温度对不同生态系统土壤甲烷氧化过程和甲烷氧化细菌的影响

温室气体的大量人为排放导致了近百年来的全球气候变化。甲烷是重要的温室气体,随着全球气温升高,甲烷排放量会随之增加,进一步加剧了全球温室效应。土壤是甲烷重要的源和汇,土壤中的甲烷氧化细菌在平衡甲烷的释放过程中发挥着关键作用。探究温度变化对土壤甲烷氧化能力的影响成为近年来的研究热点。本文综述了温度对土壤甲烷氧化过程以及甲烷氧化细菌的影响,分析了在不同温度下,各生态系统中的土壤甲烷氧化及甲烷氧化细菌响应特点和规律,比较了不同生态系统中土壤发生甲烷氧化的温度范围以及甲烷氧化菌株的生长温度范围。综述结果表明,不同生态系统能够发生甲烷氧化的温度范围不同;在能发生甲烷氧化的温度范围内,甲烷氧化速率随温度升高而增加;培养温度与土壤原位温度越相近时,甲烷氧化响应较为灵敏。与温度对甲烷氧化过程的影响类似,甲烷氧化细菌的丰度也随着温度升高而增加,并与增温幅度、优势甲烷氧化细菌的原位生长温度密切相关。土壤中的II型甲烷氧化细菌对温度较敏感,随着温度升高,II型甲烷氧化细菌丰度增加,因此,温度会通过影响甲烷氧化细菌的丰度和群落结构,从而影响甲烷氧化过程。但温度是否仅通过调控优势菌种更替来改变土壤甲烷氧化能力目前还尚未定论,未来需要进一步探究。本文讨论了土壤甲烷氧化过程对温度的响应及其微生物机制,可为全面解析全球变暖下的土壤甲烷氧化过程的变化提供参考。     

农田土壤硝化微生物的生态学研究进展

硝化作用是农田生态系统的重要过程。传统硝化作用是指微生物将氨氧化成亚硝酸盐再氧化为硝酸盐的两步反应,氨氧化过程是硝化过程的第一步也是限速步骤。该过程是由编码氨单加氧酶基因（amoA）的氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）催化完成。2015年底,可以进行一步硝化的完全氨氧化菌（comammox）的发现颠覆了人们对硝化过程近百年的认知,并引发众多对comammox生理代谢、分布特征和相对贡献的深入思考。本文重点阐述农田土壤硝化微生物的生态学研究进展,通过比较AOB、AOA和comammox的发现、系统发育以及对环境因子的响应等方面的差异,对农田土壤硝化微生物相关研究成果进行概括和总结,以期深入了解农田土壤中氮素转化机制,为农田尺度氮素养分管理、面源污染防控及温室气体减排提供理论依据。     

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。     

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。     

模拟条件下土壤硝化作用及硝化微生物对不同水分梯度的响应

以江苏滨海县一植稻土壤为研究对象,在微宇宙培养条件下设置了不同水分处理(最大持水量的30%、60%、90%和淹水2 cm深),研究了硝化作用及硝化微生物对水分变化的响应特征。结果表明:淹水处理显著降低了土壤的氧化还原电位(Eh),但所有处理土壤Eh变化范围为330~500 m V,土壤整体处于氧化态。在每7天向土壤加入10 mg kg-1NH+4-N的连续培养过程中,各个水分处理均观察到明显的NH+4-N降低和NO-3-N累积的现象,60%WHC处理下土壤硝态氮累积最显著和迅速,90%WHC处理次之,随培养时间延长,30%WHC和淹水处理也观察到明显的硝化作用。淹水处理中氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)的数量显著高于非淹水处理,且淹水处理中AOB在DGGE图谱上的条带更加清晰明亮,而氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)的群落组成和数量在不同水分处理间无明显变化。表明该土壤中AOB对水分条件变化响应灵敏,是该土壤的硝化作用、尤其是淹水条件下硝化作用发生的主要原因。     

