基于宏基因组的青海农用沼气池微生物组成和功能分析

以产气性能不同的青海农用沼气池为研究对象,利用宏基因组技术分析了全年温度最高和最低时期污泥样品的微生物组成和功能特征。物种注释显示发酵系统中蕴藏着丰富的微生物种群。在细菌类群中,拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门丰度最高,占所有菌群相对丰度的72. 37%～74. 00%,参与关键的发酵作用。在4种样品中,互养菌门(相对丰度1. 62%～4. 73%)丰度偏低,与沼气产气的变化规律相一致,可能是沼气生产重要的功能类群。在属水平上,优势类群依次是海螺菌属(相对丰度6. 75%)、梭菌属(相对丰度4. 56%)、密螺旋体属(相对丰度3. 60%)和假单胞菌属(相对丰度3. 01%)。古菌类群中,产甲烷菌属(相对丰度25. 41%～31. 65%)是最优势类群,也是最主要的产气功能类群。功能注释表明,产气好比产气差的样品具有更多的有效基因,参与甲烷代谢相关路径的功能基因丰度更高。在样品中,甲烷代谢途径涉及的氢代谢-营养型产甲烷菌参与CO2还原反应,所有代谢通路完整,且产气好的样品功能酶基因丰度趋高。研究结果表明,在青海农用沼气发酵系统中,甲烷产生的途径主要依赖于H2氧化/CO2还原的合成。     

短期宽窄行种植模式下秸秆机械化还田潮土微生物多样性特征

为揭示宽窄行种植模式下秸秆还田的土壤微生物多样性特征,基于高通量测序技术,分析在小麦/玉米轮作模式下宽行和窄行0～20、20～40和40～60 cm共3个深度范围土层中微生物群落多样性的特征及与土壤理化因子的关系。宽行和窄行土样的微生物多样性（Shannon指数）都随土壤深度增加而降低。同一深度下,宽行土样的物种多样性普遍高于窄行。不同地区及不同深度土样的群落结构具有较大差异。在门水平上,两种土样中的优势菌门为变形菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门、酸杆菌门和放线菌门。窄行变形菌门、拟杆菌门的相对丰度略高于宽行,而芽单胞菌门、酸杆菌门、放线菌门、绿弯菌门和厚壁菌门低于宽行。在属水平上,溶杆菌属、交替赤杆菌属和鞘氨醇单胞菌等为优势菌属。全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和有机质与绿弯菌门、酸杆菌门、放线菌门和芽单胞菌门呈正相关,但与变形菌门、拟杆菌门等呈现负相关关系。宽行表层土的碳水化合物代谢功能基因拷贝数显著高于窄行表层土样。短期宽窄行种植模式下麦秸和玉米秸秆还田可增加土壤物种的多样性,为进一步优化秸秆还田方法、改良土壤生态系统奠定了坚实的基础。      

黑土中大豆连作障碍诊断系统的建立初报——主要障碍因子的确立

黑龙江省黑土区大豆种植连作现象严重,造成生长不利、产量降低,初步诊断主要障碍因子是孢囊线虫增加,根腐病加剧,土壤中大、中、微量元素含量不平衡.另外,农民施肥不科学也是影响大豆产量的一个主要因素.为此,建立了大豆连作障碍诊断系统,找出了主要障碍因子.     

生物有机肥对马铃薯产量与土壤氮循环作用机制研究

为探讨煤基生物有机肥对滴灌条件下马铃薯产量和土壤理化特性及氮循环相关功能微生物丰度的影响,揭示煤基生物有机肥对作物产量和土壤氮循环的作用机制,在施用相同化肥基础上,分别增施0、1 500、3 000、4 500 kg/hm²（CF、BF1、BF2、BF3处理）煤基生物有机肥开展田间试验。结果表明：与CF相比,增施煤基生物有机肥显著增加了植株和块茎干物质积累量,显著提高块茎总产量5.30%～9.49%,且随增施量的增加而增加;显著降低了土壤pH值,增加了有机碳含量。随有机肥增施量的增加,土壤细菌和真菌丰度呈现减少趋势,但均高于CF。增施煤基生物有机肥显著提高了亚硝酸盐还原酶基因（nirS）丰度,对固氮酶基因（nifH）和氨氧化细菌（AOB）的氨单加氧酶基因（amoA）丰度提高不显著。土壤有机碳是驱动nirS型反硝化菌丰度的重要环境因子。适宜增施煤基生物有机肥可以调控土壤细菌和真菌占比,调节土壤氮循环过程,与其他功能基因相比,nirS基因丰度变化对煤基生物有机肥的添加更为敏感。增施煤基生物有机肥有助于提升马铃薯田生产力,以增施4 500 kg/hm²     

