微生物介导的氮循环过程研究进展

氮素是控制大多数陆地生态系统中植物生长和初级生产的关键限制性营养元素,氮循环是生态系统元素循环的核心之一,随着生物地球化学循环研究方法与分子生态学技术的广泛应用,极大的推进了对氮循环的研究,使得对氮循环的机制和过程有了重新的认识。本文从氮循环的4个关键环节（固氮作用、硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用）入手,介绍了每个过程的研究进展,同时,展望了未来氮循环的研究方向,以期为氮循环关键过程的了解和氮素的管理与调控提供理论依据。     

Meta分析放牧对中国草地土壤氮素矿化和硝化作用的影响

氮素矿化和硝化作用对草地土壤氮素转化过程具有重要影响。放牧干扰影响草地土壤氮素矿化和硝化作用。本研究基于Meta分析方法，对已开展的59个放牧影响中国草地土壤氮素矿化作用、55个放牧影响中国草地土壤氮素硝化作用影响的试验结果进行整合分析。结果表明：放牧降低草地土壤氮素矿化、硝化作用，平均效应值分别为—0.09和—0.08,降幅分别为8.61%和7.69%,但均未达到显著性检验水平；不同放牧强度对草地土壤氮素矿化作用和硝化作用平均效应值的影响呈现出轻度放牧>重度放牧>中度放牧；土壤全氮含量显著影响矿化作用平均效应值，可解释4.91%的效应值变异；土壤有机碳和全氮含量显著影响硝化作用平均效应值，分别可以解释18.35%和19.17%的效应值变异。本研究旨在为明晰放牧草地氮素循环提供理论基础。     

草地硝化微生物与硝化作用研究进展

摘要:硝化作用是氮素在土壤中的重要转化过程,研究硝化作用是提高氮素利用效率,合理施用氮肥的重要基础。硝化作用一般分为两类,即自养硝化和异养硝化。自养硝化由氨氧化细菌和亚硝酸氧化菌两步完成,异养硝化由异养硝化菌完成。家畜尿液中存在大量氮,尿斑处较高的含氮量能提高土壤硝化活性,从而给硝化细菌生长提供有利条件。与禾本科植物相比,豆科植物的固氮作用能提升土壤中铵有效性,使土壤硝化强度提高。火烧和土壤pH值对硝化作用的影响还未取得一致结论。除反硝化作用能产生N2O外,硝化作用也是产生N2O的重要途径;放牧促进硝化作用的同时也增加N2O排放。随着草地硝化作用研究的深入,提出了几项有待深入研究的科学问题。     

氮沉降影响草地生态系统土壤氮循环过程的研究进展

人类活动及化石燃料应用的加剧增加了大气中的氮沉降，对陆地生态系统氮素循环过程造成了显著影响，从而影响生态系统生产力及稳定性。草地作为陆地生态系统的重要组成部分，常因为人们的过度利用及保护意识不强，造成资源损失、养分失衡，严重限制了畜牧业的发展。探究氮沉降对草地生态系统氮循环的影响对提高草地生产力，合理开发与利用草地资源具有重要意义。通过追踪国内外已有的研究成果发现，大部分氮添加抑制了生物固氮过程，促进了土壤的硝化作用、反硝化作用和矿化作用，并抑制了固氮微生物活性，增加了硝化功能微生物氨氧化细菌（AOB）、反硝化微生物功能基因nirK、nirS、narG、nosZ的丰度。但是因为草地本底氮营养差异及施氮措施的不同导致少数研究中土壤氮循环对氮沉降的响应出现不同结果。通过总结已有研究发现：1）土壤本底营养及氮吸收阈值的不同造成氮沉降对氮循环的影响存在差异；2）微生物作为土壤氮素循环的重要参与者，对不同施氮时间、频率、数量等的响应存在差异；3）土壤中氮循环的各环节紧密耦联，相互影响，但现有的研究大多只针对某一环节开展，研究结果不具有全面性。因此，在未来的研究中，应针对不同营养水平的草地，加强氮控制条件下土壤氮循环微生物变化的研究，关注多环节的耦联关系，对于提高草地生态系统功能，并减轻氮素损失对环境造成的威胁意义重大。     

