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。     

土壤中多菌灵的降解动态及其对土壤微生物群落多样性的影响

采用实验室模拟方法研究了多菌灵在土壤生态系统中的降解动态及其对土壤微生物群落多样性的影响。结果表明,2.0和4.0 mg kg-1多菌灵在土壤中的降解半衰期分别为8.6和6.8 d。试验初期各个处理的土壤微生物群落的AWCD值显著降低,土壤微生物群落的Shannon指数、Simpson指数和McIntosh指数均低于不加多菌灵的对照,微生物群落的丰富度、均匀度和优势度受到抑制,并且多菌灵对土壤微生物的抑制作用随浓度的增加而增强。随着时间的延长,多菌灵对土壤微生物的毒性逐渐减弱,3 d后土壤微生物多样性逐渐恢复到对照水平。     

植物秸秆腐解特性与微生物群落变化的响应

采用网袋法探讨不同新鲜秸秆在农田土壤的腐解特征,结合Biolog微平板技术,对不同秸秆处理中土壤微生物群落多样性进行了研究。结果表明,随着腐解时间的增加,新鲜秸秆的残留率波动不大,秸秆的腐解速度为玉米秸秆大于大豆秸秆。整个腐解时期,不同秸秆处理中土壤微生物群落的平均颜色变化率AWCD值由高到低依次为FCN(新鲜玉米秸秆+氮)、FC(新鲜玉米秸秆)、FB(新鲜大豆秸秆),说明玉米不同秸秆处理中土壤微生物群落的密度大、稳定性好,大豆秸秆处理中土壤微生物群落相对密度小,稳定性差,3种不同秸秆处理中土壤微生物的AWCD值之间没有显著差异(P0.05),但不同秸秆类型与腐解时间的交互作用之间的差异达到极显著水平(P0.01)。3种不同秸秆处理中土壤微生物的优势种群主要以糖类和多聚物为主,在腐解中后期难分解物质逐渐累积,均表现为对芳香化合物的利用最弱。3种秸秆的腐解残留率与土壤pH、有机质、碱解氮、速效钾、土壤温度、氨基酸、多胺类的碳源利用方面影响较大,土壤含水量和秸秆含水量的高低在一定程度上影响不同秸秆的腐解残留率。     

植物源有机物料对果园土壤微生物群落多样性的影响

【目的】苹果园土壤肥力持续下降,禽畜废弃物肥源严重不足,施用植物源有机肥成为生产中改善果园土壤状况的重要措施之一。本试验利用BIOLOG微平板技术研究了盆栽条件下添加植物源有机物料及其腐殖化过程驱动因子对果园土壤微生物群落多样性的影响,探讨葡萄糖、 尿素和蚯蚓在植物源有机物料向土壤碳库转化中的作用,为揭示果园土壤质量的演变机制提供参考。【方法】取苹果园020 cm土层土壤,与苹果枝条、 玉米秸秆和果园杂草粉碎物混合,栽植2a生苹果砧木山定子幼苗,分别添加尿素、 葡萄糖和蚯蚓,利用BIOLOG微平板技术进行土壤微生物群落多样性分析。不同处理的土壤浸提液在 BIOLOG生态测试板中培养,取培养96 h时微平板光密度值进行多样性指数计算,分别用丰富度指数S 表示被微生物群落利用的基质数量,多样性指数表示反应孔与对照孔光密度值之差和整块板总差的比值,均匀度指数 E表示可培养微生物的种类均匀度,优势度指数Ds用于评估某些最常见种的优势度。对土壤微生物群落利用BIOLOG微平板中六类碳源（碳水化合物类、 氨基酸类、 羧酸类、 多聚物类、 芳香族类和胺类）的情况进行主成分分析,明确不同处理微生物对碳源利用能力的差异。【结果】有机物料种类、 小分子有机物和蚯蚓数量均对平均吸光值（AWCD值）有显著影响,在培养0~24 h,玉米秸秆+葡萄糖+12条蚯蚓（T4）和果园杂草+葡萄糖（T9）处理的AWCD值明显高于其他处理,微生物群落的活性较强,碳源开始利用较早。2496 h时,AWCD呈指数增长,120 h后趋于平缓,以玉米秸秆+葡萄糖+12条蚯蚓（T4）、 苹果枝条+葡萄糖+6条蚯蚓（T2）、 果园杂草+葡萄糖（T9）处理斜率最大,其次为玉米秸秆+尿素+6条蚯蚓（T6）和苹果枝条+尿素（T1）处理; 小分子有机物种类对微生物群落丰富度指数（S）和优势度指数（Ds）的影响显著,丰富度指数（S）以苹果枝条+葡萄糖+6条蚯蚓（T2）最大,优势度指数（Ds）以玉米秸秆+葡萄糖+12条蚯蚓（T4）最大,各处理的多样性指数（H）和均一度指数（E）差异不显著; 对碳源利用主成分起分异作用的主要是碳水化合物类和多聚物类。【结论】与秸秆和杂草处理相比,苹果枝条处理土壤微生物群落多样性较丰富,加入葡萄糖为土壤微生物提供可迅速利用的碳源,微生物功能多样性也显著增加; 蚯蚓活动对微生物群落多样性的影响比葡萄糖小,尿素对微生物群落多样性的影响也较小,但同时添加尿素和葡萄糖有助于微生物多样性的增加。     

