围垦对滨海稻田土壤N2O还原潜力的影响

稻田湿地生态系统的N₂O还原消耗潜力对缓解大气温室气体效应具有重要意义，而滨海自然湿地围垦改造成稻田后耕层土壤的N₂O还原速率及其微生物机制却鲜有报道。选取崇明岛光滩湿地为对照（WK0），比较研究不同围垦年限（19、27、51、86 a）的围垦区稻田耕作层土壤N₂O还原速率演替规律及其微生物数量变异特征。结果表明，土壤总有机碳含量（TOC）随围垦年限增长而显著增加，而土壤pH值、SO₄^2-浓度和EC值则均随围垦年限增长而呈逐渐下降趋势。土壤N₂O还原速率随围垦年限增长而显著增加，其中围垦86 a稻田土壤达到25.5 μg N₂O·g^-1·d^-1，与光滩湿地相比增加了58.4%。定量PCR结果发现，功能基因nosZ Ⅰ和nosZ Ⅱ拷贝数也随着围垦年限增长而显著增加，其中围垦86 a的稻田土壤功能基因分别为1.72×10⁸ copies·g^-1和4.36×10⁸ copies· g^-1，比光滩湿地稻田高出一个数量级。相关性分析发现土壤N₂O还原速率与功能基因nosZ Ⅰ拷贝数呈显著正相关，而功能基因nosZ Ⅱ拷贝数随围垦年限的增加率远高于功能基因nosZ Ⅰ；N₂O还原速率、功能基因nosZ Ⅰ、nosZ Ⅱ拷贝数与3个土壤理化指标（pH、EC、SO₄^2-）均呈负相关。因此，围垦造田促进了滨海湿地土壤N₂O还原过程，而功能基因nosZ Ⅰ数量的大幅增加是N₂O还原速率增加的重要原因。     

不同pH和氧气条件下土壤古菌与海洋古菌的竞争适应机制

pH和氧气是古菌氨氧化活性的关键限制因子。然而,复杂土壤中不同古菌生态型（土壤古菌和海洋古菌）对pH和氧气的竞争适应规律尚未有相关报道。选择活性氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea, AOA）为类海洋古菌Group1.1a-associated的酸性森林土（ pH5.40）和活性氨氧化古菌为土壤类古菌Group 1.1b的碱性水稻土（ pH8.02）,调节混合土壤pH和氧气浓度;设置稳定性同位素核酸探针实验,通过微宇宙室内培养,监测土壤硝化强度;利用实时荧光定量qPCR和454高通量测序研究pH和氧气对土壤氨氧化古菌和细菌的影响规律。结果表明：pH3.8下没有硝化作用发生,而pH6.0和7.6则发生了强烈硝化作用,且高氧环境下硝化作用强于低氧环境;加底物培养后,氨氧化古菌数量明显增加;活性氨氧化古菌几乎全为土壤类古菌Group 1.1b。研究表明：尽管氧气对硝化作用也有一定影响,但pH是影响硝化作用的主要因素;与类海洋古菌相比,土壤类古菌Group?1.1b更能适应高氧和低氧的碱性土壤环境,因此具有更强的竞争力。     

