氮素浓度和水分对水稻土硝化作用和微生物特性的影响

为了明确不同氮素浓度和水分对土壤硝化作用和微生物特性的影响,特别是高氮素浓度下的响应特异性,以红壤水稻土为供试土壤,设置4个硫铵用量水平[0(CK)、120 mg(N).kg-1(A1)、600 mg(N).kg-1(A2)、1 200 mg(N).kg-1(A3)],调节土壤水分为饱和持水量(WHC)的40%、60%和80%,研究了短期内不同氮素浓度和不同水分条件下土壤硝化作用、微生物生物量碳和微生物功能多样性的变化。结果表明:在40%、60%和80%WHC水分条件时,硫铵A2、A3浓度处理土壤硝化率和硝化速率普遍较低,硫铵A1浓度处理硝化率和硝化速率随土壤含水量的升高而升高;同含水量时随硫铵用量的升高而显著降低。在40%、60%和80%WHC水分条件时,微生物生物量碳随硫铵浓度的升高而降低;同浓度硫铵用量水平时,微生物生物量碳的变化基本表现为:60%WHC80%WHC40%WHC。分析发现不同水分和硫铵处理之间存在交互作用。BIOLOG分析显示:不同氮素浓度和不同水分处理,60%WHC下A1处理的平均吸光值(AWCD)和Shannon、Simpson、McIntosh指数最大,其次为60%WHC的硫铵CK处理,而不同水分下硫铵A2、A3处理,其AWCD值和Shannon、Simpson、McIntosh多样性指数都较低,进一步说明过量施肥导致微生物活性降低。不同氮素浓度和水分条件下土壤微生物和生化性状不同,过量施用化肥后将有可能造成土壤微生物性状和生化功能衰减。     

生物复混肥对土壤微生物群落功能多样性和微生物量的影响

在温室盆栽条件下,采用Biolog微平板法和氯仿熏蒸浸提法,研究了玉米施用等养分量的无机肥、有机无机复混肥和生物复混肥后土壤微生物群落功能多样性及土壤微生物量的变化。结果表明:生物复混肥处理的土壤微生物平均颜色变化率(AWCD)、微生物群落Shannon指数(H)和微生物群落丰富度指数(S)均最高;施用生物复混肥可明显提高土壤微生物对碳源的利用率,尤其是多酚化合物类和糖类;不同处理土壤微生物碳源利用特征有一定差异,生物复混肥在第1主成分上的得分值为正值,其他各处理在第1主成分上的得分值基本上为负值,起分异作用的主要碳源是糖类和羧酸类。在玉米生长期间各处理土壤微生物量大致呈先升高后逐渐平稳的趋势,且土壤微生物量碳、氮、磷的含量均以生物复混肥处理最高,最高值分别为333.21mg.kg 1、53.02 mg.kg 1和22.20 mg.kg 1。研究表明,生物复混肥的施用比等养分量的有机无机复混肥处理能显著提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落丰富度和功能多样性,显著增加土壤微生物量碳、氮、磷的含量,有利于维持良好的土壤微生态环境。     

模拟氮沉降对杉木人工林(Cunninghamia lanceolata)土壤酶活性及微生物群落功能多样性的影响

在杉木人工林中开展模拟氮沉降试验,设计N0(对照)、N1(N 60 kg/(hm2.a))、N2(N 120 kg/(hm2.a))和N3(N 240 kg/(hm2.a))等4个氮沉降水平。通过连续7年的处理后,研究了外加氮源对土壤酶活性及群落功能多样性的影响。相同氮沉降处理下,参与土壤碳循环的6种主要酶(蔗糖酶、纤维素酶、淀粉酶、β-葡糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化物酶)活性、土壤微生物群落碳源利用能力和多样性指数与均匀度指数均随土层加深而降低。氮沉降对纤维素酶和多酚氧化酶具有促进作用,而对淀粉酶和过氧化物酶表现出一定的抑制作用;中?低氮沉降(N1、N2)对蔗糖酶无影响,而对β-葡糖苷酶具有促进作用,高氮沉降(N3)促进了蔗糖酶活性,但抑制了β-葡糖苷酶活性。各土层中,低氮处理(N1)促进了微生物群落碳源利用能力和多样性指数与均匀度指数的增加,而中?高氮处理(N2、N3)则呈抑制作用。主成分分析表明,土壤微生物群落利用的主要碳源为碳水化合物和羧酸,不同氮沉降处理碳源利用类型存在差异。因此,氮沉降促进了表层土壤纤维素酶、多酚氧化酶和蔗糖酶的活性,但在一定程度上抑制了淀粉酶、过氧化物酶和β-葡糖苷酶活性;氮沉降增加改变了杉木人工林土壤微生物群落的功能多样性。     

