稻田土壤厌氧氨氧化菌群落结构对长期不同施肥的响应

研究长期不同施肥稻田土壤厌氧氨氧化微生物丰度和群落结构组成,深入认识稻田厌氧氨氧化菌对不同施肥的响应机理,可为合理施肥和理解湿地生态系统厌氧氨氧化过程提供科学依据。设置不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)、无机肥配施牛粪(NPKM)、无机肥加秸秆还田(NPKS)四个处理,采用荧光定量PCR和高通量测序对不同施肥模式下水稻土厌氧氨氧化细菌丰度和群落结构进行分析。结果发现,不同处理之间厌氧氨氧化细菌丰度具有显著差异(p0.05),表现为NPKMNPKSNPKCK,且与有机质、全氮和铵态氮含量具有显著相关性(p0.05)。高通量测序结果表明,不同施肥处理主要的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia、Candidatus Anammoxoglobus和Candidatus Scalindua,其中优势种群为Candidatus Brocadia。菌群的多样性分析表明,CK和NPKS处理的厌氧氨氧化菌群落结构多样性香农指数(Shannon index)、辛普森指数(Simpson index)和丰富度指数(Chao 1 index)显著高于NPKM和NPK处理(p0.05)。上述结果表明,长期施肥改变了厌氧氨氧化菌的数量和群落结构。有机无机肥配施更有利于提高厌氧氨氧化菌丰度。然而,不同施肥措施对厌氧氨氧化菌的多样性影响不同,无机肥加秸秆还田提高了厌氧氨氧化菌多样性,但单施无机肥和无机肥配牛粪降低了厌氧氨氧化菌多样性。厌氧氨氧化菌的数量和群落结构对不同施肥的响应不同。     

鸡粪好氧堆肥过程中氨氧化古菌群落结构的动态变化

应用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR DGGE）技术,研究了好氧堆肥过程氨氧化古菌（ammonia oxidizing archaea, AOA）的群落结构和多样性变化。结果表明,不同堆肥时期鸡粪好氧堆肥AOA菌群的群落结构发生了明显的变化。与AOA HH 2(GU2258721)亲缘关系较近的b条带(相似性96%)和未培养泉古菌属［uncultured crenarchaeote NM 152(HQ8752251)］的m条带(相似性99%)是堆肥过程一直存在的AOA菌属。条带c、 b、 f、 i和条带m、 k、 l、 n代表的种属分属两个大类。AOA群落的Shannon Weiner指数（H）、 均匀度指数（EH）均表现为第30 d＞第5 d＞第25 d第45 d＞第3 d第12 d＞第1 d第15 d。对AOA种群数据与不同时期堆体温度、 pH、 全氮、 铵态氮、 亚硝态氮和硝态氮等环境因子的冗余分析表明,堆体温度、 全氮、 亚硝态氮和硝态氮对氨氧化古菌群落演替有着显著的影响（P0.05）,AOA的群落结构在堆肥第1 d、 第5 d、 第25 d、 第30 d、 第45 d变化较大。说明这些参数能有效控制鸡粪好氧堆肥过程中AOA的群落结构。     

红壤稻田不同生育期土壤氨氧化微生物群落结构

以福建省红壤稻田土壤为对象,通过提取土壤总DNA,利用特异引物进行PCR(聚合酶链反应)扩增和DGGE(变性梯度凝胶电泳)并结合DNA克隆测序,研究了水稻生长过程中稻田土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构的变化。结果显示:稻田土壤具有丰富的氨氧化细菌和氨氧化古菌资源。水稻生长过程中土壤氨氧化细菌群落组成较为稳定,只表现出水稻生长前期(苗期、分蘖期)和中后期(孕穗期、成熟期)间存在一定差异。而土壤氨氧化古菌群落组成变化较大,在水稻生长的苗期、分蘖期、孕穗期和成熟期4个时期间均存在一定差异。在水稻生长过程中,土壤氨氧化细菌群落多样性指数无显著性变化,但氨氧化古菌群落多样性指数随水稻生长明显提高,孕穗期后才达到平稳。水稻生长前期土壤硝化势也具有显著上升趋势,孕穗期时达到最高,而后有所下降。土壤硝化势与氨氧化古菌群落多样性指数具有显著正相关性,与氨氧化细菌没有相关性。研究表明,氨氧化古菌对红壤稻田土壤硝化作用的影响程度较大,证实了氨氧化微生物尤其是氨氧化古菌在稻田土壤微生物组成及其生态系统功能中的重要性。     