硝化抑制剂对毛竹林土壤N_2O排放和氨氧化微生物的影响

为了探索硝化抑制剂在毛竹生产中的施用技术,通过培养试验研究3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)和双氰胺(DCD)两种硝化抑制剂对毛竹林施用尿素后土壤N2O排放、氮素转化和相关氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)群落结构和丰度的影响。试验设(1)对照(CK)、(2)单施尿素(Urea)、(3)尿素+1%DMPP(DMPP占总N的1%,下同);(4)尿素+1.5%DMPP;(5)尿素+10%DCD;(6)尿素+15%DCD等6个处理,测定N2O的排放动态以及气体排放转折点时的土壤特征指标。结果表明:与单施尿素相比,160 d的时间内两种DMPP用量处理的土壤N2O累积排放减排幅度均为54%,而10%DCD和15%DCD处理的土壤分别减少28%和41%。DMPP和DCD处理50 d和90 d时土壤的NH4+-N含量均显著高于(p0.05)单施尿素处理,而NO3--N含量和表观硝化率则恰好相反,但两种抑制剂间无差异。DMPP处理的AOB群落结构的变化从10 d开始显现,至50 d和90 d时仍保持明显的抑制状态,而DCD处理则至90 d时抑制作用基本消失。单施尿素AOB功能基因(amo A)的丰度均显著高于硝化抑制剂处理(90 d时尿素+10%DCD处理除外);在整个培养期内,尿素和对照土壤的AOA群落结构相似,硝化抑制剂反而增加了AOA功能基因的丰度,表明硝化抑制剂对AOA丰度无明显抑制作用。即两种硝化抑制剂主要通过抑制AOB起作用;调节土壤p H至中性范围,并在1%DMPP施用条件下,硝化抑制剂的抑制效果最显著。     

覆盖作物对猕猴桃园土壤氨氧化微生物丰度和群落结构的影响

[目的]果园行间播种覆盖作物有利于改善土壤理化性状,改变氮循环过程中的氨氧化微生物群落结构.因此,我们分析不同覆盖作物下猕猴桃园土壤氨氧化微生物的群落结构和基因丰度,以探究其与土壤硝化作用的关系.[方法]选择湖北十堰的一个5年生猕猴桃果园进行了种植多年生覆盖作物试验,供试覆盖作物有白三叶草(Trifolium repe...     

添加生物炭改善菜地土壤氨氧化细菌群落并提高净硝化率

  【目的】  氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,对氮循环有着重要影响。本研究通过分析生物炭输入下土壤氨氧化微生物群落的变化,揭示其影响土壤硝化作用的生物学机制。  【方法】  以华北潮土区设施菜地土壤为对象,设置生物炭梯度 (C₀、C_0.5、C_1.5、C_4.0) 土壤培养试验,结合PCR和T-RFLP等分析技术,观测生物炭输入下土壤氨氧化细菌群落变化动态,解析生物炭、土壤硝化作用与氨氧化细菌群落之间的关系。  【结果】  添加生物炭明显改变了土壤氨氧化微生物群落结构及氮素硝化过程。与未添加生物炭处理相比,生物炭添加处理培养前期土壤氨氧化细菌群落Shannon、Evenness指数分别升高5.4%～18.8%、26.2%～33.8%,后期Shannon指数降低20.7%～34.2%。生物炭输入对AOA群落没有明显影响,AOB群落256、58 bp代表物种丰度分别增加61.4%～56.0%、60.6%～78.6%,488 bp代表物种丰度降低22.8%～26.9%。21 bp代表物种丰度前期增加后期降低,与491 bp代表物种丰度变化相反。添加生物炭土壤AOB amoA基因丰度增加48.9%～53.2%。土壤NO₃–-N含量提高1.7%～25.6%,NH₄+-N含量下降13.4%～31.1%,土壤净硝化速率提高21.8%～70.2%。  【结论】  生物炭的输入可以改善以AOB为主的土壤氨氧化微生物群落结构,提高amoA酶活性,但是对氨氧化古菌微生物群落结构未产生明显影响。因此,生物炭提高土壤净硝化速率的作用与其对土壤氨氧化细菌群落和组成的影响密切相关。     

