土壤生态系统硝化微生物研究进展

微生物主导的硝化作用是生态系统中氮素循环的关键过程,其不仅与酸雨、温室气体、水体富营养化等环境问题的发生有关,还作用于土壤中氮素营养的转化,与人类生产生活密切相关。土壤生态系统中进行硝化作用的微生物包括细菌、古细菌、真菌等。这些微生物根据自身能量代谢类型的不同,利用不同的生物酶进行着不同机制的硝化作用。本文综述了目前已报道的生态系统中进行自养(经典自养硝化和全程氨氧化)和异养硝化作用的微生物类群、硝化作用关键酶及其编码基因类型、其在生态系统中多样的分布特征,以及其前沿的分子生态学研究方法。同时对不同类型硝化微生物类群今后的研究热点提出了展望,以期为系统地研究土壤生态系统中硝化微生物提供参考。     

夜间增温对免耕农田土壤氮矿化与硝化速率的影响

研究了农田土壤氮矿化速率和硝化速率对长期夜间增温和免耕的响应特征。试验设置4种处理:常温+翻耕(CK)、夜间增温+翻耕(W)、常温+免耕(NT)、夜间增温+免耕(WNT)。与对照相比,W处理下土壤中碱解氮和铵态氮明显增加,其中1~2月增幅分别为26%~28%和82%~133%,且土壤氮矿化速率和硝化速率均显著高于CK处理。NT处理下,土壤碱解氮和铵态氮的季节均值分别提高了15%和41%;土壤氮总矿化速率显著高于CK和W处理,硝化速率则显著低于CK和W处理。WNT处理下的土壤氮矿化速率显著高于NT处理,而硝化速率则显著低于CK和W处理,可见,在夜间增温条件下,采取免耕措施将有利于土壤有机氮的矿化过程,降低了土壤硝化速率,从而减小了土壤氮素损失的风险。     

施用石灰与钙蒙脱石对酸性土壤硝化动力学过程的影响

土壤酸化是粘土矿物缓慢风化的自然过程,但近年来随着人类高强度的农业利用,土壤酸化现象逐渐加剧,而铵态氮肥的硝化作用是土壤酸化的主要贡献者之一。传统的施用石灰改良酸性土壤,常常会有反酸现象,并可能导致土壤板结。蒙脱石是碱性或中性土壤的主要粘土矿物组分,而在土壤酸化的过程中,蒙脱石被进一步风化掉。本文通过室内模拟实验,采用硝化动力学拟合及对净硝化速率的计算,分别研究了蒙脱石(Ca-M)和石灰(Ca-OH)对酸性黄壤硝化作用的影响。结果表明:酸性黄壤添加石灰或蒙脱石后,土壤均发生了显著的硝化作用,且硝化过程符合一级动力学模型N_(NO3)=N_0+N_p(1-exp(-k_1t))(P0.001)。Ca-OH处理土壤样品的净硝化速率(3.429 mg·kg~(-1)·d~(-1))显著大于Ca-M处理(2.381 mg·kg~(-1)·d~(-1));Ca-OH处理土壤样品的潜在硝化速率(V_p)和平均硝化速率(V_a)在pH值5.7和6.2时分别为6.42、8.58 mg N·kg~(-1)·d~(-1)和2.71、3.87 mg N·kg~(-1)·d~(-1),均显著大于钙基蒙脱石处理(pH值5.7和6.2时分别为3.40、4.56 mg N·kg~(-1)·d~(-1)和2.36、3.04 mg N·kg~(-1)·day~(-1))。结果表明采用石灰改良酸性土壤发生复酸化现象的可能性及程度大于钙基蒙脱石,本研究为酸性土壤改良提供了新的参考。     

中国不同生态系统土壤硅的研究进展

硅是土壤和岩石的一种基本成分,具有促进植物的生长、增强植物抗性、参与生物地球化学循环过程、调节全球碳循环和缓解全球气候变暖趋势等方面的作用.本文在全面介绍土壤硅的形态、有效性及生物循环特征基础上,分析了我国不同生态系统中土壤硅及植硅体含量状况,阐明了影响土壤有效硅及植硅体的因素,重点阐述了近年来有关稻田土壤有效硅与水稻...     

