长江三角洲地区污水污泥与健康安全风险研究Ⅴ.污泥施用对土壤微生物群落功能多样性的影响

利用BIOLOG测试方法对长江三角洲地区施污泥土壤的微生物群落功能多样性进行了初步探讨。研究结果表明,施用污泥后土壤微生物群落代谢剖面、多样性指数、动力学参数均发生了变化,说明微生物对单一碳源底物的利用能力发生了改变。微生物群落功能多样性动力学研究结果发现,供试土壤的微生物群落代谢剖面(AWCD)与培养时间之间呈非线性关系,其变化过程符合微生物种群生长动态模型(S型)。除滩潮土的杭州新鲜消化污泥和杭州风干污泥处理外,其他污泥处理均使土壤微生物群落功能多样性动力学参数K和r值降低,S值增大。土壤微生物群落功能多样性特征的变化可以较好地显示施用污泥后土壤微生物群落对碳源利用能力和模式的差异,反映施用污泥特定生境土壤微生物群落功能多样性的变化。     

重金属复合污染下土壤微生物群落功能多样性动力学特征

用碳素利用法对浙江省天台铅锌银尾矿区重金属复合污染土壤微生物群落功能多样性动力学特征进行了初步探讨。研究结果表明 ,矿区重金属复合污染降低了供试土壤的微生物群落代谢剖面 ,且群落代谢剖面值与培养时间之间呈非线性关系 ,其变化过程符合微生物种群生长动态模型 (S形 )。随着重金属复合污染程度的加剧 ,土壤微生物群落功能多样性动力学参数K和r值越低 ,参数s值所需的时间则越长。上述动力学参数与群落代谢剖面各自的主成分分析结果显示 ,微生物群落功能多样性的动力学参数K值和s值能够很好地区分矿区土壤重金属污染程度 ,并且其区分效果比微生物群落代谢剖面值好。土壤微生物群落功能多样性动力学特征的变化可以较好地显示矿区重金属复合污染土壤微生物群落对碳源利用模式的差异 ,反映矿区特定生境土壤微生物群落功能多样性的变化 ,在一定程度上揭示重金属胁迫下环境微生物种群作用机理。     

生物复混肥对土壤微生物群落功能多样性和微生物量的影响

在温室盆栽条件下,采用Biolog微平板法和氯仿熏蒸浸提法,研究了玉米施用等养分量的无机肥、有机无机复混肥和生物复混肥后土壤微生物群落功能多样性及土壤微生物量的变化。结果表明:生物复混肥处理的土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)、微生物群落Shannon指数(H)和微生物群落丰富度指数(S)均最高;施用生物复混肥可明显提高土壤微生物对碳源的利用率,尤其是多酚化合物类和糖类;不同处理土壤微生物碳源利用特征有一定差异,生物复混肥在第1主成分上的得分值为正值,其他各处理在第1主成分上的得分值基本上为负值,起分异作用的主要碳源是糖类和羧酸类。在玉米生长期间各处理土壤微生物量大致呈先升高后逐渐平稳的趋势,且土壤微生物量碳、氮、磷的含量均以生物复混肥处理最高,最高值分别为333.21mg.kg 1、53.02 mg.kg 1和22.20 mg.kg 1。研究表明,生物复混肥的施用比等养分量的有机无机复混肥处理能显著提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落丰富度和功能多样性,显著增加土壤微生物量碳、氮、磷的含量,有利于维持良好的土壤微生态环境。     

