和pH显著相关。盐分是影响氨氧化微生物生长及群落结构的主导因素,AOA和AOB共同参与土壤硝化作用,淡水、微咸水灌溉条件下AOB可能是硝化作用主导微生物种群,而咸水灌溉条件下AOA可能是主导微生物种群。     

Abundance and Community Composition of Ammonia-Oxidizers in Paddy Soil at Different Nitrogen Fertilizer Rates

Ammonia oxidation, the first and rate-limiting step of nitrification, is carried out by both ammonia-oxidizing bacteria （AOB） and ammonia-oxidizing archaea （AOA）. However, the relative importance of AOB and AOA to nitrification in terrestrial ecosystems is not well understood. The aim of this study was to investigate the effect of the nitrogen input amount on abundance and community composition of AOB and AOA in red paddy soil. Soil samples of 10-20 cm （root layer soil） and 0-5 cm （surface soil） depths were taken from a red paddy. Rice in the paddy was fertilized with different rates of N as urea of N1 （75 kg N ha＂ yr-1）, N2 （150 kg N ha~ yrl）, N3 （225 kg N ha1 yrl） and CK （without fertilizers） in 2009, 2010 and 2011. Abundance and community composition of ammonia oxidizers was analyzed by real-time PCR and denaturing gradient gel electrophoresis （DGGE） based on amoA （the unit A of ammonia monooxygenase） gene. Archaeal amoA copies in N3 and N2 were significantly （P〈0.05） higher than those in CK and N1 in root layer soil or in surface soil under tillering and heading stages of rice, while the enhancement in bacterial amoA gene copies with increasing of N fertilizer rates only took on in root layer soil. N availability and soil NO3--N content increased but soil NH4＋-N content didn＇t change with increasing of N fertilizer rates. Otherwise, the copy numbers of archaeal amoA gene were higher （P〈0.05） than those of bacterial amoA gene in root lary soil or in surface soil. Redundancy discriminate analysis based on DGGE bands showed that there were no obvious differs in composition of AOA or AOB communities in the field among different N fertilizer rates. Results of this study suggested that the abundance of ammonia-oxidizers had active response to N fertilizer rates and the response of AOA was more obvious than that of AOB. Similarity in the community composition of AOA or AOB among different N fertilizer rates indicate that the community composition of ammonia-oxidizers was relatively stable in the paddy soil at least in short term for three years.     

脲酶/硝化抑制剂减少农田土壤氮素损失的作用特征

氮肥过量施用加剧了农田土壤氮素损失,如增加NH₃挥发、N₂O排放及硝酸盐淋洗等,这将降低空气和水体质量并对全球气候产生负面影响。脲酶抑制剂和硝化抑制剂可延缓土壤氮素转化,降低土壤活性氮对环境的负面效应,因此在农业生产中被广泛应用,如N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）、3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）和双氰胺（DCD）。本文重点阐述了脲酶抑制剂NBPT和硝化抑制剂DMPP、DCD在农田土壤中的作用机制及其对环境和农学效应的影响,并揭示影响其施用有效性的主要因素。大多数研究结果表明,NBPT与尿素或有机肥配合施用后能够减少土壤NH₃挥发、N₂O排放和NO₃^-淋洗,并提高作物产量、品质及氮肥利用率;与NBPT类似,两种典型硝化抑制剂DCD和DMPP均能降低土壤N₂O排放和NO₃^-淋洗并提高作物产量,但某些环境条件下也会增加土壤NH₃挥发损失。不同农田生态系统中脲酶/硝化抑制剂的作用效果与抑制剂种类、降雨或灌溉量、土壤pH值和黏粒含量等因素有关。在未来的生产实践中,应根据抑制剂在不同土壤环境下的作用特征来更加科学合理地施用抑制剂。     

Variation of Potential Nitrification and Ammonia-Oxidizing Bacterial Community with Plant-Growing Period in Apple Orchard Soil