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。     

氯甲基吡啶对滴灌棉田土壤微生物群落功能多样性的影响

已知硝化抑制剂氯甲基吡啶能有效抑制土壤硝化,减少氮的淋洗和硝化-反硝化损失,促进作物对氮素的吸收,但是其对干旱区滴灌条件下土壤微生物群落功能多样性的影响尚不明确。本试验研究了尿素添加氯甲基吡啶(Nitrapyrin)分次随水滴施对干旱区滴灌棉田土壤微生物碳代谢和群落功能多样性的影响。试验采用随机区组设计,设置不施氮肥[CK,0 kg(N)·hm~(-2)]、单施尿素[Urea,225 kg(N)·hm~(-2)]和尿素添加氯甲基吡啶[Urea+nitrapyrin,225 kg(N)·hm~(-2)+2.25 kg(nitrapyrin)·hm~(-2)]3个处理,重复4次,采用Biolog-ECO法进行土壤微生物碳代谢和功能多样性研究。结果表明:与不施氮肥(CK)相比,施用尿素和尿素添加氯甲基吡啶均能显著提高土壤微生物对31种碳源的代谢能力(AWCD)和代谢强度(S)(P0.05),增加土壤微生物多样性和丰富度(Shannon指数、Simpson指数、Mc Intosh指数和Richness指数)以及对各类碳源的利用能力。尿素添加氯甲基吡啶随水滴施后,土壤微生物AWCD值、碳代谢强度、Shannon指数、Simpson指数、Mc Intosh指数以及Richness指数均大于单施尿素处理,且较单施尿素处理分别提高13.83%、9.33%、1.29%、1.34%、11.26%、11.79%(P0.05),均匀度指数则低于单施尿素处理(P0.05)。PCA和聚类分析结果表明,施用尿素和尿素添加氯甲基吡啶对土壤微生物群落功能多样性均产生了显著影响,但尿素添加氯甲基吡啶与单施尿素处理差异不显著;氯甲基吡啶的添加提高了土壤微生物对聚合物、酚酸、羧酸、氨基酸以及胺类的利用,降低了对碳水化合物的利用(P0.05)。上述研究结果得出,在干旱区滴灌棉田,尿素添加氯甲基吡啶分次随水滴施可调控土壤的微生态环境,在一定程度上提高土壤微生物的代谢能力,增加微生物群落功能多样性,缓解因长期施用无机氮肥导致的土壤微生物活性的降低。     

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。     

近地层臭氧浓度升高对稻田土壤微生物群落功能多样性的影响

利用中国臭氧FACE(Free-Air O3 Concentration Enrichment,开放式空气臭氧浓度增高)试验平台,研究了近地层臭氧浓度升高条件下,2009年和2010年的稻田土壤微生物功能多样性的响应规律。结果发现,1.5倍当前臭氧浓度下稻田土壤水溶性有机碳含量从100.0～110.9μg g-1降低至81.3～94.5μg g-1。臭氧浓度升高下BIOLOG平均吸光值(AWCD)有低于对照的趋势。多样性指数结果表明,臭氧浓度升高50%对稻田土壤微生物丰富度、优势度及均一度无显著影响。2010年碳源底物利用的主成分分析显示,1.5倍当前臭氧浓度下稻田土壤微生物对碳源底物的利用方式发生变化。本研究揭示近地层臭氧浓度升高可能对稻田土壤微生物产生积累效应,并通过微生物碳源底物有效性的改变最终影响土壤微生物的功能多样性。     