中国农田生态系统的碳足迹分析

采用1990-2009年农作物产量、农田生产投入等统计数据,对中国农田生态系统碳排放、碳吸收和碳足迹进行估算,得到以下主要结论：碳排放量和碳排放强度、碳吸收量、碳足迹呈现增加趋势,碳吸收强度表现稳定,随着农用化石能源的大量使用,单位面积碳足迹从1990年的0.08hm2/hm2增加到2009年的0.13hm2/hm2。各省（市、自治区）单位面积碳足迹差异十分明显,2009年最高的福建为0.27hm2/hm2,最低的黑龙江为0.08hm2/hm2。中国农田生态系统存在碳生态盈余,碳足迹占同期生产性土地面积（耕地）的比例在10%左右,但随着年份的递进,所占比例有增大的趋势,1990年为8.46%,2009年为12.75%。     

硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯植株及土壤氮素利用的影响

通过添加硝化/脲酶抑制剂达到秋马铃薯生产中减氮增效的目的,为制定秋马铃薯的农田氮素管理措施及节肥增效策略提供依据.采用随机区组试验设计,设置30、60、90、120 kg/hm24个施氮水平与硝化/脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、双氰胺(DCD)、2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)、未添加硝化/脲酶抑制剂(C...     

土壤pH值和含水量对土壤硝化抑制剂效果的影响

硝化抑制剂如2-氯-6-三氯甲基吡nitrapyrin,通常与氮肥配施来抑制硝化作用提高农田中肥料的利用率,但是其抑制效果会受到土壤理化性质的影响。采用新工艺重新合成后的新型nitrapyrin纯度高达98%,由于杂质减少而具有更好的硝化抑制效果。为了研究土壤pH值和含水量对新型nitrapyrin抑制效果的影响,明确nitrapyrin适合施用的土壤条件,采用室内培养试验,研究了在不同的土壤pH值和含水量下nitrapyrin对无机氮含量动态变化和硝化作用强度的影响,以及其硝化抑制率的变化规律。结果表明:随着土壤pH值的升高,铵态氮含量降低,硝态氮含量和表观硝化率呈现上升的趋势,并且在所有pH值处理下氮肥配施nitrapyrin均显著地降低了矿质氮库铵态氮的转化量,均不同程度地抑制了硝化作用;在培养的第9天,nitrapyrin在pH值7.70处理下对硝化作用抑制效果最好,硝化抑制率达到91.53%,但硝化抑制率的降低速率在高pH值处理上更快;在培养的第45天,当pH值为4.66时,硝化抑制率为36.43%,显著高于其他处理;在整个培养过程中,施用nitrapyrin能显著抑制各处理的硝化作用,硝化抑制率在不同土壤含水量上的表现为:40%WHC60%WHC80%WHC。可见,nitrapyrin更加适合施用在酸性土壤以及旱地土壤上,该研究可以为新型硝化抑制剂nitrapyrin在农田中施用的最优条件提供理论依据。     

慈溪1000年时间序列农田土壤氮矿化和硝化的变化

长时间序列土壤关键氮（N）转化过程和相关微生物的变化规律仍不清楚。以慈溪市滨海围垦农田土壤为研究对象,利用室内培养法研究了11个不同利用年限土壤（0～1 000 a）N矿化速率、硝化强度和硝化细菌数量。结果表明,随着利用年限的增加,土壤电导率和pH下降,而有机质和全氮逐渐积累,土壤性质在利用前50 a内变化幅度较快;土壤N矿化速率的大小表现为：220～1 000 a >0～50 a >60～200 a;硝化强度大体随着利用年限的延长而增强,而土壤硝化细菌数量表现为在0～20 a增加后逐渐降低的趋势,其中,20～60 a达到最高;皮尔森相关和聚类推进树（ABT）分析表明,土壤利用年限（45%）、电导率（12%）和有机质（11%）是影响硝化强度的主控因子,土壤中NH₄⁺-N和有效磷含量分别是影响N矿化速率（86%）和硝化细菌数量（42%）的关键限制因子。因此,海陆界面土壤在持续农业利用过程中,硝化强度及硝化细菌丰度得到一定加强,但同时受到历史条件和当代环境因素的共同影响。     

