土壤微生物生物地理学：国内进展与国际前沿

土壤微生物生物地理学是研究土壤中微生物空间分布格局及其随时间变化的一门科学,是土壤微生物学和微生物生态学等领域的研究前沿。近年来,尽管土壤微生物生物地理学研究取得了巨大进展,目前仍面临诸多难题与挑战。本文简要回顾了土壤微生物生物地理学的发展历程,重点介绍近年来我国在森林、草地和农田生态系统中土壤微生物生物地理学研究的主要进展。同时进一步阐述了目前土壤微生物生物地理学研究的国际前沿方向,包括微生物群落空间分布及其驱动机制、群落构建过程与共存网络、微生物地理分布与生态系统功能的关联以及预测微生物群落对全球变化的响应。最后,对土壤微生物生物地理学未来的研究方向进行了展望,强调了清晰的微生物物种定义、微生物群落的时间动态、多组学与合成生物学技术以及高精度的预测模型在土壤微生物生物地理学研究中的重要性。     

含氨基酸水溶肥料和EM微生物菌剂对设施莴笋生长和品质的影响

以莴笋为供试材料,研究在莴笋叶面喷施、根部灌施EM微生物菌剂和含氨基酸水溶肥料对其植株生长、光合特性、产量和果实品质的影响。本试验设4个处理:不施用任何肥料(CK)、常规施肥处理(T1)、喷施+灌施EM微生物菌剂(T2)、喷施+灌施含氨基酸水溶肥料(T3)。试验结果表明:与对照CK相比,喷施+灌施EM微生物菌剂和喷施+灌施含氨基酸水溶肥料能显著提高莴笋的株高和茎粗,有效促进作物的生长;从光合特性看,T3处理的光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率均显著优于对照CK,和常规施肥T1相比也有明显提高,说明喷施+灌施含氨基酸水溶肥料能提高莴笋的光合作用。产量上,T3T2T1CK,T1、T2和T3的产量相较于CK的增长幅度分别为20.17%、26.05%、31.65%,T2和T3相较于T1的增长幅度分别达到4.90%和9.99%,T3相较于T2的增长幅度为4.44%,表明EM微生物菌剂和含氨基酸水溶肥料均能提高莴笋的产量,而含氨基酸水溶肥料的效果更佳。     

土壤微生物膜对风沙土固沙保水特性的影响

土壤微生物膜胞外聚合物具有较强的黏结性,为增强风沙土抗蚀性,提高风沙土保水性提供了新途径。鉴于此,该研究采用室内控制试验设置6个微生物菌剂施用水平(0、1、3、5、7和10 g/kg),以期阐明土壤微生物膜对风沙土特性的影响。研究结果表明:1)施用微生物菌剂可产生土壤微生物膜,并胶结风沙土颗粒。2)试验结束时(第49 d),与对照组相比,不同菌剂施用处理的土壤容重降低0.54%～8.88%,孔隙度提高0.39%～3.91%,含水率显著提高0.11%～0.25%(P0.05),大团聚体质量分数增加5.59%～25.01%,土壤pH值由7.16显著增加至8.32～9.23(P0.05)。3)土壤多糖含量对土壤特性的解释率为47%,是影响土壤特性的关键因素。土壤微生物膜能够有效改善风沙土特性,增强风沙土抗蚀性,提高风沙土保水性,但较高的微生物菌剂施用量会增加土壤pH值,造成土壤盐碱化,建议微生物菌剂施用水平为1～5 g/kg。研究成果有利于深入理解微生物膜固沙保水机制,并可为沙化土地防治新技术研发提供重要理论依据和科技支撑。     

菌剂挂膜3D-RBC联合BCO工艺处理养猪沼液废水

针对养猪沼液废水寡营养、高氨氮的水质特征,该研究采用耐高氨氮、适应贫营养生长的异养硝化-好氧反硝化（Heterotrophic Nitrification-Aerobic Denitrification,以下简称HN-AD）菌挂膜启动三维结构生物转盘+生物接触氧化反应器（3D-RBC+BCO）组合工艺对沼液进行处理。该文研究了3D-RBC+BCO组合工艺在真实沼液条件下的启动过程及污染物去除效果,重点考察了溶解氧（Dissolved Oxygen,DO）浓度和C/N比2个关键因素对组合工艺污染物去除效果的影响。同时,借助高通量测序技术对DO和C/N比优化过程中微生物群落结构的变化规律进行解析。结果表明：在真实沼液条件下,采用HN-AD菌剂挂膜启动方法,仅用12和18 d就分别完成3D-RBC和BCO反应器的挂膜启动,同时组合工艺对COD、NH4+-N和TN的去除率分别稳定在94.8%、95.7%和80.1%,出水优于城镇污水厂排放一级B标准。在对3D-RBC反应器DO和C/N比的优化过程中,增设底曝后COD、NH4+-N和TN等指标的去除率分别降低了25.4%、15.4%和15.5%。高通量测序结果显示,增加底曝后3D-RBC盘片生物膜中微生物菌属的数量小幅下降,但HN-AD优势菌属的种类与丰度显著降低,导致脱氮效率下降;贫营养型Acinetobacter、Pseudomonas菌属是3D-RBC可以对真实沼液高效脱氮的关键,提高C/N比会显著降低其丰度,进而影响脱氮效果。     