水氮耦合对黑土稻田土壤呼吸与碳平衡的影响

为探明不同水氮耦合方式对东北黑土区稻田碳循环的影响,以黑龙江省黑土稻田为研究对象,于2018年进行大田试验,试验设置常规灌溉(F)与控制灌溉(C)两种灌水方式,全生育期施氮量设置0、85、110、135 kg/hm~24个水平(N0、N1、N2、N3),测定了8种不同水氮耦合方式下水稻不同生育期平均土壤呼吸速率、微生物呼吸速率和根呼吸速率的变化以及水稻收获后各器官的固碳量。结果表明,水稻植株总固碳量为446. 49～716. 92 g/m~2,各处理水稻收获后各器官固碳量从大到小依次为穗、茎、叶、根,分别占植株总固碳量的53. 69%～59. 44%、27. 42%～30. 12%、7. 24%～8. 96%、4. 71%～8. 35%。控制灌溉模式能提高水稻植株固碳量,其中CN2处理的总固碳量最大。相同施氮量、控制灌溉模式下,茎、叶、根固碳量均大于常规灌溉模式,除CN0处理穗固碳量低于FN0处理外,其余相同施氮量、控制灌溉模式下的穗固碳量均大于常规灌溉模式。不同水氮耦合方式下,水稻从返青期至乳熟期各生育期平均土壤呼吸速率、微生物呼吸速率、根呼吸速率均呈先升高、后降低的趋势,且均在分蘖期达到峰值。除返青期外,与不施肥处理相比,施肥后各生育期平均土壤呼吸速率、微生物呼吸速率和根呼吸速率均增大,且随着施氮量的增加而增大。控制灌溉模式下各施氮量处理水稻各生育期(除返青期外)平均土壤呼吸速率、微生物呼吸速率和根呼吸速率均高于常规灌溉模式下相同施氮量处理。8种不同水氮耦合方式下黑土稻田均表现为较强的碳"汇",控制灌溉模式能够增加碳"汇"强度,其中CN2处理碳"汇"强度最大。本研究结果可为提高黑土稻田固碳减排潜力提供理论基础,为估算区域乃至全球碳平衡提供数据支撑。     

河北平原区农田土壤硝态氮分布规律及影响因素分析

在河北省平原区开展小麦-玉米轮作区农田硝态氮田间试验,采用雷磁计测定土壤剖面硝态氮含量,并分析降雨、土壤性质及微生物等影响因素。试验结果表明:常规施肥条件下,氮肥的当季利用率较低,残留率为27.5%。施肥灌溉后土壤硝态氮的分布呈现双峰形式,分别出现在55～70cm土层和150～170cm土层。小峰值出现在土壤剖面上层,硝态氮平均含量为47.75mg/kg;大峰值出现在土壤剖面下层,平均含量为93.72mg/kg。大峰值约是小峰值的2倍,且含量随时间、土层深度变化较大。不合理的灌溉方式使硝态氮深层淋失现象明显,根层以下土壤剖面硝态氮含量占氮肥总量的85%,对地下水环境构成极大威胁。     