氮素添加对土壤呼吸影响的研究进展

碳、氮循环是陆地生态系统化学循环和能量流动的两大重要过程,二者紧密相连;土壤呼吸是陆地碳循环的重要过程,也是陆地生态系统与大气之间进行交换的主要途径。由于施肥等人为因素导致了陆地生态系统氮素的增加。不同陆地生态系统对这一过程做出了不同的响应。综述了不同生态系统土壤呼吸对模拟氮沉降的响应方式和机理,分析了氮素添加对土壤呼吸影响的不确定性,并在此基础上对未来研究方向进行了探讨和展望。     

冻融与氮输入对草地土壤氮转化和氧化亚氮排放的影响

冻融通过改变土壤理化和生物学特性成为影响土壤氮转化及N₂O排放的重要因素。冻融期外源氮输入将进一步改变土壤氮素有效性，从而可能对土壤氮转化过程及N₂O排放产生更为复杂的影响。但关于土壤冻融与氮输入耦合作用对草地土壤氮转化和N₂O排放的影响效应和作用机制尚不清楚。本文系统论述了冻融作用、外源氮输入以及两者耦合作用的特性及其影响下的草地土壤氮转化和N₂O排放特征，指出土壤冻融格局与氮转化过程关系密切，春季冻融期是N₂O排放的关键期，对全年N₂O排放具有重要贡献。冻融频次增加、冻结强度增大以及冻结持续时间延长有利于土壤氮矿化速率加快。氮输入通过增加土壤氮素供应，增强微生物活性进而促进氮的矿化、硝化及N₂O排放。冻融与外源氮的耦合效应具有复杂性，气候条件、冻融格局、以及外源氮含量和类型等的不同易导致草地土壤氮转化和N₂O排放通量的差异性响应。研究结论有助于加深关于土壤冻融与氮输入对草地生态系统氮素生物地球化学循环影响效应...     

2010 − 2020年草地土壤氮循环研究现状与发展趋势

氮素是蛋白质、核酸、叶绿素等物质的主要组成成分,是限制生态系统功能的主要因子;氮循环作为土壤生态系统元素循环的核心之一,将草地生态系统与社会、环境联系起来,尤其是氮的投入对于草地生产力的高低至关重要。但是,土壤氮素的损失会降低环境质量、影响人类生活。因此,研究草地土壤氮循环对维持草地生态系统的结构和功能、促进人与自然和谐共生具有重要意义。本文基于Citespace软件,对Web of Science核心合集数据库2010 ? 2020年草地土壤氮循环方面文献进行计量分析。结果表明,国内外在氮循环方面的研究呈不断上升趋势,国内外研究需进一步加强合作以提高文章质量。此外,本文系统综述了生物因子(植物、微生物)、人类活动(放牧、火烧、开垦、刈割等)和非生物因子(大气氮沉降、增温与CO2浓度升高、降水)对草地土壤氮循环过程的影响。基于上述背景,对未来亟待研究的问题进行探讨和展望,提出要注重全球变化因子耦合作用下,对草地土壤氮循环区域尺度上的长期研究,完善氮循环模型,实现草地的可持续发展。     

2010−2020年草地土壤氮循环研究现状与发展趋势

氮素是蛋白质、核酸、叶绿素等物质的主要组成成分,是限制生态系统功能的主要因子;氮循环作为土壤生态系统元素循环的核心之一,将草地生态系统与社会、环境联系起来,尤其是氮的投入对于草地生产力的高低至关重要.但是,土壤氮素的损失会降低环境质量、影响人类生活.因此,研究草地土壤氮循环对维持草地生态系统的结构和功能、促进人与自然和谐共生具有重要意义.本文基于Citespace软件,对Web of Science核心合集数据库2010?2020年草地土壤氮循环方面文献进行计量分析.结果表明,国内外在氮循环方面的研究呈不断上升趋势,国内外研究需进一步加强合作以提高文章质量.此外,本文系统综述了生物因子(植物、微生物)、人类活动(放牧、火烧、开垦、刈割等)和非生物因子(大气氮沉降、增温与CO2浓度升高、降水)对草地土壤氮循环过程的影响.基于上述背景,对未来亟待研究的问题进行探讨和展望,提出要注重全球变化因子耦合作用下,对草地土壤氮循环区域尺度上的长期研究,完善氮循环模型,实现草地的可持续发展.     

