基于分子生态学网络分析松嫩退化草地土壤微生物群落对施氮的响应

【目的】 氮素输入影响着全球草地生态系统的可持续性,关注施氮对土壤微生物群落的影响及其分子生态网络,为草地退化修复提供理论依据。【方法】 以松嫩退化羊草草地为研究对象,通过施氮和未施氮处理,利用高通量测序和随机矩阵网络构建理论构建土壤微生物群落分子生态网络。探讨氮素管理对退化羊草草地土壤微生物群落结构及网络的影响,氮添加条件下微生物网络结构中的关键微生物变化规律,以及该过程中微生物之间的互作关系,解析外源氮素添加条件下土壤细菌动态变化的关键结点和规律。【结果】 在门分类水平上施氮处理草地有细菌门22个,未施氮处理23个。7个菌门是施氮和未施氮处理草地的优势菌门,其中变形菌门（Proteobacteria）是含有OTU数量最多的门类,约占总序列的30.46%,酸杆菌门（Acidobacteria）是含有OTU数量次之的门类,约占总序列的30.15%,芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）是含有OTU数量第3的门类,约占总序列的8.14%,放线菌（Actinomycete）约占总序列的6.15%,绿弯菌门（Chloroflexi）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）三者约占总序列的17.16%。施氮处理草地土壤微生物中的变形菌门、放线菌门、拟杆菌门的相对丰度均显著高于未施氮处理草地土壤（P<0.01）;未施氮草地土壤中绿弯菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门相对丰度显著高于施氮草地土壤（P<0.01）,其他各门细菌施氮与未施氮处理间未呈现出显著差异。表征网络的正向连接比、平均路径长度、平均聚类系数和模块性均为施氮处理显著低于未施氮处理（P<0.001）。在土壤的分子生态网络中,未施氮处理有16个模块枢纽（Zi>2.5,Pi≤0.62）,施氮处理有6个模块枢纽,均属于酸杆菌门、芽单胞菌门和放线菌门。施氮导致土壤微生物种间关系改变,进而改变土壤整体生态网络。【结论】 施氮降低了退化草地土壤网络结构的复杂程度和紧密性;降低了退化草地土壤中的酸杆菌门和绿弯菌门相对丰度,提高了变形菌门、放线菌门和芽单胞菌门相对丰度。土壤中微生物关键物种（OTU）由16个（未施氮）减少为6个,且二者土壤中均没有重叠OTU,这表明施氮调控微生物群落网络的关键物种,进而改变其分子生态网络结构。     

豆-禾混播草地中紫花苜蓿比例对其固氮效率的影响及潜在生理机制

【目的】 通过研究豆草比例对紫花苜蓿-羊草混播草地豆科植物生物固氮的影响及其生理生态机制,深化对混播群落结构和生物固氮功能关系的理解,辅助豆-禾混播草地的科学建植和管理,提高混播草地生物固氮和土壤肥力,提升草地资源生产和生态保障能力。【方法】 2017年5月,利用紫花苜蓿和羊草为试验材料,采取随机区组设计,于中国科学院长岭草地农牧生态研究站内建植不同豆草比例（紫花苜蓿占比为25%、50%、75%、100%）的紫花苜蓿-羊草混播草地,4次重复。建植一年后,通过样方取样法调查混播草地群落结构变化,测定紫花苜蓿叶片、枝条和根系生长发育、光合和水分等生理代谢特征,在测定根系结瘤特征基础上,采取¹⁵N同位素自然丰度法评估紫花苜蓿固氮效率,结合土壤水分动态监测,分析豆草比例对紫花苜蓿生物固氮的影响及其生理生态机制。【结果】 （1）混播草地建植一年后,对应25%、50%、75% 和100%设计的豆草混播比例,混播草地实际紫花苜蓿占比分别为11%、27%、53%和100%。（2）对比25%、75%和100%的初始豆草种植比例,50%的初始豆草比例下,生长季平均土壤水分含量分别增加了21.4%、36.4%和51.7%。（3）50%豆草种植比例下,紫花苜蓿植株有更大的枝条和根系生物量、叶片数量、叶片面积、叶片厚度和叶片生物量,上述指标最小值出现在100%的豆草播种比例。（4）50%豆草种植比例下,紫花苜蓿具有最大的光合速率,枝条和根系中淀粉含量最高,但枝条和根系中可溶性糖含量最低。（5）50%的初始豆草混播比例下,紫花苜蓿根瘤发育更完善,其生物固氮率较25%、75%和100%的豆草混播比例分别提高了13.5%、44.6%和79.2%。回归分析表明,随豆草比例变化,紫花苜蓿生物固氮效率与土壤含水量呈正相关。【结论】 紫花苜蓿-羊草混播草地中,紫花苜蓿生物固氮能力与豆草比例间存在非直线型变化关系。当初始豆草种植比例为50%时,紫花苜蓿生物固氮率最大。豆草比例驱动土壤水分变化,进而通过调控叶片发育和光合等途径改变了紫花苜蓿植株和根瘤发育,是其影响生物固氮的潜在机制。     