不同林龄马尾松人工林土壤微生物群落结构和功能多样性演变

土壤微生物在森林生态系统中起着至关重要的作用,研究人工林演变中土壤微生物群落结构特征,对评价人工林土壤质量动态变化和维持土壤微生态平衡具有重要意义。以亚热带地区马尾松人工林为研究对象,采用磷脂脂肪酸(Phospholipid fatty acid,PLFA)和BIOLOG技术研究不同林龄(13 a,25 a,38 a和58 a)对土壤微生物群落结构和代谢功能多样性的影响。结果表明:不同林龄土壤微生物类群均以细菌为主,其次为真菌和放线菌,最后为原生动物;土壤微生物总PLFAs量、真菌数量和真菌/细菌均表现为13 a最高,38 a最低;土壤细菌、革兰氏阳性细菌(G+)、革兰氏阴性细菌(G–)和放线菌数量均25a最高。层次聚类和主成分分析(PCA)结果表明,林龄对土壤微生物群落结构产生显著影响,13 a和25 a林龄分别与38 a和58 a林龄的土壤微生物群落结构差异较大。冗余分析表明,有机碳、全氮和pH是土壤微生物群落结构的主要影响因素。不同林龄土壤平均颜色变化率(AWCD)和微生物功能多样性指数(香农指数、辛普森指数和McIntosh指数)总体表现为25 a>13 a>58 ...     

稻田水分管理和秸秆还田对甲烷排放的微生物影响

为了探讨不同水分管理和秸秆还田对稻田甲烷排放的影响机理,依托中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境监测研究站长期定位试验,选择长期淹水(CF)、秸秆还田+长期淹水(HS+CF)、常规灌溉(IF)、秸秆还田+常规灌溉(HS+IF)4个处理,应用限制性片段长度多态技术(T-RFLP)和实时荧光定量PCR技术在DNA和c DNA水平对比研究不同水分管理和秸秆还田影响稻田土壤甲烷排放的微生物分子机理。结果表明:长期淹水处理的甲烷排放量显著高于常规灌溉处理,秸秆还田处理对甲烷排放的影响不显著。产甲烷菌和甲烷氧化菌群落结构只对土壤水分管理产生响应,对秸秆还田没有响应。水分管理和秸秆还田显著影响产甲烷菌的数量,却对甲烷氧化菌数量没有影响。产甲烷菌和甲烷氧化菌群落组成和表达群落组成存在明显的分异,c DNA水平上产甲烷菌和甲烷氧化菌表达群落组成对水分管理的响应比DNA水平群落组成更敏感。稻田甲烷排放通量与mcr A和pmo A基因丰度和表达丰度均没有显著相关性,只与DNA水平基因丰度比值(mcr A/pmo A)呈显著正相关关系。可以看出,长期淹水处理可以通过改变土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落结构和数量及两者数量的比例来调控甲烷的排放量。     