不同品种水稻土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构组成

本研究通过提取土壤总DNA,利用特异引物进行PCR扩增和变性梯度凝胶电泳(DGGE),研究了不同品种水稻对稻田土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构组成的影响.结果显示:稻田土壤具有丰富的氨氧化细菌和氨氧化古菌,且氨氧化古菌种类更多;不同品种水稻氨氧化细菌群落结构组成差异较大,其中以"天A/Km71"、"闽优1027"和"Km62/1027"3个品种相似性较高,且明显不同于其余3个品种:而氨氧化古菌群落结构组成在不同土层间表现出较大差异,其中以"天A/Km71"和"Km62/1027"的表土与根际土氨氧化古菌群落组成差异最大.研究表明不同水稻品种及土壤层次对氨氧化微生物群落结构组成具有一定影响,证明氨氧化微生物尤其是氨氧化古菌在稻田土壤生态系统中占有重要地位.     

南方典型母质发育稻田土壤氨氧化细菌和古菌群落结构特征

依托中国科学院桃源农业生态试验站水稻土易地置土长期定位试验,以广东英利(YL,发育于玄武岩风化物)、江西鹰潭(YT,发育于第四纪红黏土)和湖南桃源古市(TYG,发育于河流冲积物)3种母质发育稻田土壤为供试土壤,采用常规土壤农化分析方法测得3种土壤的理化性质、硝化速率,并结合实时荧光定量PCR技术和Illumina MiSeq测序技术,分析了土壤氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)种群丰度及群落结构的异同。结果表明：土壤硝化速率除分蘖期外,均表现为：YT>YL>TYG。YL与YT土壤中AOA数量占主导地位,AOA/AOB比值比值分别在0.72 ~ 3.05、0.98 ~ 1.52;TYG土壤中AOB数量占主导地位,AOA/AOB比值在0.21 ~ 0.75。群落组成方面,不同母质土壤间AOA、AOB群落结构差异显著,3种土壤AOA优势菌属各不相同,AOB优势菌属均为Nitrosospira。冗余分析表明,pH和可溶性有机碳是造成AOA、AOB群落结构差异的核心因子。综上,在环境背景均统一的前提下,不同母质发育稻田土壤理化性质之间依旧存在差异,这种差异影响着氨氧化微生物AOA、AOB的丰度以及群落结构。     

稻田亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化对大气CO2浓度缓增的响应

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化（nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, n-damo）是控制稻田甲烷排放的一种新途径,但有关其在稻田甲烷氧化中的贡献及其对大气CO2升高的响应尚不清楚。本文依托开顶式气室组成的CO2浓度自动调控平台,在环境 CO2浓度（CK）基础上,设置了CO2缓增处理（EC：每年增加 40 μL·L-1, 至采样时CO2浓度为CK+160 μL·L-1）。采用稳定性同位素示踪、定量PCR和高通量测序等手段,分析了不同CO2处理下水稻关键生育期（分蘖期、拔节期和开花期）稻田n-damo活性及其功能微生物Candidatus Methylomirabilis oxyfera (M. oxyfera)-like细菌的丰度、多样性和群落组成。结果发现,EC处理在一定程度上刺激了土壤中n-damo活性以及M. oxyfera-like细菌丰度,且在拔节期达到了显著性水平。EC处理还使M. oxyfera-like细菌的群落组成发生了显著改变,并影响了其多样性。EC处理下土壤可溶性有机碳含量和无机氮含量的改变很可能是导致n-damo活性及M. oxyfera-like细菌群落结构发生变化的重要原因。综上,稻田n-damo过程对大气CO2浓度缓增具有正响应,表明了其在未来气候变化背景下对稻田甲烷减排的积极作用。     