氮循环及植物对氮素吸收特点

氮是植物需求量最大的矿质营养元素,是植物正常生长发育所必需的营养元素之一,同时,氮又是农业生产和生态系统生长发育最受限制的营养元素之一。植物对氮素的选择和吸收利用均受其种类本身、生长环境、氮素形态等多因素的影响。本文就生态系统中氮素循环及植物对氮素吸收利用特点进行了综述和讨论,并结合国内外在该领域的研究现状对其研究前景进行了展望。     

地下生态系统中氮素的循环及影响因素

氮素是陆地生态系统初级生产力的主要限制因子之一。地下生态系统中绝大部分氮素以不溶的聚合物形式存在,不能直接被植物吸收,因此其转化为可吸收的离子氮的生态过程受到人们越来越多的关注。本文主要综述了土壤生物与非生物两个自然因素在地下生态系统氮素循环过程中发挥的重要作用。土壤生物通过自身代谢和分泌各种酶类来加速各种形态氮素相互转化;植物根系可以通过影响土壤物理结构和分泌大量有机物质,实现与地下生态系统氮素循环之间的"相互交流";而由于生物生存与环境因子有直接联系,二者之间的相互作用也对土壤氮素循环起着特殊作用。目前,由于土壤生物种类繁多、营养流通途径复杂、分子生物学实验技术较昂贵以及在全球气候变化背景下对许多自然规律的响应变化认识有限,因此,尚不能完全在分子水平形成一张氮素在地下生态系统的流通网络图,这应该成为今后相关研究工作的方向和重点。     

草地生态系统氮循环关键过程对全球变化及人类活动的响应与机制

氮(N)是蛋白质、核酸、酶、激素、叶绿素等物质的主要组成部分,对生态系统结构的组成和功能的发挥具有十分重要的影响。国际地圈与生物圈计划(IGBP)以及政府间气候变化委员会(IPCC)的许多大型研究计划均把氮素循环过程作为其核心研究内容。草原生态系统作为地球上宝贵的自然资源,其功能的发挥对于维持全球及区域性生态平衡有极其重要的作用。但迄今为止,对草地氮循环关键过程及其对全球变化(CO₂浓度升高、温度与降水变化、氮沉降)以及人类活动(放牧、开垦、火烧等)响应与反馈的认知远不及对草地碳循环过程那么系统与深入,迫切需要开展相关领域系统的科学试验研究。本文综述了目前国内外全球变化和人类活动因子对草地氮循环过程影响的相关研究成果,分析了其主要影响途径以及关键机制,在此基础上对目前研究中存在的不足进行了剖析,并对未来研究中迫切需要关注的重点研究方向进行了探讨与展望。     

生化他感效应对土壤氮素影响的研究

通过细叶亚菊挥发油及其组分对土壤反硝化作用影响的研究，表明细叶亚菊挥发油及其组分中的樟脑精对土壤的氮素损失有明显的促进作用，说明细叶亚菊入侵垂穗披碱草人工草场，加速了土壤的氮素损失。     