田间条件下小麦和玉米秸秆腐解过程中微生物群落的变化——BIOLOG分析

对秸秆分解微生物演变机理的研究是调控秸秆还田、提高农田地力的理论基础。本试验基于土壤置换试验平台,利用BIOLOG方法研究在寒温带、中温带和中亚热带气候下,埋于黑土、潮土和红壤中的小麦和玉米秸秆在腐解过程中微生物对碳源利用的变化规律。试验中利用网袋法区分直接分解秸秆微生物。试验结果发现秸秆腐解微生物的碳源代谢活性(Average Well Color Development AWCD值表示)在腐解0.5 a和1 a后表现出一定的随气候变化规律,即随温度和降雨量的增加而降低。其中0.5 a为海伦(0.765±0.060)>封丘(0.737±0.165)>鹰潭(0.326±0.076),1 a为海伦(0.630±0.092)>封丘(0.319±0.096)>鹰潭(0.291±0.029),但这种趋势在腐解2 a后减弱。气候条件是影响秸秆腐解微生物碳源代谢活性的主要因素,其次是腐解时间和土壤类型。主成分分析表明在腐解0.5 a后海伦、封丘地区的微生物群落代谢特征与鹰潭差异较大,而1 a后封丘和鹰潭的微生物群落代谢特征与海伦的差异较大,腐解2 a后不同气候条件下的秸秆腐解微生物对碳源的利用趋于一致,均对含氮化合物利用较多。     

作物秸秆腐解过程中土壤微生物量的研究

研究了不同作物秸秆腐解过程中土壤微生物量Ｃ、Ｎ、Ｐ的变化,结果表明：当玉米、谷子、马铃薯和苜蓿秸秆施入土壤后,其微生物量Ｃ、Ｎ、Ｐ明显增高。不同的秸秆在腐解过程中微生物量Ｃ和Ｐ有相同的变化趋势,即施入秸秆后０～１５天快速增加,然后缓慢下降,４５天时降至最低。４５～６０天又出现一个上升阶段,之后又下降。不同秸秆的微生物量Ｎ差异较大。比较４种秸秆,在腐解的整个过程中土壤微生物量Ｃ表现为玉米〉谷子〉苜蓿     

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。     

植物残体分解过程中微生物群落变化影响因素研究进展

植物残体是土壤有机质的重要来源,研究分解植物残体的微生物群落结构及其演替规律日益受到重视。本文综述了影响植物残体分解过程中微生物群落结构和功能变化的3个主要因素:植物残体的性质、土壤和气候环境因素、农艺措施,这些因素通过影响微生物本身的活性和植物残体分解过程中化学组成的变化从而导致微生物群落的变化,同时植物残体腐解过程中微生物群落存在明显的演替现象。以上因素的影响并不是孤立的,而是相互联系和制约的。未来针对野外田间条件下植物残体的分解过程,仍需深入研究关键微生物群落的演替规律以及不同影响因素的交互作用机制。     

土壤质地对秸秆分解的影响及其微生物机制

本研究以河南省封丘县的砂质、壤质、黏质潮土为对象,基于网袋秸秆埋设法,比较分析了经半年埋设后小麦和玉米秸秆分解速率变化,及基于磷脂脂肪酸(PLFA)的微生物组成差异。结果表明:秸秆分解率在不同质地潮土间无显著性差异;残留秸秆中碳含量与原始秸秆相当,表明秸秆分解过程中碳按比例减少;但氮和磷含量显著增加,尤其在质地黏重的土壤处理中更为明显。经半年埋设,小麦和玉米秸秆中钾的释放比例分别高达99%和97%。PLFA结果显示,两种秸秆中的细菌、真菌、放线菌在砂、壤、黏土处理间无显著差异,表明影响秸秆分解的微生物生物量在不同土壤质地处理间相当,这可能是导致秸秆在不同质地潮土中分解率无显著差异的原因之一;但PCA分析表明,参与小麦和玉米秸秆分解的微生物种类有所不同,其差别主要与革兰氏阳性菌14:0、i14:0、3OH-16:0、i17:0,革兰氏阴性菌cy17:0以及放线菌10Me18:0有关。     