长期施用氮肥和磷肥对渭北旱塬土壤中氨氧化古菌多样性的影响

采用基于氨单加氧酶基因的PCR-RFLP和DNA测序技术,以黄土高原旱地黑垆土为材料,研究长期施用氮肥和磷肥对土壤氨氧化古菌多样性的影响。结果显示,不同施肥处理土壤样品得到的氨氧化古菌的OTU数分别为25（种植不施肥,CK）、21（不施肥不种植,LD）、18（单施氮肥,N）、25（单施磷肥,P）和13（氮、磷共施,NP）。氨氧化古菌的多样性指数H′和优势度指数Ds变化趋势基本相同,分别为P〉CK〉LD〉NP〉N和P〉CK〉NP〉LD〉N;种群丰富度和均匀度指数在不同处理间变化较大,分别为CK〉P〉LD〉N〉NP和P〉NP〉LD〉N〉CK。各处理优势氨氧化古菌绝大部分属于Cluster S,少数属于Cluster M,获得的序列全部属于难培养泉古菌门。不同施肥方式的长期定位试验土壤中氨氧化古菌多样性变化较大,而优势氨氧化古菌系统进化定位没有显著变化。     

水稻土厌氧氨氧化对不同耕作方式与秸秆还田的响应

【目的】研究稻田土壤厌氧氨氧化微生物活性、丰度和群落结构对不同耕作方式与秸秆还田的响应,为稻田土壤氮素管理提供科学依据。【方法】设置3个不同耕作方式(翻耕、旋耕、免耕)+秸秆还田处理,同时设置翻耕+秸秆不还田处理作为对照,采用_¹⁵N示踪法、荧光定量PCR及Illumina测序分别分析厌氧氨氧化菌潜在活性、功能基因hzsB拷贝数及群落组成。【结果】秸秆还田条件下,厌氧氨氧化菌潜在活性表现为免耕>旋耕>翻耕(p<0.05),对照与旋耕+秸秆还田处理无显著性差异。各处理之间厌氧氨氧化菌功能基因(hzsB)拷贝数无显著性差异。Illumina测序从属水平鉴定出Kuenenia和Scalindua两种已知的厌氧氨氧化菌及部分未鉴定属,且各处理间二者的相对丰度具有负相关关系(p<0.05)。相关性分析结果表明,厌氧氨氧化菌活性与土壤反硝化活性显著相关,与功能基因拷贝数及群落组成无显著相关性。【结论】水稻田长期秸秆还田和不同耕作方式改变了厌氧氨氧化菌活性和群落组成,但其数量未发生显著变化。水稻田秸秆还田加翻耕可一定程度上抑制土壤氮损失,而秸秆还田与免耕结合的田间管理方式提高了土壤氮素损失潜力。     

长期偏施氮肥对桑园土壤氨氧化微生物的影响

氮肥能够影响土壤氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的丰度和种群结构.利用实时荧光定量PCR(RT-PCR)和变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术研究不同氮肥施用年限(4年,4Y;17年,17Y;32年,32Y;0年,0Y)桑园土壤氨氧化微生物丰度及种群结构变化.结果发现,长期施用氮肥导致桑园土壤酸化,与4Y...     

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...     