种植方式对玉米不同生长期土壤微生物群落功能多样性的影响

为探讨玉米不同种植方式下土壤微生物群落功能多样性的差异,进行田间定点试验,采用Biolog方法分别研究了4行轮作、4行连作、8行轮作和8行连作的种植方式对玉米种植前、拔节期、抽穗期和收获期土壤微生物功能多样性的影响。结果表明:4种种植方式的土壤微生物均在种植前代谢活性最弱、功能多样性最低,在玉米抽穗期土壤微生物代谢活性最强,功能多样性最高。在种植玉米前,轮作的土壤微生物代谢活性和功能多样性高于连作,8行轮作和4行轮作土壤微生物的物种多样性指数分别比相应的连作高22.93%和11.42%;4行轮作的土壤微生物物种多样性指数比8行轮作低3.17%,而4行连作比8行连作高6.83%。在玉米拔节期、抽穗期及收获期连作土壤微生物功能多样性略高于轮作,且有4行连作大于8行连作的趋势,但差异均未达显著水平。种植前,4种种植模式的土壤微生物对6大类碳源的利用程度整体上都较低,降解碳水化合物类、羧酸类和聚合物类碳源的微生物是种植方式影响的主要土壤微生物类群;随着玉米的生长,土壤微生物对6大类碳源的利用都逐渐增强,玉米拔节期、抽穗期和收获期之间土壤微生物特征碳源没有较大差异,4种种植方式的土壤微生物对聚合物类碳源利用程度差异都不显著。PLS-EDA分析结果表明种植方式对土壤微生物产生较大影响,种植前8行轮作和4行连作的土壤微生物碳源利用模式具有相似性;种植玉米后4种种植方式的土壤微生物对碳源的利用模式存在较大差异,其中4行连作的土壤微生物在玉米拔节期和收获期对碳源的利用模式与其他3种种植方式差异最大。试验说明作物长期连作栽培会影响土壤微生物群落功能,降低土壤微生物物种多样性,引起土壤微生物群落结构与功能的失调。     

BIOLOG在土壤微生物群落功能多样性研究中的应用

微生物功能多样性信息对于明确不同环境中微生物群落的作用具有重要意义 ,而微生物群落的定量描述一直是微生物学家面临的最艰巨的任务之一。目前 ,以群落水平碳源利用类型为基础的BIOLOG氧化还原技术为研究土壤微生物群落功能多样性提供了一种简单、快速的方法 ,并得以广泛应用。但它仍然是一种以培养为基础的方法 ,显示的代谢多样性类型也不一定反映整个土壤微生物群落的功能多样性。因此 ,这种方法优点明显 ,缺陷也存在 ,并且在应用过程中还有很多关键的操作要点与技巧。本文综述了BIOLOG研究土壤微生物群落功能多样性的原理、BIOLOG研究土壤微生物群落功能多样性的方法与技巧、应用过程中容易产生的问题及可能克服的办法 ,同时还提出了值得进一步研究的问题。旨在促进对BIOLOG测定土壤微生物群落功能多样性的了解 ,为正确运用这种方法开展土壤微生物群落功能多样性研究提供科学依据和理论指导。     

近地层臭氧浓度升高对稻田土壤微生物群落功能多样性的影响

利用中国臭氧FACE(Free-Air O3 Concentration Enrichment,开放式空气臭氧浓度增高)试验平台,研究了近地层臭氧浓度升高条件下,2009年和2010年的稻田土壤微生物功能多样性的响应规律。结果发现,1.5倍当前臭氧浓度下稻田土壤水溶性有机碳含量从100.0～110.9μg g-1降低至81.3～94.5μg g-1。臭氧浓度升高下BIOLOG平均吸光值(AWCD)有低于对照的趋势。多样性指数结果表明,臭氧浓度升高50%对稻田土壤微生物丰富度、优势度及均一度无显著影响。2010年碳源底物利用的主成分分析显示,1.5倍当前臭氧浓度下稻田土壤微生物对碳源底物的利用方式发生变化。本研究揭示近地层臭氧浓度升高可能对稻田土壤微生物产生积累效应,并通过微生物碳源底物有效性的改变最终影响土壤微生物的功能多样性。     