生物硝化抑制剂(BNI)在提高农业生产系统中氮利用率方面的研究进展

施肥是提高农业生产率的主要手段之一,提高氮肥利用率是化肥施用的核心问题之一。硝化和反硝化作用引起的硝态氮淋失和一氧化二氮(N2O)排放是氮肥利用率低的主要原因,N2O是一种导致全球气温急剧升高的温室气体。生物硝化抑制是指从植物根部释放具有抑制硝化作用的天然化合物的能力,释放的天然化合物称为生物硝化抑制剂(biological nitrification inhibitor,BNI),其特异性抑制土壤硝化中微生物的活性。生物硝化抑制剂可显著提高水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)等作物产量5%~10%,可使玉米对氮素的利用率提高3.1%,还能减少温室气体N2O的排放;与不产生BNI的植物相比,其释放的N2O降低量可达90%。臂形草(Brachiaria humidicola)释放的名为“brachialactone”的BNI在其抑制硝化过程中抑制效果占总抑制作用的60%~90%。综上可知,生物硝化抑制剂在抑制硝化作用、提高氮素利用率及作物产量、减少温室气体排放等方面起着重要的作用。本文综述了已知释放生物硝化抑制的植物和能够抑制土壤硝化作用的植物,并进一步讨论了生物硝化抑制在农业系统中的重要作用。     

植物对有机氮源的利用及其在生态系统中的意义

氮是植物生长发育的必需营养元素,也是其主要的限制因子之一。陆地生态系统植物的氮需求量来源及植物对氮素的吸收利用均受控于其种类和生长环境。环境条件的改变,一方面可能改变了植物生长区原有的氮形态、浓度、赋存方式等,从而改变氮对植物的供给状况;另一方面可能引起植物生长区域土壤质量、水分利用状况、光照等的改变,产生耦合现象,从而直接影响植物的生理生态特性,使植物对氮素的吸收利用发生了改变,导致植物生长区的种群类型及物种多样性发生改变,并直接影响到生态系统的功能及演替。本文主要对生态系统中植物生长发育所需氮素的来源及植物对氮素吸收利用过程中的影响因素进行了综述和讨论,并结合国内外在该领域的研究现状对其研究前景进行了展望。     

施肥对羊草草原土壤氮素转化的影响

施肥是常用的草地管理方式之一,对维持草地生产力和草地生态系统健康至关重要。本文以河北沽源羊草草原为对象,设置了5种施肥处理,研究了施肥对半干旱羊草草原土壤氮素形态及转化特征的影响。结果表明:在牧草整个生长季,氮磷配施处理土壤铵态氮和硝态氮含量低于相应的单施氮肥处理。氮肥施入改变了草地土壤氮矿化模式。在5-8月氮素添加各处理的土壤硝化作用强烈,明显高于其他处理,氮素添加处理土壤净氮矿化量在5-7月较大,其矿化量占整个生长季的57.58%~68.97%。土壤铵态氮含量与土壤硝态氮含量、净硝化量、净矿化量、土壤温度和土壤水分均存在显著正相关关系(P<0.05),土壤硝态氮含量与土壤温度有极显著正相关关系(r=0.491,P<0.01)。高氮添加处理增加了硝态氮淋溶损失和污染环境的风险。     

植物根系氨吸收过程的研究进展

氮对植物的生长发育有着重要的作用,氮素也是植物根系从土壤中吸收最多的元素之一。因此,了解根系吸收氮素的机理和过程对检测生态系统的结构与功能有着重要的意义。土壤中的氮大体上可分为无机态和有机态两大类,植物能够吸收的有机态氮主要是氨基酸,而植物能够吸收利用的无机态氮主要是NO3-和NH4+。本研究较全面地总结了植物根系对氮的吸收和调控的机理,并在此基础上对该方面的研究进行了展望。     

植物根系氮吸收过程的研究进展

氮对植物的生长发育有着重要的作用,氮素也是植物根系从土壤中吸收最多的元素之一。因此,了解根系吸收氮素的机理和过程对检测生态系统的结构与功能有着重要的意义。土壤中的氮大体上可分为无机态和有机态两大类,植物能够吸收的有机态氮主要是氨基酸,而植物能够吸收利用的无机态氮主要是NO3-和NH4+。本研究较全面地总结了植物根系对氮的吸收和调控的机理,并在此基础上对该方面的研究进行了展望。     