不同施肥处理稻田系统磷素输移特征研究

磷是水体富营养化限制性元素,近年来由于磷肥的过量施用,农田迁移的磷素已成为水体磷素的主要来源。本研究通过野外测坑定位试验,研究有机肥处理(OT)、混施肥处理(MT)和化肥处理(CT)3种施肥处理下,稻田中磷素的迁移流失特征及这3种处理对水稻产量和磷素利用率的影响,以探求稻田系统的最佳施磷方式。结果表明,CT、MT和OT 3种施肥方式的磷径流流失负荷分别为0.56 kg(P)·hm-2、1.13 kg(P)·hm-2和4.20 kg(P)·hm-2,渗漏流失负荷分别为0.42 kg(P)·hm-2、0.44 kg(P)·hm-2和0.45 kg(P)·hm-2;磷的径流流失占流失总量的56.86%~90.38%,是水稻田磷素流失的主要途径。磷的径流流失主要受施肥和降雨的影响,50%左右磷的流失发生在第1次径流过程;磷素渗漏流失特征不受施磷处理的影响,80%以上的流失发生在施肥后的前30 d。在磷素流失形态上,坑面水、渗漏水和径流水中磷素的主要形态均为可溶性磷;在土壤方面,MT处理和OT处理能保证土壤磷营养,CT处理的土壤有效磷和有机质含量则显著下降。3种施肥处理的水稻产量显著高于空白对照,且MT最高,为6 728.84 kg·hm-2;磷肥利用率CT和MT处理显著高于OT,CT和MT间差异不显著。综合比较,混施肥处理在磷素流失、土壤养分利用和水稻产量等方面更符合我国生态农业发展的要求。     

氮肥对稻田土壤反硝化细菌群落结构和丰度的影响

以氮肥田间定位试验为研究对象,利用PCR-DGGE(聚合酶链反应变性梯度凝胶电泳)和荧光定量PCR(real-time PCR)技术,通过对反硝化细菌nirS基因的检测,分析了定位试验第2年稻田反硝化细菌群落结构和丰度的变化。DGGE图谱及依据其条带位置和亮度数字化数值进行的主成分分析(PCA)结果均显示:在氮肥定位试验第2年,与不施肥对照(CK)比较,在水稻各个生育期(分蘖期、齐穗期和成熟期)内,施用氮肥[150kg(N)·hm-2]的稻田根层土或表土中的反硝化细菌群落结构均无明显变化;且稻田根层土或表土中的反硝化细菌群落结构在水稻各个生育期间也均无明显差异。荧光定量PCR结果显示,在水稻生长发育过程中,施用氮肥的稻田根层土或表土中的反硝化细菌nirS基因拷贝数始终显著(P<0.05)高于其对应的不施肥对照。此外,无论施用氮肥与否,根层土中的反硝化细菌nirS基因拷贝数在水稻成熟期时都会显著(P<0.05)降低;但表土中的nirS基因拷贝数在水稻各生育期间无明显变化;且水稻成熟期时施用氮肥和不施肥的稻田表土中nirS基因拷贝数都显著(P<0.05)高于根层土。同时,与对照比较施用氮肥可促进水稻增产44%。研究表明,短期定位试验中施用氮肥能够显著提高稻田土壤反硝化细菌的丰度,但对其群落结构没有明显影响。     

不同种植年限水田与旱地土壤有机氮组分变化

在浙江慈溪地区,由于不同时期围海造田形成了具有长时间尺度序列的典型水稻土和旱地土壤,为研究长期的土壤氮素生物地球化学循环过程提供了很好的对象。本研究运用封管水解Bremner法测定了不同种植年限下土壤氨基酸氮、氨基糖氮、氨态氮、未知氮等酸解性有机氮组分,以探究不同种植年限和种植方式对土壤有机氮组分的影响。结果显示,旱地土壤的不同氮组分含量仅为水稻土相对应氮组分含量的50%~60%,水稻种植较旱地更利于土壤氮素的保存和利用。从长时间尺度来看,除氨基酸氮和水稻土氨基糖氮外,有机氮各组分含量随时间呈指数变化趋势,水稻土主要呈增加趋势,而旱地土壤则表现为降低趋势。该地区土壤氨基酸氮占全氮比例为23.5%~29.3%,氨基糖氮比例为6.0%~7.6%,氨态氮为21.0%~28.8%,未知氮为13.0%~21.1%,不同种植方式和种植年限对土壤主要有机氮组分所占全氮比例影响不大。     