土壤日晒在绿色植保中的应用与展望

土壤消毒主要用于土壤病虫草害防控。过去几十年,土壤主要采用化学药品熏蒸消毒,不合理使用容易造成环境污染。土壤蒸汽消毒、火焰消毒和热水浇灌等需要专门的仪器设备,且存在能耗较高、灭生性强、容易破坏土壤结构等缺点。目前,土壤日晒技术受到意大利、美国、以色列等70多个国家农业科学家的广泛关注,但在中国依然处于初级阶段。本文总结了国内外学者关于土壤日晒对农业病虫草害、土壤肥力、农作物产量等方面的影响与应用,分析了土壤日晒存在的局限性,并对土壤日晒在未来农业绿色防控上的应用前景进行了展望,以期为农产品无公害生产提供理论依据和实践参考。     

晋中盆地典型耕地厚度、土壤养分空间变异

旨在探究旱作区耕地土壤耕层厚度及土壤养分空间格局与变异规律。以晋中盆地典型耕地土壤为研究对象,运用地统计学方法对耕地耕层厚度及土壤养分的空间变异进行分析,土壤养分选取有机质、pH、有效磷、缓效钾4个指标。结果表明：（1）各个指标的空间自相关性都是随着距离的增加而减小;（2）有效磷的半变异函数最优模型为高斯模型,其他指标的最优模型均为指数模型。各指标的块金系数由大到小依次为：有机质>有效磷>pH>耕层厚度>缓效钾;（3）耕层厚度、有效磷均为西北高东南低的空间格局,缓效钾为东北高西南低,有机质为西南高东北低,pH除北洸乡偏低外均偏高。地统计方法能良好地描述土壤性质的空间分布和变异特征,各土壤性质的空间变异过程中随机性与结构性并存,并且随机性均小于50%。     

有机肥对土壤特性及农产品产量和品质影响研究进展

施用有机肥是农业生产的重要措施,对绿色农业发展起到积极作用,而且越来越广泛施用。本文介绍了目前有机肥基本概况,重点综述了有机肥对提高土壤肥力、提高作物产量和品质、促进养分利用以及对病虫害发生影响等方面研究的最新进展,分析了当前有机肥施用对耕地质量和农产品安全风险、施肥效率低、以及有机肥品种研发不足、相关质量标准滞后等问题,并对当前有机肥推广应用的形势和发展前景进行了分析和展望。     

Response of the soil macrofauna abundance and community structure to drought stress under agroforestry system in southeastern Qinghai-Tibet Plateau

ABSTRACT

Soil macrofauna is vital for soil functions and soil-mediated processes in all ecosystems. However, environmental perturbations, such as drought, that threaten both the abundance and function of soil macrofauna remain mostly unexplored, particularly in an agroforestry system. We investigated the effects of drought on soil macrofauna abundance and vertical distribution under three different planting systems including two intercropping systems, comprising Chinese prickly ash (Zanthoxylum bungeanum) intercropped with soybean (Glycine max) (Z-G) or bell pepper (Capsicum annuum) (Z-C), and one monoculture system, comprising only Z. bungeanum (Z). Soil samples were collected at depths of 0–10, 10–20, and 20–30 cm, and soil macrofauna and chemical properties were analyzed. Soil dryness negatively affected soil macrofauna in all planting systems. Drought reduced the total macrofauna density, biomass, genera richness, and Pielou’s evenness. Additionally, drought significantly decreased density and biomass of Drawida and Eisenia but had no effect on Carabid beetles. Soil macrofauna density was highest in the Z-G intercropping system and higher at 0–10 cm than at other soil depths. These results indicate that intercropping soybean rather than bell pepper increases the abundance and biomass of soil macrofauna, and drought remarkably impacts the response of soil macrofauna to planting systems.     

红壤旱地一株自生固氮菌的筛选鉴定及其固氮能力评估

为了鉴定从红壤中分离得到的一株自生固氮菌,并探讨其固氮能力。采用形态观察、生理生化测定和16S rDNA基因序列分析的方法研究了菌株的分类地位,采用乙炔还原法测定其固氮酶活性,并在室内培养条件下,通过花生、玉米的幼苗盆栽试验研究菌株对土壤MBN、矿化氮和植株氮素积累量的影响。结果表明：从种植于红壤的玉米根际,筛选出15株自生固氮菌,以菌株CM12固氮能力最强,初步鉴定CM12为伯霍尔德杆菌属(Burkholderia sp.),固氮酶活性达C₂H₄ 39.1 nmol/(h·mL)。室内培养试验结果表明,接种CM12菌株的处理,花生和玉米土壤MBN含量较CK处理分别提高了2.38和2.37倍,其中种植花生体系中,接菌处理与施用化学氮肥处理土壤MBN含量无显著差异。接种固氮菌影响了旱地红壤NO₃^--N和NH₄⁺-N比例,降低了土壤中NO₃^--N含量,且种植玉米体系中土壤NO₃^--N含量降低较明显。固氮菌短期接种增加了花生根系和玉米地上植株的氮素积累量。研究结果为该菌株在红壤旱地实际生产中的应用提供了理论基础。     