硝化微生物在土壤团聚体中的分布及其对种植方式的响应

【目的】硝化微生物在农田土壤氮转化过程发挥重要作用,深入开展团聚体中硝化微生物分布研究,有助于揭示土壤结构-微生物-土壤营养元素循环间的相互影响机制。【方法】选取旱地黄棕壤为研究对象,比较了玉米连作（M-M）和玉米/花生轮作（M-P）两种种植方式下土壤团聚体的性质和硝化潜势（NP）的变化,并通过荧光定量PCR和高通量测序研究了团聚体中不同类型硝化微生物功能基因的丰度和群落组成差异。【结果】与M-M相比,M-P能够显著提高团聚体pH、NH4+和全碳（TC）含量。M-P使NP显著提高,但团聚体粒径对NP无显著影响。氨氧化细菌（AOB）amoA基因丰度在M-P中高于M-M,且在较小粒级团聚体中分布更多,而氨氧化古菌（AOA）和全程氨氧化细菌（Comammox）amoA基因的分布模式与AOB大致相反,表明AOB更能适应较小团聚体环境,而AOA和Comammox倾向在较大团聚体中占据竞争优势。此外,与M-M相较,M-P团聚体间AOA/AOB和Comammox/AOB比值的差异减小,表明轮作促使土壤硝化微生物在不同粒级间的分布更加均匀。进一步对属水平土壤团聚体硝化菌群落组成分析,结果显示M-P提高了Nitrolancea属亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和Candidatus Nitrosocosmicus属AOA的占比,降低了Nitrospira属NOB的占比,对AOB各属无显著影响。而团聚体粒径仅对Nitrosospira属AOB的占比产生显著影响。NH4+含量和pH是影响土壤团聚体NP和硝化微生物群落变化的最主要因子。NP与AOB amoA基因丰度显著正相关,与AOA amoA基因丰度负相关。但在群落组成上,Nitrosospira属AOB,Candidatus Nitrosocosmicus属AOA和Nitrospira属NOB均与NP呈现正相关。【结论】土壤团聚体粒径和种植方式能较大程度影响硝化微生物的分布,然而,不同硝化微生物在团聚体间分异机制具有明显差异,该研究为完善禾豆轮作下土壤硝化微生物在微域环境的生态适应机制提供了理论支持。     

氮肥对土壤氧化甲烷的影响研究

阐述了N肥用量、品种对土壤氧化甲垸(CH_4)的影响以及高浓度CH_4对这一影响的反作用,土壤可通过固定一定量的外源N确保土壤具有相对稳定的氧化大气CH_4能力,N含量低的土壤适量施用N肥可刺激甲烷氧化菌繁殖和功能的发挥,促进大气CH_4氧化。但当外源N用量超出一定范围时甲烷氧化菌Type Ⅰ对环境变化十分敏感,会产生抑制作用并表现为长期和短期2种效应,铵态氮具有短期更具长期效应,其直接结果是引起土壤中甲炕氧化菌尤其是Type Ⅰ数量的减少和作用的减弱,该抑制作用是单向、不可逆的。由于甲烷氧化菌Type Ⅰ和Ⅱ可被高浓度CH_4激活,不易受N肥的长期影响,有些水田土壤施用N肥甚至促进甲烷氧化菌繁殖,即N的影响是双向且可逆的。     

菜地和旱作粮地土壤氮素矿化和硝化作用的比较

采用室内培养试验研究了南京郊区菜地和早作粮地土壤氮素矿化和硝化作用的特征,其菜地土壤是20年前从粮食作物改种为蔬菜的。结果表明,菜地土壤氮素矿化量和矿化率都显著高于相应的粮地土壤。改制对硝化作用没有固定的影响,其硝化作用是增强还是减弱主要取决于土壤pH是上升或下降。土壤氮素的矿化和硝化速率受土壤速效磷、速效钾、有机质含量和pH的影响。     

不同氮水平对甘蔗氮素利用及土壤氮素残留的影响

以新台糖22号(ROC22)为试材,设施用15N标记的尿素2.5 g pot-1、5.0 g pot-1及7.5 g pot-13个处理,研究施氮水平对甘蔗氮素利用效率及土壤氮素的影响。结果表明,随氮肥施用水平的提高,甘蔗干物质积累、氮素积累、来源于肥料氮素的比率不同程度增加,同时土壤碱解氮含量、硝态氮含量、肥料氮素残留量及肥料氮素残留率显著增加,但甘蔗氮肥利用率显著下降;施氮水平还明显影响甘蔗各器官的干物质分配、氮素分配、氮肥利用率及氮素在不同土层的分布。本试验条件下,甘蔗氮肥施用土层深度为20 cm、尿素施用量为5.0 g pot-1较为适宜。     

长期不同化肥氮用量对设施菜地土壤氮素矿化和硝化作用的影响

为揭示长期施用不同化肥氮对设施菜地土壤供氮能力的影响,选取连续种植15年不同化肥氮用量下的设施菜地土壤,采用好气密闭培养法研究长期不同化肥氮用量对设施菜地土壤氮素矿化和硝化作用的影响.供试土壤为5个氮施用水平,分别为:不施化肥氮(CK),常规化肥氮(100％N),常规化肥氮上减氮20％(80％N)、40％(60％N)、...     