秸秆还田下氮肥用量对稻田养分淋洗的影响

通过田间试验,研究秸秆还田配施氮肥对稻田土壤养分淋洗的影响。结果表明,随氮肥用量增加,田间渗漏水中NH4+-N、NO3--N、全氮浓度随之增加;与秸秆未还田相比,秸秆还田降低了田面水与渗漏水中NH4+-N、NO3--N的浓度;秸秆还田下各处理30cm土层渗漏水中全氮和NO3--N浓度最高,其浓度范围分别为1.09~12.76mg·L-1和0.76~3.74mg·L-1;全磷浓度范围为0.02~0.79mg·L-1,田面水中全磷浓度随施氮量增加而增加,30cm渗漏水中全磷浓度大于60cm渗漏水。氮肥用量180kg·hm-2时,施肥后5~10d内30cm、60cm渗漏水中的养分以NH4+-N为主,其后均以NO3--N为主。氮肥与秸秆配合施用,可降低田面水和渗漏水中的氮磷浓度,改善肥料利用效率。     

Community structure of microaerophilic iron-oxidizing bacteria in Japanese paddy field soils

ABSTRACT

Redox cycle of iron (Fe) is the central process in the biogeochemistry of paddy field soil. Although Fe(II)-oxidizing process is mediated by both abiotic and biotic reactions, microorganisms involved in the process have not been well studied in paddy field soil. The present study investigated the community structure of microaerophilic Fe(II)-oxidizing bacteria (FeOB) in the family Gallionellaceae in the plow layer of paddy fields located in the central (Anjo) and northeastern (Omagari) Japan since the members in the family are the typical FeOB in circumneutral freshwater environments and possibly have the significant role for Fe(II) oxidation in paddy field soils. A primer set targeting 16S rRNA gene of Gallionella-related FeOB was newly designed for the polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) and quantitative PCR (qPCR) analyses. DGGE analysis showed significant differences in the band patterns between the field sites. Besides, minor differences were observed in the patterns between the soil depths (0–1 cm and below 1 cm) in the Anjo field, while the patterns were relatively stable in the Omagari field during the annual rice cultivation practices. In total 54 bands were sequenced and clustered into 20 operational taxonomic units (OTUs) on the basis of the 97% similarity. Eighteen out of twenty OTUs (50 of 54 bands) were affiliated within the FeOB cluster of Gallionellaceae, some of which were clustered with known microaerophilic FeOB, Ferrigenium kumadai, Ferriphaselus amnicola, ‘Sideroxydans lithotrophicus’ and ‘S. paludicola’. The number of the 16S rRNA gene copies was 10⁵–10⁷ and 10⁶–10⁸ copies g^?1 dried soil in the two paddy fields and negatively correlated to the contents of acetate-extractable Fe(II) in the soils during the rice cultivation period. These results suggested inhabitance of considerable number of diverse Gallionella-related FeOB and their potential involvement in the Fe(II)-oxidizing process of soil, especially during the rice cultivation period in the paddy field soils.     

Spatio-temporal variability of microbial abundance and community structure in the puddled layer of a paddy soil cultivated with wetland rice (Oryza sativa L.)