生物炭连续施用对农田土壤氮转化微生物及N2O排放的影响

【目的】研究连续添加生物炭6年后对农田土壤氮转化相关微生物功能基因的影响,揭示生物炭影响作物产量和N₂O排放的微生物学机制,并为生物炭的推广使用提供理论依据。【方法】通过在潮土农田设置0（BC0,对照)、2.25（BCL,低量）、6.75（BCM,中量）和11.25 t·hm^-2（BCH,高量）4个秸秆生物炭量处理的田间定位试验,采用田间观测、化学分析、荧光定量PCR（qPCR）技术,系统研究施用生物炭对氧化亚氮（N₂O）排放、氨单加氧酶（amoA）、亚硝酸还原酶（nirK、nirS）、氧化亚氮还原酶（nosZ）基因丰度及夏玉米产量的影响。【结果】与对照BC0处理相比,施用生物炭可显著提高夏玉米籽粒产量,且BCM处理籽粒产量达到最大值10 811 kg·hm^-2,显著降低夏玉米生育期N₂O累积排放量,并以BCM处理减少N₂O排放效果最优。研究还发现,在夏玉米多个生育时期,与对照比较,生物炭施用可以显著提高耕层土壤无机氮储量和土壤含水量。此外,随着生物炭施用量增加,土壤氨氧化古菌（AOA）基因拷贝数在夏玉米大喇叭口期和成熟期均表现为先上升后下降趋势,且两个时期均以BCM处理最高,而氨氧化细菌（AOB）基因拷贝数在夏玉米大喇叭口期和成熟期分别为BCH处理和BCM处理最高。与对照相比,中、高量生物炭施用（BCM、BCH处理）可显著提高夏玉米大喇叭口期和成熟期土壤反硝化作用功能相关基因（nirK、nirS、nosZ）拷贝数。相关性分析表明,夏玉米成熟期土壤N₂O排放通量与土壤硝态氮、土壤含水量、AOA、AOB、nirK、nirS、nosZ呈显著负相关关系。【结论】施用生物炭通过增加土壤微生物氮转化功能基因丰度进而降低土壤N₂O排放,通过增加土壤耕层无机氮储量和土壤水分含量进而提高作物产量,并以中等用量（6.75 t·hm^-2）施用效果最优。     

不同增氧滴灌方式对蔬菜生长生理指标的影响

为了研究不同增氧方式对盆栽小白菜生长生理指标的影响,以小白菜为供试作物,采用盆栽地下滴灌的方式,以普通地下滴灌作为对照(CK),设置循环曝气(MAI)、双氧水(H₂O₂)、纯氧扩散器曝气(OC)及射流振荡器曝气(FO)4个增氧灌溉处理.结果表明,增氧地下滴灌显著提高了土壤呼吸速率,处理MAI,OC和FO较对照处理分别增大了65.87%,66.79%和111.62%.增氧地下滴灌促进了小白菜的根系生长、光合作用、蒸腾速率和气孔导度,进而提高了小白菜的物质量积累和产量.与对照相比,处理MAI的地下部鲜质量增大了42.03%,地下部干质量增大了79.85%;处理MAI,H₂O₂,OC和FO的光合速率分别增大了868.62%,794.14%,778.67%和650.19%;处理MAI,H₂O₂和OC的气孔导度较CK增大了157.14%,128.57%和85.71%,蒸腾速率增大了55.61%,32.38%和19.58%;处理MAI和H₂O₂的产量分别增大了56.36%和38.72%.综上,增氧地下滴灌可增强小白菜根区的土壤呼吸作用,改善光合作用、蒸腾速率和气孔导度,提高了产量及水分利用效率.其中,循环曝气处理的改善效果最为显著.     

沂蒙山区金银花光合效率对土壤水分的响应

为探索抗旱灌木光合作用效率对土壤水分的响应特征与阈值效应，以沂蒙山区优势灌木金银花为材料布设盆栽模拟试验，通过人工灌水与植物自然耗水的方法进行控水处理，在不同水分梯度下测定分析了金银花的光合作用参数，并对土壤水分有效性进行了分级。结果表明:1）金银花叶片净光合速率（P_n）和水分利用效率（WUE）对土壤相对含水量（RSWC）具有明显的阈值响应规律，当RSWC分别为79.59%和47.43%时，金银花P_n、WUE达到最大值。当RSWC=29.71%时，制约光合效率的主要因子由气孔限制转为非气孔限制。2）确定了金银花光合作用的5个特征水分阈值:P_n水分补偿点、P_n水分均值点、P_n水分饱和点、WUE水分均值点和WUE水分高效点。同时，将金银花的土壤水分有效性划分了5个等级:高产高效水、高产中效水、中产高效水、低产低效水和无产无效水。3）田间水分管理时，为维持金银花较高的光合作用水平，应维持的土壤水分范围为:42.38%≤RSWC≤96.05%，避免土壤水分低于29.71%。研究结果可为沂蒙山区干旱逆境下金银花的风险诊断和田间水分管理提供科学依据。