In this study, we investigated the potential nitrification and community structure of soil-based ammonia-oxidizing bacteria （AOB） in apple orchard soil during different growth periods and explored the effects of environmental factors on nitrification activity and AOB community composition in the soil of a Hanfu apple orchard, using a culture-dependent technique and denaturing gradient gel electrophoresis （DGGE）. We observed that nitrification activity and AOB abundance were the highest in November, lower in May, and the lowest in July. The results of statistical analysis indicated that total nitrogen （N） content, NH4＋-N content, NO3-N content, and pH showed significant correlations with AOB abundance and nitrification activity in soil. The Shannon-Winner diversity, as well as species richness and evenness indices （determined by PCR-DGGE banding patterns） in soil samples were the highest in September, but the lowest in July, when compared to additional sampled dates. The DGGE fingerprints of soil-based 16S rRNA genes in November were apparently distinct from those observed in May, July, and September, possessing the lowest species richness indices and the highest dominance indices among all four growth periods. Fourteen DGGE bands were excised for sequencing. The resulting analysis indicated that all AOB communities belonged to the 13-Proteobacteria phylum, with the dominant AOB showing high similarity to the Nitrosospira genus. Therefore, soil-based environmental factors, such as pH variation and content of NHa＋-N and NO3--N, can substantially influence the abundance of AOB communities in soil, and play a critical role in soil-based nitrification kinetics.     

不同灌溉模式和施氮处理下稻田氨氧化细菌及无机氮对N2O排放的影响

通过大田试验,研究不同灌溉方式和施氮处理下早稻、晚稻不同时期稻田N_2O的排放通量、氨氧化细菌数量、氨氧化潜势和无机氮含量的变化,揭示土壤氨氧化细菌数量、氨氧化潜势和无机氮含量对稻田N_2O排放的影响。两季试验均设3种灌溉模式,即常规灌溉(CIR)、"薄浅湿晒"(TIR)和干湿交替(DIR),和2种施氮处理,即100%尿素-N(FM1)和50%尿素-N+50%猪粪-N(FM2)。结果表明:晚稻、早稻分蘖期和成熟期土壤氨氧化细菌数量较低,而孕穗期和乳熟期数量较高;晚稻孕穗期、早稻孕穗期和乳熟期土壤氨氧化潜势较高,而晚稻、早稻分蘖期和成熟期土壤氨氧化潜势较低;相同施氮处理下,DIR模式土壤NH_4~+-N含量高于CIR与TIR模式,DIR与TIR模式土壤NO_3~--N含量均显著高于CIR模式;晚稻、早稻孕穗期和乳熟期DIR和TIR模式土壤N_2O排放通量比CIR模式显著提高,FM2处理高于FM1处理;氨氧化细菌和氨氧化潜势与NH_4~+-N含量之间呈极显著正相关关系,N_2O排放通量与氨氧化细菌和氨氧化潜势之间呈极显著正相关关系。因此,N_2O的排放受到氨氧化细菌和氨氧化潜势的直接影响,稻田NH_4~+-N含量大小会影响氨氧化细菌数量和氨氧化潜势,从而间接影响N_2O的排放。     

有机无机肥配施及硝化抑制剂对菜园生态系统硝酸盐污染的调控效应

为探明有机无机肥配施及其与硝化抑制剂配合施用对菜园生态系统氮素的吸收利用和迁移转化的影响,采用田间小区试验,对小白菜—土壤生态系统硝酸盐污染状况进行了较系统的研究。结果表明,有机无机肥配施及配合施用硝化抑制剂HQ、DCD和TU均不同程度地降低小白菜硝酸盐和亚硝酸盐的含量。减少耕层土壤中硝酸盐的积累,提高耕层土壤中铵态氮的含量。     

菜园土肥力特征及蔬菜硝酸盐污染的控制技术Ⅵ.硝化抑制剂对土壤和小白菜硝酸盐含量的调控效应

通过田间试验，于2002和2003年在湖南长沙地区的红菜园土和冲积菜园土两种土壤条件下研究了氢醌、双氰胺和硫脲3种硝化抑制剂对土壤和小白菜硝酸盐含量及小白菜产量、养分吸收和其他品质的影响，结果表明，3种硝化抑制剂在试验的各个时期均不同程度地降低了土壤和小白菜硝酸盐含量，其中以双氰胺的效果最好，3种硝化抑制剂均可不同程度地提高小白菜的产量，也以双氰胺的效果最好，且在红菜园土上的增产效果要比冲积菜园土上显著，另外，3种硝化抑制剂还能显著提高小白菜的维生素C和可溶性糖含量，增强对N，P养分的吸收。