基于微生物燃料电池供能的无线温度传感系统设计

微生物燃料电池(microbial full cell,MFC)是利用微生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置。针对MFC输出电压低、功率小、内阻大的特点,该文研制了一种具有最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)功能的能量收集电路和两级升压电路;基于MSP430和CC2500芯片设计了环境温度传感系统。测试结果表明,MFC的输出电压维持在316～390 mV范围内,实现了最大输出功率的跟踪,MPPT电路和升压电路分别输出1.1和3.5 V电压;无线温度传感器以每13ms的周期将环境温度无线传输到远程终端,验证了环境温度传感系统在最大功率点处对无线传感器网络节点供电工作的可行性,可为实现MFC主动式能量收集提供参考。     

复合微生物菌剂对棉花生理特性及根际土壤 微生物和化学性质的影响

为了系统地阐述复合微生物菌剂在改善土壤化学性质、生物学性质和促进植物生长方面的效果及机理,采用盆栽试验,研究常规和灭菌条件下不同用量的微生物菌剂对棉花生长、生理代谢、根际土壤生物学特性和养分含量的影响。结果表明:施用复合微生物菌剂能够提高苗期棉花叶片光合色素总量,叶片和根系内抗氧化物酶(SOD、POD、CAT)活性,降低过氧化物质含量(MDA、O2·-),进而提高了棉花的光合性能和抗氧化能力;降低了土壤pH,提高了根际土壤细菌和放线菌数,而降低了根际土壤真菌数,同时提高了根际土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶和脱氢酶活性,最终提高了根际土壤有效养分和有机质含量,改善了根际微域环境,促进了棉花苗期生物量的累积和抗病性。除根际土壤养分含量外,常规复合微生物菌剂对各指标的改善效果优于灭菌复合微生物菌剂,且用量为10L/667m2时效果较明显。因此,复合微生物菌剂可通过改变土壤pH,改善根际土壤微生物群落的数量和结构来改变土壤酶活性和有效养分含量,优化根际生长环境,增强植物抗逆性和光合能力,最终实现养地增产的效果。此外,复合微生物菌剂中的有益活菌在改土、促生方面具有极其重要的积极效应。     

不同抗旱措施配施菌肥对河西绿洲土壤改良和制种玉米产量的影响

为探讨地膜覆盖和施用保水剂配施菌肥后河西绿洲土壤微生物数量、酶活性变化及制种玉米产量和水分利用效率的影响,在河西走廊绿洲灌区设置单地膜覆盖(AF)、单施保水剂(AW)、单施菌肥(AB)、保水剂配施菌肥(WB)、地膜覆盖配施菌肥(FB)、露地不施保水剂和菌肥(CK)6个处理,分析制种玉米播种前和收获后0—20,20—40 cm土壤微生物数量及酶活性动态变化和产量变化。结果表明:(1)菌肥单施或配施均可提高土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性和增加真菌、细菌、放线菌数量及土壤微生物碳氮含量,改善土壤微生物环境,其中保水剂配施菌肥处理改善效果最佳,其次为地膜配施菌肥处理。(2)菌肥单施对制种玉米生长影响较小,但地膜配施菌肥可显著提高制种玉米叶面积指数和干物质积累量,并能调节产量构成因子。(3)不同抗旱措施及其配施菌肥能够不同程度促进制种玉米籽粒产量形成,其中地膜配施菌肥制种玉米籽粒产量最高(10 105.64 kg/hm~2),其次为单地膜覆盖(8 967.24 kg/hm~2)和保水剂配施菌肥(8 323.93 kg/hm~2),分别较CK显著增产61.99%,43.74%,33.43%。(4)地膜配施菌肥制种玉米水分利用效率最高(2.40 kg/m~3),其次为单地膜覆盖(2.15 kg/m~3)和保水剂配施菌肥(1.89 kg/m~3),分别较CK显著提高80.10%,61.84%,41.80%。因此,综合考虑产量、水分生产效率及土壤微环境等指标,抗旱措施配施菌肥最佳组合方式为地膜配施菌肥,既能促进制种玉米的生长发育,又能提高灌溉水利用效率和水分利用效率,在增产的同时,还能改善耕作层土壤微环境,对河西灌区制种玉米可持续发展具有重要的意义。     

