干旱扰动下长期不同施肥潮土微生物群落稳定性研究

土壤微生物群落稳定性是土壤健康的重要组成部分和评价指标,揭示长期不同施肥的农田土壤微生物群落稳定性有助于指导田间施肥管理,保障农田生态系统的土壤健康和可持续发展。依托中国科学院封丘农业生态实验站长期定位试验,通过对三种不同施肥处理的潮土进行干旱扰动和复水回复的培养试验,从多种微生物群落响应指标(脱氢酶活性、细菌群落alpha多样性、关键物种丰度、微生物群落结构和分子生态网络拓扑属性)分别量化和比较了不同施肥处理的微生物群落稳定性(抵抗力和回复力)。结果表明,与不施肥处理(CK)和平衡施用化肥处理(NPK)相比,有机无机肥配施处理(OM)能够显著增加微生物群落稳定性,表现在OM的微生物群落响应指标在干旱-复水过程中的变化最小,抵抗力与回复力均优于CK和NPK。复水后不同施肥处理的细菌群落alpha多样性、关键物种丰度和网络拓扑参数能够回复到初始水平,而群落结构和脱氢酶活性不能完全回复,说明细菌群落alpha多样性的回复快于群落结构和功能。表明有机无机肥配施能显著提高微生物群落稳定性,是保障农田生态系统土壤健康和可持续发展的优良管理措施。

不同添加剂对鸡粪堆肥中氨气和温室气体排放的影响

堆肥是将畜禽粪污进行资源化的有效手段之一,但是氮素的流失会造成堆肥产品质量的降低,堆肥过程排放的氨气(NH_(3))和温室气体(N_(2)O、CH_(4)、CO_(2))会加剧空气污染和温室效应。减少堆肥过程中这些气体的排放,不仅可以提高堆肥产物的氮素含量,还可以减缓空气污染和温室效应。前期研究表明,加入添加剂(沸石、过磷酸钙和硫酸亚铁的混合物)或添加剂与菌株联用可以显著减少NH_(3)和N_(2)O的排放、实现堆肥产物保氮。为了进一步明确这3种添加剂对于堆肥中NH_(3)和温室气体的排放影响,选用鸡粪作为原料,将沸石、过磷酸钙、硫酸亚铁进行配伍组合,共设置8个试验处理进行室内模拟堆肥。结果表明,添加过磷酸钙和硫酸亚铁的处理(GL)对于NH_(3)的减排效果最好,为39.00%;添加沸石和过磷酸钙的处理(FG)对N_(2)O的减排效果最好,为7.19%;通过数据比较发现,堆肥氮损失中主要是由于NH_(3)的排放。CO_(2)是堆肥过程中气体排放占比最大的温室气体,各处理对于CO_(2)排放均有减排作用,其中添加硫酸亚铁的处理(L)、添加沸石和硫酸亚铁的处理(FL)对于CO_(2)减排效果显著,减排率分别为46.78%、34.26%。将上述3种温室气体转化为CO_(2)排放当量可以发现,3种添加剂均能减少CO_(2)排放当量,其中L处理的减排最好,减排率为45.57%,其次是FL处理、GL处理,分别为33.30%、32.48%。另外L、GL、FGL处理的堆肥产物中NH+4-N含量显著高于其他处理。沸石、过磷酸钙和硫酸亚铁不同组合中对NH_(3)和N_(2)O、CH_(4)、CO_(2)的排放影响存在显著差异,结合对NH_(3)和温室气体的减排效果和保氮能力,最后得出GL处理能作为一种较好的配伍组合,利用添加剂自身的吸附作用、pH等性质改变堆肥环境,减少堆肥中NH_(3)和N_(2)O、CH_(4)、CO_(2)的排放,这为畜禽粪便绿色高效资源化和减污降碳提供科学依据。