秸秆与木本泥炭短期施用对潮土有机质及微生物群落组成和功能的影响

直接添加富含腐殖物质的木本泥炭可快速提升土壤有机碳含量,但其与常规施用秸秆相比的效应如何尚不清楚。通过设置不添加物料(CK)、施用秸秆(R)、施用木本泥炭(MT)、秸秆还田和木本泥炭联合施用(RMT)四个田间试验处理,经过一季玉米生长后比较不同处理对玉米产量、土壤肥力、细菌群落组成和功能的影响。结果表明,R和RMT处理的地上生物量与CK无显著差异,而在玉米整个生育期的平均呼吸速率则分别较CK高40%和64%;MT处理的地上生物量较CK低10%,但MT和CK的平均呼吸速率无显著差异。另一方面,R处理的土壤有机质(SOM)含量与CK无显著差异,而MT和RMT处理的SOM含量则较CK分别高79%和56%。基于主成分分析和功能预测发现,与CK处理比,R处理分解利用新鲜秸秆的绿弯菌门、芽单胞菌门、节细菌属、指孢囊菌属和Rubellimicrobiu显著增多,而化能异养、需氧化能异养、尿素代谢功能显著降低;MT处理降解大分子有机物的土壤杆菌属、纤维菌属、德沃斯氏菌属、农研丝杆菌属、类诺卡氏菌属和Rubellimicrobium显著增多,需氧化能异养功能显著降低,纤维素代谢功能显著升高;而RMT处理与CK群落组成和功能类似。因此,在潮土区单独施用MT尽管能迅速提升SOM含量,但可能导致短期内作物产量降低,而R和MT联合施用在迅速提升SOM的同时可提高土壤呼吸,维持稳定的微生物群落和功能。     

潮土中残留小麦和玉米秸秆养分含量差异及与微生物群落组成的关系

黄淮海平原典型潮土上小麦和玉米收获后的秸秆往往直接还田,但驱动它们在不同质地潮土(砂质、壤质、黏质)中分解的微生物是否与残留秸秆养分含量有关尚不清楚.本研究基于尼龙网袋法,通过10个月的田间培育试验,监测秸秆分解率、残留秸秆养分含量及微生物群落组成,评估各指标在秸秆类型和土壤质地之间的差异,探究残留秸秆养分与微生物群落...     

潮土长期不同施氮水平对秸秆降解及其细菌群落结构的影响

农田过量施氮所引发的问题已经引起广泛关注,但长期施氮后土壤无机氮水平状况及其对秸秆降解的作用尚不清楚。本研究以中国科学院封丘农业生态实验站长期（2005～2018年）施氮肥（5个施氮水平：0(N0)、150(N1)、190(N2)、,230(N3)和270 (N4)kg ha-1 yr-1）的潮土为研究对象,开展短期（50天）的秸秆降解-土壤培育实验。培育期间监测秸秆碳的矿化、土壤无机氮（硝态氮和铵态氮）、可溶性有机碳、微生物生物量碳的动态变化,利用高通量测序测定细菌群落结构。结果表明,长期施氮后,土壤无机氮含量和秸秆碳的矿化率随施氮水平的升高而增加。不同长期施氮水平的土壤细菌群落结构呈现显著差异。网络分析揭示：秸秆降解过程中细菌群落内部物种间的共现模式随长期施氮水平发生改变,具体体现为长期高施氮水平下细菌群落彼此间的负相关得到了加强;同时,变形菌主导地位减弱、酸杆菌主导地位增强。综上,土壤无机氮含量、细菌群落结构及物种之间的关系随着长期施氮水平的不同发生了改变。本研究探究了长期不同施氮水平下土壤中无机氮的水平状况、秸秆降解状况以及秸秆降解过程中土壤细菌的生物特性,以期为秸秆还田和科学施氮提供一定的数据支撑和思路启示。     

复合菌剂对小麦秸秆降解速率、土壤酶和土壤 微生物类群的影响

秸秆在农业上的有效利用日益受到关注。针对秸秆还田后腐解难的问题,本文选择7株纤维素降解菌种进行复配:拟茎点霉B3、茎点霉YY11、绿色木霉、里氏木霉、根霉、黑曲霉、蜂房芽孢杆菌。最终采用两种复配液体菌剂A(B3、YY11、绿色木霉和蜂房芽孢杆菌)、C(上述7个菌种),同时制作与液体菌剂A、C分别对应的固体菌剂B、D。探讨了复合菌剂对秸秆降解速率的促进作用和对土壤质量的提升效果。结果表明,4种菌剂均可促进小麦秸秆降解,改善土壤生物学特性,增加土壤养分,改良玉米农艺学性状。综合评价各个指标,菌剂B(B3、YY11、绿色木霉、蜂房芽孢杆菌;固体剂型)的表现最好,且玉米总产量比市售秸秆腐熟剂处理高20.72%。总之,本研究表明小麦秸秆还田后和联合菌剂使用能明显提高土壤降解功能,并且为实现经济可持续的农业管理方式提供了一种有应用前景的秸秆腐熟剂组合方式。     