生物复混肥对土壤微生物功能多样性及土壤酶活性的影响

在温室盆栽条件下,采用Biolog微平板技术,研究了玉米施用等养分量的无机肥、有机无机复混肥、生物复混肥后土壤微生物群落功能多样性及土壤酶活性的动态变化。结果表明,生物复混肥处理的微生物群落平均颜色变化率（AWCD）、微生物群落Shannon指数（H）、丰富度指数（S）和Shannon均匀度指数（E）均为最高;微生物群落主成分分析表明,不同施肥处理土壤微生物群落碳源利用特征有一定差异,PC1将生物复混肥与其他处理明显区分,生物复混肥处理分布在PC1的正方向,其他处理分布在PC1的负方向;起分异作用的主要碳源有糖类、羧酸类和氨基酸类;土壤蔗糖酶、脲酶活性均以生物复混肥处理最高,分别为72.74 mg glucose·g-1·（24 h）-1和1.15 mg NH3-N·g-1·（3 h）-1。研究表明,生物复混肥的施用比等养分量的有机无机复混肥处理能显著提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落的丰富度和功能多样性,增强土壤蔗糖酶和脲酶活性。     

多菌灵重复施药对其持久性及土壤微生物群落功能多样性的影响

选择浙江大学华家池校区大棚蔬菜试验田,研究了多菌灵(以active ingredient,a.i.计)0.94、1.88和4.70 kg hm-2三种剂量重复施药对其持久性及土壤微生物功能多样性的影响。结果表明,第1次施药后,多菌灵在土壤中的降解速率分别为0.11、0.25、0.74 mg kg-1d-1;第4次施药后,多菌灵在土壤中的降解速率分别达到0.18、0.39、1.00 mg kg-1d-1。随着施药次数的增加,多菌灵的降解速率逐渐增大。初次施药后,土壤微生物群落AWCD值明显低于对照,土壤微生物群落的Shannon、Simpson和McIntosh指数也均低于对照水平。第4次施药后,三个处理土壤微生物群落的AWCD值、Shannon、Simpson和McIntosh指数均恢复到对照水平。     

DEHP对土壤脱氢酶活性及微生物功能多样性的影响

选用肥熟旱耕人为土(黄棕壤),设置了在土壤中施加100 mg kg-1 DEHP与不施加DEHP两个水平,盆栽试验研究了DEHP对土壤脱氢酶活性以及土壤微生物群落功能多样性的影响,以及植物在污染土壤中的修复作用。结果表明,施加DEHP显著抑制了土壤脱氢酶活性,30 d时与对照相比降低了约30%, 第60 d时尽管有缓慢的回升,但仍明显低于对照(p<0.05)。从BIOLOG反应的结果可以看出,DEHP也显著影响土壤微生物的功能多样性,土壤微生物群落的Shannon指数、Simpson指数、McIntosh指数和均度均显著低于无污染的对照,说明DEHP的污染导致了土壤微生物群落功能多样性的下降。种植植物对土壤脱氢酶和微生物活性有很明显的促进作用,并且在一定程度上缓解了DEHP的毒害作用,但并未消除DEHP对土壤微生物的影响。     

植物多样性对土壤微生物的影响

生物多样性强烈地影响生态系统的过程，生态系统过程的变化可导致生物多样性衰减并因素导致生态系统功能衰退，植物种丰度和植物功能多样性对土壤细菌群落的代谢活性和代谢多样性有成正比的影响。土壤细菌的代谢活性和代谢多样性随植物种数量的对数和植物功能组的数量而直线上升，其原因可能是由植被流入土壤的物质和能量的多样性和数量的增加，也可能是由土壤动物区系起作用的土壤微生境的多样性的增加造成的，由于植物多样性的丧失所引起的植物生物量的减少对分解者群落有强烈的影响，微生物生物量将可能减少，因为在大多数陆地生态系统中，有机碳源限制着土壤微生物的活性。     

退化喀斯特植被恢复对土壤微生物数量及群落功能多样性的影响

采集不同恢复阶段的土壤样品,采用微生物培养法研究了退化喀斯特植被恢复对土壤微生物数量、群落功能多样性的影响。研究结果表明随着退化喀斯特植被的恢复,土壤微生物数量增加,表现为乔木群落阶段灌木群落阶段草本群落阶段裸地阶段。土壤微生物群落代谢功能分析表明:植被恢复往往导致较高的平均颜色变化率、物种丰富度和功能多样性。乔木群落阶段的平均诱导底物利用率最高,明显地与其他3个恢复阶段不同。总之,植被恢复使得土壤微生物数量增加,碳源平均利用率增强。因此,创造了更好的土壤条件更有利于退化喀斯特植被的恢复。     