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。     

不同酸碱性紫色土的硝化活性及微生物群落组成

为研究紫色土中的硝化作用、总微生物和硝化微生物的群落结构,以重庆永川的酸性紫色土(p H=5.3)和中性紫色土(p H=7.2)以及四川盐亭的石灰性紫色土(p H=8.5)为研究对象,采用稳定性同位素标记技术进行培养实验,并通过Miseq测序对三种紫色土微生物群落结构进行分析。每种土样共设有三种处理,包括~(13)CO_2标记处理、~(12)CO_2对照处理和~(13)CO_2+C_2H_2对照处理。结果表明,中性紫色土(p H=7.2)和石灰性紫色土(p H=8.5)经过56 d的培养后发生了强烈的硝化作用,而酸性紫色土(p H=5.3)中未发生明显的硝化作用,并且硝化作用类型都以自养硝化为主。三种紫色土中都存在着变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes),其中变形菌门在三种紫色土中都大约占有20%的比例。中性紫色土和石灰性紫色土各处理中硝化螺旋菌门(Nitrospirae)百分比大于酸性紫色土各处理。三种紫色土各处理中的氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)主要以亚硝化螺菌属(Nitrosospira)为主,亚硝酸氧化细菌(Nitrite-oxidizing bacteria,NOB)主要以硝化螺菌属(Nitrospira)为主。且NOB/AOB的值在三种紫色土各处理中最高可达到13,这意味着全程氨氧化细菌(Comammox)可能在紫色土的硝化作用中占据重要贡献。     

围垦对崇明东滩湿地全程氨氧化微生物的影响

全程氨氧化微生物（comammox）的发现根本改变了学术界对硝化过程的认识，但其地理分异规律及对氮转化过程的贡献仍不清楚。本研究选择长江口崇明东滩不同围垦年限（0、27、51、86年）稻田表层耕作土壤，采用好氧培养试验测定土壤硝化潜力；通过标靶功能基因amoA实时荧光定量硝化微生物的数量变异特征，包括全程氨氧化细菌（comammox）、氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）。结果表明，与围垦0年的自然滩涂湿地相比，围垦27、51、86年的水稻土净硝化速率从2.24mg N /(kg·d)分别增加至19.3、11.6和11.4mg N /(kg·d)，增幅高达5.1-8.7倍。土壤氨氧化古菌AOA的丰度与围垦年限显著正相关。自然滩涂湿地中氨氧化古菌AOA和AOB的数量分别为0.34×107 copies/g和1.14×107 copies/g，围垦86年后增幅最高可达27.9倍。自然滩涂湿地中comammox Clade A和Clade B amoA基因拷贝数高于围垦稻田土壤，且Clade A随着围垦年限增加其丰度显著增加。统计分析发现，氨氧化细菌AOB与土壤硝化速率显著正相关，可能在围垦水稻土氨氧化过程中发挥了重要作用；而全程硝化细菌comammox Clade A和Clade B与土壤总有机碳（TOC）、铵含量（NH4+）呈显著负相关关系，可能更适应于营养贫瘠的滩涂自然湿地土壤。     

基于核酸DNA/RNA同位素示踪技术的水稻土甲烷氧化微生物研究

稳定性同位素示踪复杂土壤中微生物DNA/RNA的技术难点是13C-DNA/RNA的鉴定。本研究针对我国六种典型水稻土,利用稳定性同位素13CH4示踪活性的甲烷氧化菌,超高速密度梯度离心获得不同浮力密度DNA/RNA后,以甲烷氧化菌独有的pmo A功能基因和16S r RNA特异基因作为分子标靶,通过半定量凝胶电泳技术评价了特异基因作为分子标靶判定13C-DNA/RNA的可行性,进一步利用克隆文库技术研究水稻土中的活性甲烷氧化菌群落结构。结果表明:甲烷氧化菌功能基因pmo A作为分子标靶,能够准确鉴别13C-DNA,而甲烷氧化菌特异的16S r RNA基因则能较好地区分12C和13C标记的RNA,但13C-RNA中的非目标微生物污染高于13C-DNA示踪技术。进一步以13C-DNA和13C-RNA为模板,分别构建了pmo A和16S r RNA基因的克隆文库,系统发育分析表明I型菌主导了土壤甲烷氧化过程,其中江西鹰潭和黑龙江五常土壤中活性甲烷氧化菌全部属于Ia型,而四川资阳、浙江嘉兴、江苏常熟和江都土壤中Ia型和Ib型甲烷氧化菌均有发现,并且后者比例较低。这些结果表明分子标靶基因能够有效判定复杂土壤中的甲烷氧化菌13C-DNA/RNA,在DNA和RNA水平的结果基本一致,我国典型水稻土中活性甲烷氧化菌可能存在一定的地理分异规律。     