城市与郊区森林土壤微生物群落特征差异研究

森林是具有重要服务功能的生态系统之一,在城区和郊区都普遍存在,但对于森林土壤微生物群落特征的城郊差异研究却很少。本研究在北京城市与郊区选择三种相同树种(油松Pinus tabulaeformis、侧柏Platycladus orientalis和毛白杨Populus tomentosa)的森林,主要研究比较了土壤微生物量碳、微生物群落结构和功能多样性的城郊差异。结果表明,郊区森林的土壤微生物量碳含量显著高于城区(郊区微生物量碳为367.29 mg kg-1,城区为294.23 mg kg-1)。同一树种下郊区微生物活性高于城区,差异未达到显著。微生物多样性和均匀度城郊差异不明显;但树种间存在一定的差异,城区毛白杨林下土壤微生物群落的均匀度显著低于柏树与油松,多样性指数显著低于柏树。结果表明城市化过程对城市土壤微生物量以及微生物群落的结构和功能有一定影响,且不同树种对于这种影响存在差异。随着城市化加快,城乡梯度上土壤微生物量碳的城乡差异明显,而土壤微生物群落结构、功能的差异有减小的趋势。     

秸秆还田与氮肥运筹对农田棕壤微生物生物量碳氮及酶活性的调控效应

如何有效运筹秸秆还田与氮肥施用，研发高效节氮秸秆还田技术，是目前东北地区农业生产中亟待解决的问题。基于田间定位试验，研究不同秸秆还田方式（秸秆不还田、秸秆粉碎翻压还田、秸秆堆腐旋耕还田）与施氮水平（180、210、240 kg N/hm2）运筹对土壤微生物量碳氮和氮代谢关键酶活性的影响。结果表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田处理土壤MBC、MBN、MBC/MBN和脲酶活性均显著增加，硝酸还原酶活性无规律性变化。随着生育时期推进，秸秆还田处理土壤MBC和MBN分别呈现单峰和双峰曲线变化，脲酶和硝酸还原酶活性均呈波动式变化，高峰期均出现在春玉米旺盛生长期（拔节期 ~ 灌浆期）。随着施氮水平增加，秸秆还田处理土壤MBC、MBN均增加，MBC/MBN降低，而脲酶和硝酸还原酶活性变化行为因秸秆还田方式而异。在保证氮肥总量不变前提下，秸秆粉碎翻压还田配以15％氮肥后移能够增加土壤MBC和MBN，降低MBC/MBN。综上，在东北农业产区，秸秆粉碎翻压还田 + 210 kg N/hm2 + 15％氮肥后移的秸秆还田技术模式具有优化氮素管理、提高土壤肥力的潜力。     

不同种植年限设施芦笋土壤微生物群落结构与功能研究

以上海某设施园艺场长期设施芦笋种植土壤为研究对象,采用常规梯度稀释混菌平板法和Biolog-Eco微平板反应系统,研究了芦笋设施种植1、3、5、8及11年棚土壤微生物群落结构及功能多样性。结果表明:设施栽培芦笋后,土壤细菌种群数量减少,真菌数量增加,细菌与真菌数量比(B/F值)降低;除11年棚表现特殊外,随种植年限增加,土壤微生物代谢活性逐渐下降,5年和8年棚AWCD值均仅为对照1年棚的15%左右;土壤微生物代谢类群多样性减少,5年和8年棚的土壤微生物丰富度指数(S)均仅为对照1年棚的72%左右,Shannon指数均为对照1年棚的82%左右,Mc Intosh指数则均为对照1年棚的90%;不同种植年限芦笋设施土壤中微生物群落的碳源代谢特征发生了明显的分异变化,主成分分析表明,这种变化主要体现在对6种碳水化合物和5种氨基酸碳源的代谢利用上;设施芦笋土壤微生物参数指标对土壤p H和EC值变化响应敏感,另外,土壤速效磷和速效钾含量也是影响土壤微生物代谢和区系分异的2个主要因素。     

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。