硝化抑制剂类型和剂量对不同类型土壤硝化抑制作用机理的研究

氮肥配施硝化抑制剂是提高氮肥利用率、减少活性氮损失和降低环境代价风险的有效措施。为探讨不同硝化抑制剂类型和剂量对不同类型土壤硝化作用的机理,采用室内土壤培养试验,对3种硝化抑制剂[双氰胺（DCD）、3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）和2-氯-6-（三氯甲基）吡啶（NP）]设置不同剂量,研究其对我国不同区域典型土壤（红壤、水稻土、潮土）硝化过程无机氮含量、土壤pH值及土壤表观硝化率变化特征的影响。结果表明,与单施硫酸铵处理相比,3种硝化抑制剂均能抑制水稻土和潮土中铵态氮向硝态氮的转化,且对潮土铵态氮向硝态氮转化抑制效果优于水稻土,而对红壤硝化作用的抑制效果均不明显,3种土壤pH值差异是影响硝化抑制剂作用效果的主因。此外,DCD和NP随着用量的增加,对水稻土和潮土的硝化抑制效果越明显,而DMPP对2种土壤硝化抑制作用无明显的剂量效应。在水稻土中,NP的抑制效果强于DMPP和DCD;在潮土中,DCD的抑制效果优于NP和DMPP,这可能是由于不同硝化抑制剂类型硝化抑制机理性的差异以及其自身特性的差异导致的。综上,针对特定土壤类型筛选适宜的硝化抑制剂类型和用量对农业优化氮肥管理、提高氮肥利用率...     

区分土壤中硝化与反硝化对N2O产生贡献的方法

土壤是产生N2O的最主要来源之一。硝化和反硝化反应是产生N2O的主要机理,由于硝化和反硝化微生物同时存在于土壤中,因而硝化和反硝化作用能同时产生N2O。N2O的来源可通过使用选择性抑制剂,杀菌剂以及加入的标记底物确定。通过对生成N2O反应的每一步分析,主要从抑制反应发生的催化酶和细菌着手,总结了测量区分硝化、反硝化和DNRA反应对N2O产生的贡献方法。并对15N标记底物法,乙炔抑制法和环境因子抑制法作了详细介绍。     

不同肥力农田和不同林型林地红壤总硝化特征研究

在3种不同肥力的农田和3种不同林型林地红壤上利用原状土心-15N库稀释技术原位测定了其总硝化率。结果表明:不同肥力农田和不同林地红壤的总硝化速率在N7.29～23.50μg/(g·d)间波动,总体来说,农田土壤的总硝化速率大于林地土壤。在不同肥力的农田间,施肥处理的总硝化率显著高于不施肥处理(p<0.05)。在不同植被类型林地间,湿地松林地的总硝化率比木荷和混交林林地分别提高了24.8%和66.9%。总硝化包括净硝化和NO3--N的消耗部分。本试验农田NO3--N的消耗速率比林地大,与总硝化率的变化趋势类似。在同一利用方式的不同处理中,NO3--N含量的变化趋势与总硝化速率的变化趋势相类似。     

培养温度和土壤类型对土壤硝化特性的影响

采用室内恒温好气培养方法,研究了温度(15℃、20℃、25℃和30℃)和土壤类型(黑土、潮土和红壤)对土壤硝化率的影响。氮素加入比率为N 200 mg kg-1土壤。结果表明:在15～30℃培养范围内,随着培养温度的升高,硝化率呈升高趋势;硝态氮累积量和培养积温(培养温度×培养天数,温度以0℃为基准)之间的关系可用单参数指数模型表示。在相同培养温度条件下,供试土壤硝化率从大到小的顺序为:高有机质含量潮土>低有机质含量潮土>高有机质含量黑土>低有机质含量黑土>低有机质含量红壤>高有机质含量红壤。硝化率(25℃恒温培养)与土壤全磷含量、全钾含量、黏粒含量及pH呈极显著相关;土壤pH和全磷含量解释了硝化率差异的98.1%。土壤pH是影响其硝化率的主要因素,并抑制土壤有机质含量及温度对硝化率的影响。     