外源芘的添加对水稻土微生物群落多样性的影响

采用磷脂脂肪酸(PLFA)生物标记法和聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,研究了外源芘的添加对土壤中微生物群落结构和遗传多样性的影响。结果表明,在培养1~15d内,添加芘的土壤中脂肪酸总量高于未添加芘的对照组;而培养30d时,添加芘的土壤中脂肪酸总量低于对照组。芘的添加增加了土壤中真菌、放线菌和革兰氏阴性菌的脂肪酸含量,减少了革兰氏阳性菌的脂肪酸含量,并改变了土壤中细菌群落的遗传多样性。多样性指数在培养15d时最低,而到培养30d时达到最大值,其变化可能与土壤中外源芘的降解有关。     

退化喀斯特植被恢复对土壤微生物数量及群落功能多样性的影响

采集不同恢复阶段的土壤样品,采用微生物培养法研究了退化喀斯特植被恢复对土壤微生物数量、群落功能多样性的影响。研究结果表明随着退化喀斯特植被的恢复,土壤微生物数量增加,表现为乔木群落阶段灌木群落阶段草本群落阶段裸地阶段。土壤微生物群落代谢功能分析表明:植被恢复往往导致较高的平均颜色变化率、物种丰富度和功能多样性。乔木群落阶段的平均诱导底物利用率最高,明显地与其他3个恢复阶段不同。总之,植被恢复使得土壤微生物数量增加,碳源平均利用率增强。因此,创造了更好的土壤条件更有利于退化喀斯特植被的恢复。     

添加木醋液对沙地土壤微生物生物量和酶活性的影响

[目的]探讨沙地添加木醋液后土壤微生物生物量和酶活性的变化,为沙地土壤生物学质量的改良提供理论依据。[方法]采用盆栽植草培养法,以添加自来水为对照,对沙地添加不同稀释倍数(200,150,100,50,20)木醋液后的土壤可溶性有机碳、氮和酚,土壤微生物生物量碳氮以及土壤酶活性进行研究。[结果]向沙土添加木醋液可以显著降低土壤pH值,显著提高土壤易氧化碳、土壤水溶性碳氮、土壤可溶性酚以及无机氮的含量。在添加木醋液稀释高于50倍范围内,随木醋液稀释倍数降低,土壤微生物生物量碳氮增加以及β-糖苷酶、碱性磷酸酶和脱氢酶活性提高。添加稀释20倍的木醋液,导致土壤微生物生物量碳氮以及β-糖苷酶、碱性磷酸酶和脱氢酶活性有所降低。在高于20的稀释倍数范围内,随着施用木醋液稀释倍数的降低,α-糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、酸性磷酸酶和酚氧化酶的活性有显著增加的趋势。[结论]添加不同稀释倍数的木醋液会影响沙地土壤微生物生物量和酶活性。     

Impact of land-use types on soil nitrogen net mineralization in the sandstorm and water source area of Beijing,China

Changes of land-use type (LUT) can affect soil nutrient pools and cycling processes that relate long-term sustainability of ecosystem, and can also affect atmospheric CO₂ concentrations and global warming through soil respiration. We conducted a comparative study to determine NH₄⁺ and NO₃⁻ concentrations in soil profiles (0–200 cm) and examined the net nitrogen (N) mineralization and net nitrification in soil surface (0–20 cm) of adjacent naturally regenerated secondary forests (NSF), man-made forests (MMF), grasslands and cropland soils from the windy arid and semi-arid Hebei plateau, the sandstorm and water source area of Beijing, China. Cropland and grassland soils showed significantly higher inorganic N concentrations than forest soils. NO₃⁻-N accounted for 50–90% of inorganic N in cropland and grassland soils, while NH₄⁺-N was the main form of inorganic N in NSF and MMF soils. Average net N-mineralization rates (mg kg⁻¹ d⁻¹) were much higher in native ecosystems (1.51 for NSF soils and 1.24 for grassland soils) than in human disturbed LUT (0.15 for cropland soils and 0.85 for MMF soils). Net ammonification was low in all the LUT while net nitrification was the major process of net N mineralization. For more insight in urea transformation, the increase in NH₄⁺ and, NO₃⁻ concentrations as well as C mineralization after urea addition was analyzed on whole soils. Urea application stimulated the net soil C mineralization and urea transformation pattern was consistent with net soil N mineralization, except that the rate was slightly slower. Land-use conversion from NSF to MMF, or from grassland to cropland decreased soil net N mineralization, but increased net nitrification after 40 years or 70 years, respectively. The observed higher rates of net nitrification suggested that land-use conversions in the Hebei plateau might lead to N losses in the form of nitrate.     