放牧对黄土高原典型草原冬季牧场甲烷氧化菌类群及活性的影响

土壤甲烷氧化菌是大气甲烷（CH4）氧化的唯一生物汇。放牧能通过影响甲烷氧化菌的丰度和多样性来调控草地土壤的甲烷氧化活性。采集黄土高原典型草地冬季牧场中不同强度连续放牧的土壤样本,通过室内培养和高通量测序的方法测定不同放牧强度下土壤甲烷氧化活性以及土壤甲烷氧化菌的组成和丰度变化规律。结果表明,该草地是CH4汇,中放牧强度（MG）和高放牧强度（HG）增加了甲烷氧化速率。同时,与未放牧（CK）相比, MG和HG的甲烷氧化菌的平均丰度也显著增加。高通量测序结果显示,放牧对甲烷氧化菌的多样性有显著影响,不同放牧强度下均以USCγ为优势类群,同时存在少量的甲基暖菌属（Methylocaldum）和甲基孢囊菌属（Methylocystis）。皮尔森（Pearson）相关性分析表明,甲烷氧化速率（MOR）与土壤的水分含量和硝态氮的含量存在显著正相关（P < 0.05）,与USCγ的绝对数量存在极显著的正相关关系（P < 0.01）,这说明USCγ在该草地甲烷吸收过程中起主要作用。本研究证明了放牧可提升黄土高原典型草地的甲烷汇功能。     

基于实时荧光定量PCR技术的油气微生物勘探样品保存研究

针对一个油气藏和两个非油气藏上方的土壤剖面,围绕典型油气指示微生物甲烷氧化细菌,采用分子生态学技术比较了新鲜、自然风干和冷冻干燥3种处理下土壤中甲烷氧化细菌标靶基因pmoA的变化规律,研究了自然风干土壤能否用于油气资源微生物勘探.与新鲜土壤相比,自然风干和冷冻干燥显著降低了不同土壤剖面微生物总DNA含量,甲烷氧化细菌pmoA基因数量最多分别下降了90.7％和77.5％;然而,与非油气藏上方土壤剖面相比,自然风干和冷冻干燥处理后,油气藏上方不同土壤剖面依然检测到了大量的甲烷氧化细菌pmoA基因.本研究中,自然风干或冷冻干燥处理后的土壤适合于油气微生物勘探.     

不同土地利用方式下典型黑土区土壤微生物群落演替规律

利用先进的分子生态学技术,针对中国科学院海伦农业生态试验站长期定位实验,研究了典型黑土区经过长期（32年）裸地、农田和草地三种土地利用后,土壤微生物区系的演替规律及其环境驱动机制。结果表明：与裸地相比,32年玉米-大豆-小麦轮作种植或自然草地恢复后,土壤有机质含量从52.07 g?kg-1显著增加至54.83 g?kg-1和61.54 g?kg-1,增幅分别为8.0%和27.5%,土壤氮磷钾养分有效性也显著增加。同时,每克干燥土壤中微生物丰度从2.25×107拷贝数增加至8.08×107拷贝数和1.69×108拷贝数,分别增加了2.58倍和6.51倍。裸地、农田和草地土壤的优势微生物菌门均为变形菌、酸杆菌和放线菌,其相对丰度均高于19%,且三者无显著差异（P > 0.05）。然而,所有检测到的228个微生物属中,高达54个微生物属有显著差异（P ＜ 0.05）,但绝大多数为相对丰度较低的微生物。分析表明土壤养分含量是微生物群落分异的主要环境驱动力,Granulicella微生物属可作为指示类群评估黑土环境的变化。上述研究结果表明,植被覆盖是土壤微生物群落演替的重要影响因素,未来应深入研究原位条件下黑土微生物的功能及其农业环境意义,为维系土壤养分元素循环和发展可持续农业生态管理模式提供理论参考。