不同利用方式对内蒙古羊草草原氨氧化微生物丰度的影响

草地利用方式变化会显著改变草地的氮素循环,进而影响草原生态系统功能。土壤硝化作用是土壤氮素循环的重要环节,由氨氧化微生物驱动的氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,在土壤氮素可利用性等方面起着关键作用。目前,土壤氨氧化微生物对于羊草（Leymus chinensis）草原利用方式变化响应的研究仍然欠缺。本研究应用定量PCR的方法,对内蒙古羊草草原不同利用方式（放牧和围封）下氨氧化微生物丰度及其与硝化潜势的关系进行研究。结果表明：放牧和围封样地的氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea,AOA）丰度均明显高于氨氧化细菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria,AOB）丰度,土壤AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度范围分别为每克干土（1.82~3.40）×10⁸个拷贝数和（1.05~1.17）×10⁶个拷贝数;长期围封后,AOA丰度显著下降,下降了46.5%,AOB丰度则无显著变化;长期围封后,羊草草原的硝化潜势显著降低,硝化潜势与AOA丰度呈显著正相关关系,与AOB丰度没有显著性相关。与AOB相比,AOA丰度对于草地利用方式的改变更敏感,可能是影响土壤硝化潜势的优势种群。该研究为理解内蒙古羊草草原硝化过程的微生物机制提供科学依据。     

菊科植物改变土壤氮素的可利用性

生物入侵破坏入侵地生态系统的群落结构和稳定性、阻碍农林牧渔业生产、危害人类健康。我国已成为外来生物入侵最严重的国家之一，现有402种入侵植物。菊科、豆科、禾本科构成我国外来入侵植物的主体，其中菊科入侵植物约有107种，广泛分布于我国各省(区)。菊科入侵植物因其独特的生物学特性(如生长发育快、成熟早、种子产量高且易于传播等)而具有高度的入侵性。本文综合分析了国内外38篇共211个关于菊科入侵植物对土壤氮素含量影响的案例。结果发现，菊科植物入侵后，85%以上的案例中土壤总氮、铵态氮、硝态氮等氮素含量显著(P <0.05)增加，其中紫茎泽兰(Ageratina adenophora)对土壤氮素含量的影响最大。菊科植物入侵可通过释放化感物质、分解凋落物和改变土壤氮循环微生物种类和数量来改变土壤氮素含量，从而对本地生态系统的氮养分资源造成极大影响。土壤氮是限制植物生长的最主要因素，通过研究菊科入侵植物对土壤氮素含量的影响能帮助理解土壤氮在入侵过程中的重要作用，促进完善外来植物的入侵机制。     

氮输入对土壤甲烷产生、氧化和传输过程的影响及其机制

随着人为氮输入的增加,外源氮成为影响土壤甲烷产生、氧化和传输过程的重要因素。土壤甲烷排放受氮素有效性的调节,氮输入会改变土壤初始环境和甲烷排放规律,最终影响甲烷排放量。综述了氮输入对土壤甲烷产生、氧化和传输过程的影响及机制。研究表明,1)氮输入对甲烷排放通量的影响存在促进、抑制和不显著3种情况,这主要是甲烷产生、氧化和传输过程的变化引起的;2)氮输入对甲烷产生过程的影响受产甲烷底物和产甲烷微生物活性的控制,氮输入通过增加土壤有机碳的含量为甲烷产生提供了丰富的底物,同时底物理化性质和植被覆盖度的变化使得这种影响复杂化,氮输入既可促进又可抑制产甲烷菌的活性,并且这种作用受氮形态的影响;3)氮输入对甲烷氧化过程的影响主要是通过刺激或抑制甲烷氧化菌的活性实现的,氮形态的不同也使得这种变化更为复杂;4)氮输入对甲烷传输过程的影响主要受植物通气组织的数量以及传输效率的控制,并且在不同生态系统这种控制作用差异较大。综上所述,氮输入对土壤甲烷产生、氧化和传输过程的影响及机制具有明显的复杂性和不确定性,今后研究中应综合考虑氮输入对甲烷排放关键过程的影响,并侧重于探讨氮输入对相关微生物群落结构、丰度和活性的影响,同时注重对各个生态系统的协同研究,确定氮输入影响下各个生态系统对全球甲烷排放的贡献率。