Changes in microbial community structure in soil as a result of different amounts of nitrogen fertilization

The changes in size, activity and structure of soil microbial community caused by N fertilization were studied in a laboratory incubation experiment. The rates of N fertiliser applied (KNO₃) were 0 (control), 100 and 2,000 μg N g⁻¹ soil. Despite no extra C sources added, a high percentage of N was immobilized. Whereas no significant increase of microbial C was revealed during incubation period, microbial growth kinetics as determined by the substrate-induced growth-response method demonstrated a significant decrease in the specific growth rate of microbial community in soil treated with 2,000 μg N g⁻¹ soil. Additionally, a shift in microbial community structure resulting in an increase in fungal biomarkers, mainly in the treatment with 2,000 μg N g⁻¹ soil was visible.     

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。     

长期施肥处理对玉米生长期潮土微生物生物量和活度的影响

以1989年建立的中国科学院封丘农田生态系统国家试验站的长期定位试验为平台,研究经18a连续不同施肥处理后玉米季土壤微生物生物量碳氮和微生物活度的动态变化及其与土壤有机碳之间的相互关系,并探讨施肥措施对土壤微生物及其活性的影响。施肥处理包括:(1)有机肥(OM);(2)1/2化肥和1/2有机肥(1/2OM+1/2NPK);(3)氮磷钾肥(NPK);(4)氮磷肥(NP);(5)磷钾肥(PK);(6)氮钾肥(NK);(7)不施肥,即对照(CK)7个处理。结果表明,微生物生物量碳氮和微生物活度在玉米生长期内均有明显的时间变异性,其中微生物生物量碳与微生物活度的动态变化比较一致,其间的极显著相关关系表明潮土微生物生物量碳的变化可以在很大程度上代表土壤微生物活度的变化。施肥制度显著影响微生物生物量碳氮和微生物活度的变化,总体趋势为OM1/2OM+1/2NPKNPKNPPKNKCK,表明OM有利于保持土壤的生物化学环境及促进土壤的生物学活性;与OM处理相比,化学肥料的长期施用有降低土壤微生物生物量和微生物活度的趋势,尤其是缺素处理的表现更为明显,其中以缺磷处理的表现最为严重。土壤微生物生物量碳氮、微生物活度与土壤有机碳变化均呈极显著正相关。     

不同利用方式下红壤微生物生物量及代谢功能多样性的变化

研究了不同农林利用方式下红壤微生物生物量和代谢功能多样性等土壤质量指标的变化.结果表明:不同利用方式对土壤质量各指标造成了显著的影响;稻田的微生物生物量碳、氮最高,林地和草地微生物生物量次之,旱地的微生物生物量碳、氮最低(分别是稻田利用方式的4.3% 和 13.7%);稻田的微生物代谢功能多样性最高,旱地、林地和草地的细菌代谢功能多样性较低,旱地的真菌代谢功能多样性最低;微生物生物量和代谢功能多样性可以作为反映土壤质量变化的早期敏感的指标,用来衡量管理措施的改变对土壤质量造成的影响.     