亏缺灌溉对河套灌区向日葵土壤微生物群落结构多样性的影响

为明确亏缺灌溉对向日葵生育期内土壤微生物群落的影响,在河套灌区开展田间试验.以当地灌水水平为对照CK(330 mm),设置2个水分亏缺处理：轻度水分亏缺W1(210 mm)和重度水分亏缺W2(120 mm),分析亏缺灌溉对向日葵各生育期土壤表层(0～20 cm)微生物群落和理化性质的影响,并揭示土壤微生物与理化性质的内在联系.结果表明：处理W1提高了土壤微生物多样性及土壤细菌中变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、真菌中被孢霉门等优势菌门的相对丰度.与CK相比,W1的土壤pH值平均降低了0.13,温度和硝态氮质量比分别平均提高了1.44℃和14.2%.Pearson相关性分析表明土壤含水率、温度、pH,EC、硝态氮是影响细菌多样性的主要因子;温度、铵态氮和硝态氮是影响真菌多样性的主要因子.冗余分析表明土壤含水率、EC和温度是影响细菌群落结构的主要因子;含水率、EC和铵态氮是影响真菌群落结构的主要因子.综上,轻度水分亏缺(W1)是适宜微生物生长的水分条件.     

玉米秸秆厌氧发酵过程中添加氮素对微生物群落和沼气产量的影响

厌氧发酵是在多种微生物共同作用下完成的,发酵体系中氮浓度对微生物群落和沼气产量有重要的影响,为明确沼气发酵过程中氮素添加对微生物和产气量的作用,文章以玉米秸秆为原料,发酵体系20 L,TS为8%,添加1 g·L~(-1)尿素作为处理、不添加氮素作为对照,进行半连续进料的沼气发酵试验。利用16SrRNAgene测序和宏基因组学分析发酵料液中微生物多样性和关键功能基因丰度的变化。结果显示,处理的产气高峰提前,发酵周期缩短,发酵前10 d,20 d,30 d甲烷累积产量分别为64943 mL,137048 mL和199459 mL,显著高于对照。处理体系中梭菌属(Clostridium),甲烷袋状菌属(Methanoculleus),Sphaerochaeta和Ruminofilibacter等菌属丰度在产气高峰时期提升,在能量代谢中与甲烷代谢相关的基因的丰度提升。在玉米秸秆沼气发酵体系中,添加氮素通过提高沼气发酵功能菌株和甲烷代谢相关基因的丰度从而缩短发酵周期并提高沼气产量。     

节灌控排条件下稻田氮平衡模拟及利用效率分析

运用DNDC模型模拟分析不同节灌、施肥、控排条件下稻田氮素平衡状况及氮肥利用效率。结果表明,节水灌溉控制排水条件下,施氮量不大于180kg/hm2时,稻田土壤氮库均呈现亏损,亏损量为54.7～127.6kg/hm2,亏损量随着施氮量的增加而逐渐减小;除浅灌深蓄中氮和浅灌深蓄高氮处理外,控制排水处理土壤氮素亏损量均大于常规排水;浅灌深蓄、施中氮和控制排水的组合是最佳的水肥处理模式。     

种植方式和耕作措施对土壤结构与水分利用效率的影响

在连续9年田间定位试验基础上,分析了渭北旱塬小麦连作和小麦/玉米轮作两种种植方式下耕作措施对黑垆土水稳性团聚体含量、有机碳(SOC)含量、小麦产量和水分利用效率(WUE)的影响。结果表明:小麦/玉米轮作下0～20 cm土层大于0. 25 mm水稳性大团聚体含量(R_(0. 25))、水稳性团聚体平均重量直径(MWD)、SOC含量、各粒级团聚体有机碳含量和WUE大多高于小麦连作。与连年翻耕(CC)相比,连年免耕(NN)、连年深松(SS)、免耕-深松(NS)处理主要增加了0～10 cm土层R_(0. 25)、SOC、各粒级团聚体有机碳含量和大于0. 25 mm大团聚体有机碳贡献率(I_(SOC0. 25))。在大于10cm土层,NS处理的SOC含量有所增加,且提高了35～50 cm土壤R_(0. 25)、各粒级团聚体有机碳含量以及I_(SOC0. 25)。相对于连年翻耕处理,免耕-深松处理的小麦产量和WUE均显著增加,且在小麦连作和小麦/玉米轮作两种种植方式下,小麦产量分别增加了14. 25%、19. 30%; WUE分别增加了24. 98%、9. 89%。整体来看,小麦/玉米轮作比小麦连作更有利于改善土壤结构、增加土壤有机碳含量和提高WUE,且免耕-深松相结合的轮耕措施是该地区较适宜的耕作模式。