乙炔抑制方式对潮土硝化和矿化作用的影响

在土壤最大持水量60%和温度28?C的实验室培养条件下,研究了乙炔的不同抑制方式(短时前期暴露/连续灌注法)对潮土硝化、矿化作用的影响。结果显示,连续14天灌注10 ml/L或100 ml/L浓度乙炔完全抑制了供试潮土的硝化作用,而将土样短时前期暴露于乙炔12 h后驱散乙炔,仅能保持48 h的抑制效果,驱散乙炔后第3天土样的硝化作用开始恢复,培养结束时土样的硝化率仍可达到99%。本研究的结果还显示,培养结束时,加入乙炔的4个施N处理其净矿化量为负值,乙炔连续抑制方式下土样净矿化量低于乙炔短时前期暴露方式下土壤的净矿化量。因此,采用乙炔抑制技术进行研究时应当考察所采集的供试土壤在乙炔抑制方式下的硝化活性恢复速率和矿化过程,以保证相关试验方法设计的合理性。对培养期较长的试验,采用连续灌注乙炔,并将通风时间控制在硝化活性恢复点以前的方式是区分硝化类型较为适用的实验室方法。     

Abiotic factors regulating nitrification in a Swedish arable soil

Summary The effects of temperature, water potential and ammonium concentrations were studied in field and laboratory experiments on arable soil. The two field experiments used different sampling intervals, one at daily (short-term) and the other at monthly (long-term) intervals. In the short-term field experiment, the numbers and activities of nitrifiers were assessed before and after natural rain or irrigation. The nitrifiers were apparently outcompeted by heterotrophs during the first days after wetting the soil. Potential nitrification was affected only slightly by changes in water potential, whereas the numbers of ammonium and nitrite oxidizers appeared more sensitive to these changes. The numbers of ammonium and nitrite oxidizers correlated strongly during the daily samplings. The potential nitrite-oxidation rates correlated with water potentials whereas the potential ammonium oxidation rates did not. Extractable ammonium decreased in proportion to increasing nitrate concentrations in both the rain-fed and the irrigated plots. In the long-term field experiments, the numbers of ammonium oxidizers correlated with water potentials but not with in situ temperature or with ammonium concentrations. The potential ammonium-oxidation rates correlated with water potentials and with ammonium-oxidizer numbers. The potential nitrite-oxidation rates correlated strongly with the potential ammonium-oxidation rates. The field experiments implied that nitrite oxidizers obtained substrate from ammonium oxidizers but also from nitrate reduction. In laboratory experiments nitrate accumulated at a Q ₁₀ of about 2 and the V _max for nitrification was observed at a water potential of –0.11 MPa (65% of water-holding capacity). The K _m for ammonium oxidation at pH 8.2 was 1.72 mg l^–1 soil water.     

水稻生育期内红壤稻田氨氧化微生物数量和硝化势的变化

利用荧光定量PCR(Real-timePCR)技术,通过特异引物检测amoA基因拷贝数分析了水稻不同生育期红壤稻田土壤中氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA)的数量变化,并测定了土壤潜在硝化势。结果显示:红壤稻田土壤中AOA数量显著高于AOB,二者比例在1.6～120.7之间;红壤稻田根层土中AOA数量显著高于表土,随水稻生长根层和表土中AOA数量均逐渐增加,且根层土中增加幅度更大;在水稻生长前期表土中AOB数量较多,孕穗期后根层土中AOB数量显著增加且高于表土。水稻生长期内土壤潜在硝化势也具有逐渐增加趋势,且根层土潜在硝化势增加幅度更大。根层土中潜在硝化势与AOB和AOA数量均呈显著正相关,而表土中潜在硝化势只与AOA数量存在显著正相关。研究表明,红壤稻田土壤中AOA数量更为丰富,且与硝化作用的关联程度更为密切,证实了氨氧化微生物在红壤稻田土壤微生物组成及其生态系统功能中的重要性。     