生物炭与氮肥对稻田甲烷氧化菌和产甲烷菌数量和潜在活性的影响

基于稻田中氮肥配施生物炭的田间定位试验,研究了施用生物炭与氮肥对旱季稻田土壤理化性质、甲烷氧化与产生潜势及甲烷氧化菌和产甲烷菌丰度的影响。田间试验共设置5个处理：单施生物炭、单施氮肥、氮肥配施生物炭（生物炭设置两个水平）以及对照。结果表明：施用生物炭三年后显著提高了有机碳和微生物生物量碳含量（p﹤0.05）,与单施氮肥处理相比,氮肥配施生物炭后可显著提高土壤pH。与对照相比,单施生物炭显著提高土壤甲烷氧化潜势。在施氮条件下,甲烷氧化潜势与生物炭施用量之间存在正相关关系,与氮肥配施20 t hm-2处理相比,40 t hm-2生物炭处理甲烷氧化潜势增长53.8%。氮肥配施高倍生物炭与配施低倍生物炭处理相比产甲烷潜势由0.001提高至0.002 mg kg-1 h-1;氮肥施用一定程度上抑制了甲烷氧化菌数量的增长,单施氮肥处理中产甲烷菌数量较对照处理显著增加了3.0%;单施或配施低水平生物炭显著增加土壤甲烷氧化菌数量。氮肥显著降低了甲烷氧化菌与产甲烷菌基因丰度比（pmoA/mcrA）。而在同氮肥水平下施加生物炭显著增加了土壤pmoA/mcrA比值,即生物炭对甲烷氧化菌的促进作用显著高于产甲烷菌,提高了旱季稻田土壤的甲烷氧化能力,因此有助于减少稻田土壤甲烷的排放。     

不同施氮水平对水稻土氮素供应和烤烟氮素吸收积累的影响

采用大田试验研究分析了凉山州植烟水稻土在不同施氮水平下的无机氮供应动态、烟株干物质积累、烟株对氮素的吸收分配规律以及烤后烟叶品质的差异。结果表明:施氮对土壤无机氮的影响持续到移栽后13周,随施氮量的增加土壤无机氮浓度升高,各处理无机氮供应高峰出现在移栽后7周和13周;各施氮处理烟株干物质积累均显著高于不施氮处理,说明施氮可以促进前期烟株根系的发育;施氮显著提高了各时期烟株中氮素的含量,尤其表现在移栽后9~11周,施氮75 kg/hm~2处理烟株氮积累量显著高于施氮45 kg/hm~2处理,但施氮105 kg/hm~2处理积累量与施氮75 kg/hm~2处理差异不大。综合感官评吸结果,本研究认为供试水稻土施氮量以75 kg/hm~2较为适宜。     

Effects of N sources and methane concentrations on methane uptake potential of a typical coniferous forest and its adjacent orchard soil

After removal of the above-ground plant debris three different soil layers were taken from a typical coniferous forest and its adjacent orchard in Numata City, Japan. The potentials of soil CH₄ uptake at two initial CH₄ concentrations were studied under aerobic conditions in the laboratory, along with inhibition of soil CH₄ oxidation by urea-N or KNO₃-N addition. Due to long-term N inputs, the CH₄ uptake of the upper mineral layer of the orchard soil was 25.4% and 87.7% lower than that of the surface forest soil at 2.4 and 12.6 l l^–1 CH₄, respectively. Methane uptake of the forest soil decreased with increasing soil depths at two CH₄ levels. However, maximal CH₄-consuming activity occurred in the 9- to 23-cm depth of the orchard soil at 12.6 l l^–1 methane. Nitrogen additions in the form of KNO₃ or urea at the rate of 200 g N g^–1 soil substantially reduced soil CH₄ uptake in the upper and sub-surface mineral layers at both sites, except that the addition of KNO₃-N had no apparent inhibitory effect on the CH₄ uptake in the 9- to 23-cm depth of the orchard soil. A strong inhibitory effect of NO₃^– addition on the CH₄ uptake, in contrast to NH₄⁺, occurred in the surface forest soil. The use of KNO₃-N, as compared to urea or urea plus a nitrification inhibitor (dicyandiamide), resulted in a lower potential to cause inhibition of CH₄ oxidation in the 0- to 23-cm depth of the orchard soil.     