Microbial biomass and C and N transformations in forest floors under European beech, sessile oak, Norway spruce and Douglas-fir at four temperate forest sites

The purpose of this research was to compare soil chemistry, microbially mediated carbon (C) and nitrogen (N) transformations and microbial biomass in forest floors under European beech (Fagus sylvatica L.), sessile oak (Quercus petraea (Mattuschka) Lieblein), Norway spruce (Picea abies (L.) Karst) and Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii (Mirbel) Franco) at four study sites. We measured soil chemical characteristics, net N mineralization, potential and relative nitrification, basal respiration, microbial and metabolic quotient and microbial biomass C and N under monoculture stands at all sites (one mixed stand). Tree species affected soil chemistry, microbial activities and biomass, but these effects varied between sites. Our results indicated that the effect of tree species on net N mineralization was likely to be mediated through their effect on soil microbial biomass, reflecting their influence on organic matter content and carbon availability. Differences in potential nitrification and relative nitrification might be related to the presence of ground vegetation through its influence on soil NH₄ and labile C availability. Our findings highlight the need to study the effects of tree species on microbial activities at several sites to elucidate complex N cycle interactions between tree species, ground vegetation, soil characteristics and microbial processes.     

不同作用因子下有机无机配施添加DMPP对氮素转化的影响

研究不同作用因子下有机无机配施模式添加DMPP(3,4-二甲基毗唑磷酸盐)对土壤氮素形态转化的影响,为田间氮素管理和高效利用提供科学依据.采用好气恒温土壤培养试验,研究施肥用量、水分条件、环境温度、土壤类型等不同作用因子,对有机无机氮肥配施模式添加DMPP土壤氮素形态转化的影响.结果表明,60 d时,高用量有机无机配施处理比常规有机无机处理铵态氮含量提高89倍,硝态氮减少57.8％;与湿润培养相比,淹水条件下有机无机配施模式添加DMPP,60 d内土壤铵态氮含量持续增加,硝化进程受抑制更显著;60 d时15℃处理铵态氮含量较25℃处理高56倍,硝态氮含量低18倍;60 d时红壤中铵态氮含量分别是小粉土和青紫泥的30倍与31倍,而硝态氮含量仅为二者的55.7％与33.6％.25℃时青紫泥、小粉士和红壤中有机无机配施模式添加DMPP最佳抑制效果在30～ 40 d,有效作用时间可达60 d.DMPP能够明显增加有机无机配施模式土壤中铵态氮含量,有效延长铵态氮在土壤中停留的时间,使硝态氮含量长期维持在较低水平.高施肥水平有机无机配施模式下DMPP的抑制效果更突出.低温环境有利于DMPP对硝化进程的抑制.不同作用因子下,有机无机配施模式添加DMPP对氮素转化影响的深层作用机理值得进一步研究.     

Contrasting soil microbial responses to fertilizers and herbicides in a canola-barley rotation

The combination of high input costs and low commodity prices is forcing some farmers to consider reducing crop inputs like seed, fertilizer and herbicides. In a field trial in which different canola (Brassica napus L.) and barley (Hordeum vulgare L.) inputs were subtracted from a full package, or added to an empty package, we studied the effects of full or reduced fertilizer and herbicide inputs on soil microbiological characteristics at two sites from 2005 to 2008. The full package consisted of a high-yielding crop variety seeded at an optimum rate, with fertilizers and herbicides applied at recommended rates. The empty package consisted of a less expensive, low-yielding crop variety seeded at a low rate, with no fertilizer or herbicide applied. Between these two extremes were treatments in which fertilizers or herbicides were applied at 50% of recommended rates or not at all. Each treatment was repeated year after year in the same plot, i.e., treatment effects were cumulative. Fertilizer effects on soil microbial biomass C (MBC), β-glucosidase enzyme activity and bacterial functional diversity (based on community-level physiological profiles) were usually positive. Reduced fertilizer application rates reduced the beneficial fertilizer effects. Significant herbicide effects on soil microbiological properties occurred less often, were smaller in magnitude than fertilizer effects, and were mostly negative. Reduced herbicide rates reduced the deleterious herbicide effects. These significant fertilizer and herbicide effects were observed in canola more than barley, and mostly in the final year of the study, indicating the cumulative nature of treatment effects over time. Therefore, repeated applications of agricultural inputs like fertilizers and herbicides can have more significant effects on soil biology and biological processes than single applications indicate.