胶质芽孢杆菌与苜蓿根瘤菌双接种对排土场紫花苜蓿生长和土壤性质的影响

为了明确胶质芽孢杆菌和苜蓿根瘤菌在矿区排土场复垦中的协同作用,以矿区排土场土壤作为基质进行盆栽试验,设置两菌单接种处理、双接种处理及对照,其中胶质芽孢杆菌和苜蓿根瘤菌用量分别为1.50%和0.25%,测定紫花苜蓿产量指标、叶片生理指标、土壤速效养分含量和土壤微生物指标。结果表明,接种胶质芽孢杆菌和苜蓿根瘤菌的各处理均能显著提高紫花苜蓿的产量指标,其中以双接种处理效果最优,将生物量和结瘤量分别比对照显著提高110.27%和124.32%;在生理指标方面,双接种处理效果低于单接种处理,未表现出协同作用;在土壤养分和微生物性质方面,单接种胶质芽孢杆菌仅显著提高土壤速效钾含量,单接种苜蓿根瘤菌对大部分指标均有显著效果,而双接种处理效果最佳,土壤碱解氮、速效钾含量比对照分别显著提高94.14%和84.55%,土壤微生物指标MBC含量、呼吸强度、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性比对照分别显著提高204.02%,65.86%,212.32%,91.87%,30.57%,51.87%。双接种处理对紫花苜蓿产量指标、养分和微生物指标表现出显著的协同作用。因此,1.50%用量胶质芽孢杆菌和0.25%用量苜蓿根瘤菌双接种能够有效提高排土场土壤的复垦效果,具有协同作用,可以作为矿区排土场复垦的高效方法。     

玉米栽培模式对暗棕壤微生物学特性及养分状况的影响

玉米栽培模式的改变通过对暗棕壤形成不同程度的扰动,能够引发微生物学特性及养分状况的变化;反之,亦可通过两者的数量变化来定量评估玉米栽培模式对地力培肥的效果。以实施3a的定位栽培试验为供试对象,分别研究玉米高光效休耕轮作栽培(HPE)、地膜覆盖下的高光效休耕轮作栽培(PM-HPE)、宽窄行交替休闲栽培(WNR)以及农民等垄宽常规栽培(CC)4种模式对暗棕壤养分状况、酶活性及微生物量碳氮(SMBC、SMBN)的影响,并在此基础上进行种植带与休耕带的分类讨论,相关结果表明:(1)高光效栽培对暗棕壤全氮含量利用程度较高,栽培措施改变对全磷含量影响较小,休闲栽培能够显著提升暗棕壤全钾含量水平,但对有效磷及有机质含量有着明显的消耗作用;(2)常规栽培具有改善暗棕壤脲酶及碱性磷酸酶活性的双重作用,但对过氧化氢酶活性则表现为抑制作用。无论覆膜与否,高光效栽培对蛋白酶活性皆有所抑制。基于休闲栽培,密植玉米的种植带更有利于蛋白酶及碱性磷酸酶活性的增高,而过氧化氢酶活性在此过程中遭受抑制。高光效栽培下的休耕带,其脲酶活性略高于种植带,而宽窄行交替休闲栽培所表现的规律相反;(3)常规栽培更有利于暗棕壤SMBC成分的累积以及SMBN含量的消耗,休闲栽培下的种植带,其SMBC含量明显高于休耕带的结果;休闲栽培有利于土壤细菌的繁衍,而覆膜能够在同等栽培条件下增加真菌在微生物区系中的存在比例。     

侵蚀红壤区植被恢复对表层与深层土壤有机碳矿化的影响

试验研究了典型红壤侵蚀区不同植被恢复年限(0,11,31a)的表层(0—10cm)和深层(60—80cm)土壤有机碳矿化特征。结果表明:深层土壤有机碳84d累积矿化量或潜在矿化量显著低于表层土壤,植被恢复则显著增加了表层和深层土壤累积矿化量或潜在矿化量(P0.05),相关分析显示土壤有机碳累积矿化量或潜在矿化量与WSOC、MBC和SOC显著(P0.05)或极显著(P0.01)相关,表明碳矿化底物数量是决定土壤碳累积矿化量或潜在矿化量的主导因子;对照表层土壤的矿化速率常数(k)高于深层土壤的,植被恢复降低了表层土壤的k值(P0.05),对深层土壤的k值却没有显著影响;而深层土壤矿化率显著高于表层土壤,且植被恢复后均显著降低(P0.05),相关分析显示土壤有机碳矿化率与微生物代谢熵呈极显著的正相关(P0.01),表明微生物碳利用效率是影响土壤碳矿化率的重要因素,而深层土壤微生物碳利用效率显著低于表层土壤,但植被恢复可以改善侵蚀红壤的环境条件,提高土壤微生物的碳利用效率,从而增强土壤固碳能力。