氯甲基吡啶对滴灌棉田土壤微生物群落功能多样性的影响

已知硝化抑制剂氯甲基吡啶能有效抑制土壤硝化,减少氮的淋洗和硝化-反硝化损失,促进作物对氮素的吸收,但是其对干旱区滴灌条件下土壤微生物群落功能多样性的影响尚不明确。本试验研究了尿素添加氯甲基吡啶(Nitrapyrin)分次随水滴施对干旱区滴灌棉田土壤微生物碳代谢和群落功能多样性的影响。试验采用随机区组设计,设置不施氮肥[CK,0 kg(N)·hm~(-2)]、单施尿素[Urea,225 kg(N)·hm~(-2)]和尿素添加氯甲基吡啶[Urea+nitrapyrin,225 kg(N)·hm~(-2)+2.25 kg(nitrapyrin)·hm~(-2)]3个处理,重复4次,采用Biolog-ECO法进行土壤微生物碳代谢和功能多样性研究。结果表明:与不施氮肥(CK)相比,施用尿素和尿素添加氯甲基吡啶均能显著提高土壤微生物对31种碳源的代谢能力(AWCD)和代谢强度(S)(P0.05),增加土壤微生物多样性和丰富度(Shannon指数、Simpson指数、Mc Intosh指数和Richness指数)以及对各类碳源的利用能力。尿素添加氯甲基吡啶随水滴施后,土壤微生物AWCD值、碳代谢强度、Shannon指数、Simpson指数、Mc Intosh指数以及Richness指数均大于单施尿素处理,且较单施尿素处理分别提高13.83%、9.33%、1.29%、1.34%、11.26%、11.79%(P0.05),均匀度指数则低于单施尿素处理(P0.05)。PCA和聚类分析结果表明,施用尿素和尿素添加氯甲基吡啶对土壤微生物群落功能多样性均产生了显著影响,但尿素添加氯甲基吡啶与单施尿素处理差异不显著;氯甲基吡啶的添加提高了土壤微生物对聚合物、酚酸、羧酸、氨基酸以及胺类的利用,降低了对碳水化合物的利用(P0.05)。上述研究结果得出,在干旱区滴灌棉田,尿素添加氯甲基吡啶分次随水滴施可调控土壤的微生态环境,在一定程度上提高土壤微生物的代谢能力,增加微生物群落功能多样性,缓解因长期施用无机氮肥导致的土壤微生物活性的降低。     

模拟氮沉降对滨海湿地土壤微生物功能多样性的影响

为全面了解大气氮沉降条件下滨海湿地土壤微生物碳源利用特点,本研究在江苏盐城滨海湿地建立模拟氮沉降实验平台,设置N1(N,0 g/(hm~2·a),对照)、N2(N,3 g/(hm~2·a),低氮)和N3(N,6 g/(hm~2·a),高氮)3个处理,采用Biolog微平板法,分析了土壤微生物功能多样性在不同氮处理下的变化规律和特点。结果表明:不同氮沉降处理间土壤微生物功能多样性差异显著,AWCD值随培养时间延长而增加;Shannon和Mc Intosh多样性指数也随施氮增加呈现升高的趋势,且不同处理间多样性指数差异显著;物种多样性和功能多样性表现出相同的变化规律。土壤微生物对6大类碳源利用强度存在差异,各处理间土壤微生物对碳水化合物类碳源利用率最高,为优势碳源;主成分分析结果显示,不同处理间土壤微生物在碳源利用上有明显的空间分异,土壤微生物功能多样性的差异主要体现在对羧酸类、酚酸类和胺类碳源的利用上,其中胺类尤为突出;此外,对不同施氮处理土壤微生物群落功能多样性与土壤理化因子进行相关分析,结果显示全氮、铵态氮、全磷会对滨海湿地土壤微生物组成和功能活性产生重要影响。     