The puddled layer of paddy soils represents a highly dynamic environment regarding the spatio-temporal variability of biogeochemical conditions. To study these effects on the abundance and community structure of microbial populations, a rhizotron experiment was conducted throughout an entire growing season of wetland rice. Soil samples were taken from selected areas of the puddled layer (bulk soil, oxidized layer, rhizosphere) at main plant developmental stages such as (i) the initial stage, (ii) tillering, (iii) panicle initiation, (iv) flowering, and (v) maturity. Cell numbers of archaea, bacteria, and selected phyla were assessed by catalyzed reporter deposition-fluorescence in situ hybridization (CARD-FISH). The structure and diversity of microbial communities was analyzed by polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) along with sequencing of selected bands. Following submergence of the paddy soil, shifts of bacterial community structure were observed in the oxidized layer and the rhizosphere. Members of the β-Proteobacteria became predominant in the rhizosphere at tillering stage and were affiliated with aerobic, iron-oxidizing bacteria of the genus Sideroxydans. Seasonal effects were mainly visible in the rhizosphere, as several phylogenetic subgroups including methanotrophic bacteria showed increased cell numbers at flowering stage. Cell numbers of methanogenic archaea were also highest at flowering stage (bulk soil, rhizosphere) and members of the Methanocellales were identified as predominant archaeal populations in areas of oxic and anoxic conditions. In contrast to bacteria, the communities of archaea in the puddled layer of the studied paddy soil were less influenced by spatio-temporal variations of biogeochemical conditions.     

洞庭湖水稻土有机氮组分及其与可矿化氮的关系特征

为深入理解土壤有机氮有效性,利用Bremner酸解法测定了洞庭湖区典型水稻土有机氮组分,采用淹水生物培养法测定了土壤可矿化氮,并分析了二者间的内在关系。结果表明,酸解氮是土壤有机氮素的主要存在形式,其占土壤全氮的比例为58.6%～83.8%,不同类型水稻土酸解氮含量总体上依潴育性水稻土、潜育性水稻土、淹育性水稻土的次序逐渐降低;酸解氮中,氨基酸氮、氨基糖氮、氨态氮与未知氮占土壤全氮的比例分别为25.6%～43.1%、2.6%～9.0%、11.9%～22.3%和8.0%～25.3%。土壤可矿化氮数量变化主要受有机碳、全氮及粘粒含量的影响。酸解氮各组分均与土壤可矿化氮显著正相关(R=0.427～0.858,P0.05),但多元逐步回归和通径分析表明,氨基酸氮是对可矿化氮有直接重要贡献的组分,是可矿化氮的主要来源。氨基酸氮、氨基糖氮、氨态氮、未知氮与氮矿化势的通径分析决策系数分别为0.685、0.251、0.028、-0.050,表明提升有机氮中除未知氮外的其它酸解组分特别是氨基酸氮的分配比例有利于增加土壤可矿化氮供应容量。     

不同施肥措施对稻田土壤氮矿化的影响

采集田间通过不同施肥处理的水稻土为研究对象,在室内采用淹水培养方法,研究不同施肥措施对水稻土氮矿化的影响。结果表明:与不施肥处理相比,施加氮肥和饼肥能提高土壤的氮矿化能力;与常规施氮处理相比,采用新型施肥措施,氮肥+木质素、一次施用的水稻缓释肥、氮肥+有机碳源均降低土壤的氮矿化作用,其中氮肥+有机碳源处理与常规施氮处理相比,土壤全氮增加了16.7%,但淹水培养期间土壤的氮矿化量却减少了18.5%,这一结果说明,采用这些新型施肥措施有利于增加土壤对氮的固持,降低氮素向环境损失的风险。     

不同施肥处理对太湖地区水稻土团聚体粒组细菌和真菌组成和多样性的影响

选择太湖地区水稻-油菜轮作的长期肥料试验的水稻田,采集原状土进行团聚体颗粒分离,提取土壤微生物DNA进行PCR-DGGE分析,通过对DGGE结果进行主成分分析和多样性指数的计算,比较秸秆还田和化肥配施与单施化肥两施肥处理对土壤团聚体中微生物群落组成和多样性的影响。结果表明：与单施化肥相比,秸秆还田显著改变了2 000 ~ 200 μm和200 ~ 20 μm两粒组中细菌和真菌的群落组成,说明较大颗粒组中微生物群落组成灵敏响应施肥措施的变化。不同团聚体粒组微生物群落多样性存在差异,细菌的多样性在2 000 ~ 200 μm与＜2 μm粒组中较高,真菌则在大粒组中表现出较高的多样性,而且由团聚体粒组本身带来的微生物多样性的变异大于施肥措施引起的变异。