西藏高原自然生态系统转化为农田后提高了土壤的净矿化和净硝化

A comparative study was conducted to determine the NH4^＋ and NO3^- concentrations in soil profiles and to examine the net nitrogen （N） mineralization and nitrification in adjacent forest, grassland, and cropland soils on the Tibetan Plateau. Cropland soil showed significantly higher inorganic N concentrations in soil profiles compared with forest and grassland soils. NO3^- -N accounted for 70%-90^ of inorganic N in cropland soil, while NH4^＋ -N was the main form of inorganic N in forest and grassland soils. The average net N mineralization rate at 0 20 cm depth was approximately twice in cropland soil （1.48 mg kg^-1 d^-1） as high as in forest （0.83 mg kg^-1 d^-1） or grassland soil （0.72 mg kg^-1 d^-1）. Cropland showed strong net nitrification, with the net rate almost equal to the total net N mineralization. Urea addition stimulated soil respiration, particularly in forest soil. Most urea-N, however, remained as NH4^＋ in forest and grassland soils, while NO3^- was the main form of inorganic N to increase in cropland soil. Higher rates of net nitrification in cropland soils suggest that land use change on the Tibetan Plateau may lead to high N losses through nitrate leaching.     

熏蒸处理对土壤微生物及硝化作用的影响

在田间条件下用溴甲烷(68.1g/m2)、威百亩(7.5mL/m2)进行土壤熏蒸,调查两种药剂对土壤微生物及硝化作用的影响。结果表明:两种熏蒸剂对土壤放线菌无抑制作用,对细菌总量影响较小,但亚硝酸细菌受到强烈抑制,土壤的硝化作用受到明显影响;同时,土壤中真菌的数量及种类变化显著。熏蒸后9周,处理区土壤中的微生物基本恢复正常。     

茶多酚对土壤硝化作用的影响研究

研究了茶多酚对土壤硝化作用和土壤中氨氧化菌与亚硝酸氧化菌数量的影响。结果表明茶多酚能抑制硝化作用,抑制率在8 d内达到31.2%~92.6%。它同时也能抑制氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的生长,当加入0.05g茶多酚时,氨氧化菌的数量从650个/g(干土)减少至400个/g(干土),亚硝酸氧化菌的数量从920个/g(干土)减少至661个/g(干土)。当加入茶多酚越多,氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的数量减少得越快。因此,茶多酚有可能抑制这两类微生物的生长,从而抑制硝化作用。     

亚热带松林中强酸性土壤自养和异养硝化作用的研究

The occurrence of nitrification in some acidic forest soils is still a subject of debate. Identification of main nitrification pathways in acidic forest soils is still largely unknown. Acidic yellow soil (Oxisol) samples were selected to test whether nitrification can occur or not in acidic subtropical pine forest ecosystems. Relative contributions of autotrophs and heterotrophs to nitrification were studied by adding selective nitrification inhibitor nitrapyrin. Soil NH₄⁺-N concentrations decreased, but NO₃^--N concentrations increased significantly for the no-nitrapyrin control during the first week of incubation, indicating that nitrification did occur in the acidic subtropical soil. The calculated net nitrification rate was 0.49 mg N kg^-1 d^-1 for the no-nitrapyrin control during the first week of incubation. Nitrapyrin amendment resulted in a significant reduction of NO₃^--N concentration. Autotrophic nitrification rate averaged 0.28 mg N kg^-1 d^-1 and the heterotrophic nitrification rate was 0.21 mg N kg^-1 d^-1 in the first week. Ammonia-oxidizing bacteria (AOB) abundance increased slightly during incubation, but nitrapyrin amendment significantly decreased AOB amoA gene copy numbers by about 80%. However, the ammonia-oxidizing archaea (AOA) abundance showed significant increases only in the last 2 weeks of incubation and it was also decreased by nitrapyrin amendment. Our results indicated that nitrification did occur in the present acidic subtropical pine forest soil, and autotrophic nitrification was the main nitrification pathway. Both AOA and AOB were the active biotic agents responsible for autotrophic nitrification in the acidic subtropical pine forest soil.