压砂地土壤微生物群落功能多样性分析

为了掌握荒地压砂对土壤微生物群落功能多样性及理化性质的影响,对荒地及不同年限压砂地土壤进行了Biolog微生物群落功能多样性和理化性质分析。Biolog分析结果表明,1年压砂地微生物群落生理活性最高,荒地微生物群落生理活性最低,其它各年限压砂地微生物群落生理活性随压砂年限增加而缓慢下降。微生物群落功能多样性指数分析表明压砂对微生物群落功能结构影响并不显著。通过微生物群落利用碳源类型分析明确了荒地和各年限压砂地土壤微生物群落利用的主要碳源类型。土壤理化性质分析表明,压砂第1年各项理化性质指标均有明显的下降;此后随压砂年限增加,有机质含量呈上升趋势,速效氮、速效磷和速效钾含量缓慢下降,全盐、全氮、全磷、全钾含量及土壤pH值变化不大。     

沙漠微生物群落功能多样性分析

以宁夏回族自治区沙坡头地区的沙漠微生物群落为研究对象,采用Biolog方法研究了已固定沙丘结皮(J1)及结皮下层(J2),半流动沙丘上层(L1)和下层(L2)中微生物群落的功能多样性。结果表明,J1的微生物群落活性最高,J2的微生物群落次之,再次为L2的微生物群落,最后为L1的微生物群落;J1,J2,L1和L2的微生物群落对羧酸类、聚合物类和氨基酸类碳源的利用表现一致,对糖类、胺/氨类和双亲化合物类碳源的利用表现不同;利用ECO板上31种碳源进行主成分分析得出,PC1,PC2和PC3特征值的贡献率为分别为70.16%,19.23%,10.61%。研究结果表明:(1)经过固沙后的微生物群落活性明显高于半流动沙漠微生物群落的活性;(2)微生物群落结构上的差异致使其对6类碳源的利用方式不同;(3)主成分分析表明沙漠微生物群落对羧酸类、糖类和氨基酸类碳源的利用最高,主要利用碳源有22种。     

沼液对河西绿洲葡萄园土壤微生物功能多样性的影响

在甘肃祁连葡萄观光园进行了增施沼液试验,旨在探明沼液施用量和年限对土壤质量和土壤微生物功能多样性的影响,试验设置的处理包括:对照处理(施用化肥,N 180 kg/hm²,P₂O₅ 150 kg/hm²,K₂O 22.5 kg/hm²)、沼液替代化肥处理(33%、67%和100%化肥氮分别被沼液氮替代)及沼液增施处理(沼液氮用量分别为化肥氮的133%、167%和200%),采用Biolog-ECO微平板法测定土壤微生物功能多样性。结果表明:(1)33%沼液处理的土壤微生物群落代谢活性最高,连续2 a使用沼液的处理间差异大于1 a使用。(2)土壤微生物利用的主要碳源为碳水化合物类,使用沼液能够显著提高土壤微生物对氨基酸类和羧酸类碳源的利用率。连续两年使用沼液,133%和167%沼液处理的效果优于其他处理。(3)与对照相比,使用沼液处理仅在提高土壤微生物均一度指数方面存在优势,且133%和167%沼液处理效果优于其他处理。(4)主成分分析表明,沼液使用量和使用年...     

脱硫废弃物施用对盆栽油葵碱化土壤微生物多样性的影响

在宁夏平罗西大滩前进农场,利用盆栽试验以油葵为指示植物设置了脱硫废弃物5个不同施用量处理改良碱化土壤,采用Biolog Eco-plate技术对土壤微生物群落功能多样性进行了分析.结果表明:脱硫废弃物施用处理都能够降低土壤pH值0.06～0.29个单位;降低土壤全盐含量0.72～1.35 g/kg;脱硫废弃物施用能够明...     