施用生物炭对农田土壤氮素转化关键过程的影响

生物炭作为一种土壤改良剂,施入土壤后不仅能有效改善土壤结构,提高土壤对营养元素的吸附能力,还可减少温室气体的排放,增强生物固氮能力,因此在农业生产和缓解气候变化方面有着巨大的应用前景。生物炭的输入将直接影响农田土壤氮素的循环和转化,本文结合国内外大量文献,综合分析总结了施用生物炭对土壤氮素转化过程的影响,重点从生物炭对土壤氮素矿化、氮素损失以及硝化、反硝化作用和生物固氮过程的影响过程展开阐述。并在此基础上,提出今后应加强生物炭对氮素转化的作用机理及对环境的长期正负效应研究,特别是对相关微生物群落的多样性、丰度以及土壤酶活性方面的研究,同时提出相关研究应建立在统一的生物炭标准之上,以明确区分生物炭的作用效果及其作用机制。     

Effects of nitrogen input and grazing on methane fluxes of extensively and intensively managed grasslands in the Netherlands

 Generally, grasslands are considered as sinks for atmospheric CH₄, and N input as a factor which reduces CH₄ uptake by soils. We aimed to assess the short- and long-term effects of a wide range of N inputs, and of grazing versus mowing, on net CH₄ emissions of grasslands in the Netherlands. These grasslands are mostly intensively managed with a total N input via fertilisation and atmospheric deposition in the range of 300–500 kg N ha^–1 year^–1. Net CH₄ emissions were measured with vented, closed flux chambers at four contrasting sites, which were chosen to represent a range of N inputs. There were no significant effects of grazing versus mowing, stocking density, and withholding N fertilisation for 3–9 years, on net CH₄ emissions. When the ground-water level was close to the soil surface, the injection of cattle slurry resulted in a significant net CH₄ production. The highest atmospheric CH₄ uptake was found at the site with the lowest N input and the lowest ground-water level, with an annual CH₄ uptake of 1.1 kg CH₄ ha^–1 year^–1. This is assumed to be the upper limit of CH₄ uptake by grasslands in the Netherlands. We conclude that grasslands in the Netherlands are a net sink of CH₄, with an estimated CH₄ uptake of 0.5 Gg CH₄ year^–1. At the current rates of total N input, the overall effect of N fertilisation on net CH₄ emissions from grasslands is thought to be small or negligible. Received: 27 January 1998     

氮水平对桤木属幼苗根系形态及氮累积利用影响

采用温室沙培试验,通过不同浓度氮处理,研究红桤木、喜马拉雅灰桤木、欧洲桤木和灰桤木4种国外引种的桤木属幼苗对不同氮水平的响应差异,分析了氮胁迫对桤木属幼苗根系形态和氮累积利用的影响.结果表明:随着氮水平(N0、N1/2、N1(标准E.G.Bollard营养液)、N2)的增加,各桤木属植物的生物量、氮累积量和根长、根体积、根表面积、须根数等生长参数均呈先增后降的趋势,且在N1/2水平中各参数值最大;细根比例及氮利用效率、氮利用率均呈持续下降趋势.参试的4种桤木中欧洲桤木、红桤木的生物量、氮累积量、根系形态参数均较高,且在N1/2时氮利用率较高,分别为44.57％、40.14％,具有在我国长江中下游地区作为生态防护和短周期工业用材树种推广应用潜力;灰桤木和喜马拉雅灰桤木各生长参数均较低,不宜推广.试验结果也表明尽管桤木属植物具有一定的固氮能力,但在低地力河滩沙地、丘陵等地区集约化经营中仍需采取一定施肥措施.