黄顶菊(Flaveria bidentis)入侵对土壤微生物功能多样性的影响

外来植物入侵对土壤生物多样性的影响已成为生态学领域的研究热点之一。运用Biolog技术和氯仿熏蒸浸提法研究了黄顶菊入侵对土壤微生物群落功能多样性及土壤微生物量的影响。结果表明,黄顶菊入侵后土壤微生物代谢活性显著升高;土壤微生物群落平均吸光值(AWCD)的变化趋势为:入侵地根际土(RPS)入侵地根围土(BS)未入侵地(CK),且差异显著;而CK的功能多样性指数(H)高于BS,RPS亦高于BS,差异均显著(P0.05)。主成分分析结果表明,黄顶菊入侵使土壤微生物群落的碳源利用方式和代谢功能发生改变。对不同碳源利用的分析结果表明,糖类、氨基酸类、羧酸类和聚合物为土壤微生物利用的主要碳源。入侵样地BS和RPS的微生物量碳分别比CK高27.05%、121.52%;BS和RPS的微生物量氮分别比CK高37.40%、79.80%。相关性分析表明,AWCD与微生物量碳和微生物量氮均呈极显著正相关(P0.01)。由此可知,黄顶菊入侵增强了入侵地土壤微生物代谢活性,降低了土壤微生物群落的功能多样性,增加了土壤微生物量碳、氮水平。     

模拟氮沉降对杉木人工林(Cunninghamia lanceolata)土壤酶活性及微生物群落功能多样性的影响

在杉木人工林中开展模拟氮沉降试验,设计N0(对照)、N1(N 60 kg/(hm2.a))、N2(N 120 kg/(hm2.a))和N3(N 240 kg/(hm2.a))等4个氮沉降水平。通过连续7年的处理后,研究了外加氮源对土壤酶活性及群落功能多样性的影响。相同氮沉降处理下,参与土壤碳循环的6种主要酶(蔗糖酶、纤维素酶、淀粉酶、β-葡糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化物酶)活性、土壤微生物群落碳源利用能力和多样性指数与均匀度指数均随土层加深而降低。氮沉降对纤维素酶和多酚氧化酶具有促进作用,而对淀粉酶和过氧化物酶表现出一定的抑制作用;中?低氮沉降(N1、N2)对蔗糖酶无影响,而对β-葡糖苷酶具有促进作用,高氮沉降(N3)促进了蔗糖酶活性,但抑制了β-葡糖苷酶活性。各土层中,低氮处理(N1)促进了微生物群落碳源利用能力和多样性指数与均匀度指数的增加,而中?高氮处理(N2、N3)则呈抑制作用。主成分分析表明,土壤微生物群落利用的主要碳源为碳水化合物和羧酸,不同氮沉降处理碳源利用类型存在差异。因此,氮沉降促进了表层土壤纤维素酶、多酚氧化酶和蔗糖酶的活性,但在一定程度上抑制了淀粉酶、过氧化物酶和β-葡糖苷酶活性;氮沉降增加改变了杉木人工林土壤微生物群落的功能多样性。     

有机肥替代部分化肥对马铃薯根际土壤微生物群落功能多样性的影响

长期过量施用化肥使农田的土壤微生物区系和生物活性受到极大破坏,作物产量对化肥养分的依赖性越来越强。本文采用大田试验和Biolog生态板法技术相结合的方法,研究了有机肥(普通有机肥-OF,生物有机肥-BIO)替代部分化肥(CF)对马铃薯收获期根际土壤微生物群落功能多样性的影响。结果表明,25℃培养144 h后,收获期马铃薯根际土壤微生物代谢活性以T8处理(60%CF+BOF6000 kg hm-2)最大为0.848,T2处理(100%CF)最小为0.467,单施化肥降低了根际土壤的微生物代谢活性,低于不施肥的对照处理40.52%;生物有机肥替代部分化肥处理的Shannon、Mc Intosh丰富度指数、均匀度指数以及Simpson指数均高于普通有机肥替代化肥的处理,说明施用生物有机肥比普通有机肥更能提高马铃薯根际土壤的微生物活性和多样性;8个处理的主要利用碳源均为羧酸类物质和糖类物质,表明以糖类和羧酸为营养物质的微生物在马铃薯收获期的根际土壤中占主导位置;主成分分析结果显示,生物有机肥比普通有机肥更有利于土壤微生物活性的提高。生物有机肥替代部分化肥可以提高马铃薯根际土壤微生物群落功能多样性。