土壤环境中四环素抗性基因向病原菌的转移研究

抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)已被公认为环境中的新型污染物,水平基因转移是ARGs传播与扩散的主要途径,纯培养体系下ARGs的水平基因转移(Horizontal gene transfer,HGT)已经多有报道,HGT的分子机制也已被充分挖掘。然而,环境中的ARGs在自然条件下是否能够转移到人类致病菌中目前仍然未知。为了探究沙门氏菌是否能够在自然条件下从施肥土壤中获得ARGs并在土壤中长期存活,将含有大量四环素敏感型沙门氏菌的粪肥施入3种土壤,并对土壤进行淹水或不淹水处理,90 d后分离四环素抗性沙门氏菌。结果表明,沙门氏菌未通过HGT获得四环素抗性基因并在土壤中长期存活。从红壤中分离到3株具有四环素抗性的疑似沙门氏菌,经过生理生化和16S测序鉴定确定它们均为产H2S的大肠杆菌,经HT-q PCR检测,它们均携带多种ARGs。对其中携带ARGs种类最多的T2菌株进行全基因组测序与分析,结果表明T2携带了两个长度分别为40.48 kb的IncX1型和93.31kb的IncY型质粒,15个基因岛,与COG数据库比对得到了3807个注释基因,包含前噬菌体和转座子共197个;经ARDB注释获得34个ARGs,其中包括了2种四环素抗性基因均位于IncY型质粒上。将T2菌体与四环素敏感型E.coli O157:H7菌株共培养,在施加不同浓度梯度四环素的条件下,T2携带的四环素抗性基因没有向O157菌株转移。综上所述,在自然环境中沙门氏菌难以从施肥土壤中获得ARGs并在土壤中长期存活,从土壤环境中分离的抗性大肠杆菌T2所携带的四环素抗性基因也难以在纯培养体系下转移到E.coli O157:H7中。研究结果可为科学评估ARGs在土壤环境中的转移风险提供参考。

三种除草剂对VA菌根真菌的侵染和植物生长的影响

用不灭菌的壤质黄潮土,在盆栽条件下研究了三种除草剂对VA菌根侵染和植物生长的影响。结果表明,三种除草剂的影响程度依次为绿麦隆>二甲四氯>氟乐灵;对菌根侵染的影响只出现在植物生长早期。接种VA菌根后,菌根侵染率、植物生长量、氮磷吸收量都显著大于不接种的对照植物。

土壤微生物资源管理、应用技术与学科展望

土壤中蕴藏着高度的微生物多样性,在陆地生态系统中发挥着非常重要的功能,加强对土壤微生物资源的综合管理与开发应用是提升生态系统稳定性与生产力及农产品质量的重要途径。首先,土壤微生物多样性具有全球性的重大意义,有待完善对土壤微生物的检测与监测技术研究,进而实现土壤微生物多样性与土壤功能的耦合以及对土壤质量的评定;其次,土壤微生物作为一种宝贵的生产资料和可持续资源,要加强其在土壤肥力强化与保育、土壤障碍消减与调节、土壤污染控制与修复等3个领域的应用研究。最后,未来土壤微生物学发展将会形成土壤微生物系统学、土壤微生物过程学与土壤微生物功能学3个子学科,要建立土壤微生物种质资源库与遗传信息库,推进土壤微生物生理代谢过程、生物化学过程及生态行为过程的研究,联结土壤微生物与土壤功能的关系,并从土壤中的功能微生物出发对环境变化作出积极响应和主动调控。此外,原创性方法的建立与应用是限制土壤微生物学发展的技术瓶颈,联合生物地理学与生物信息学破译重要基因的特定生态功能,并将其应用到生态模型以及生态系统未知领域的研究中去,是土壤微生物学面临的挑战。

VA菌根对植物耐旱、涝能力的影响

以黄淮海壤质黄潮土为供试土壤,在盆栽条件下研究不同水分条件对VA菌根侵染白三叶草的影响以及菌根的抗旱能力。结果表明,在所有水分处理中,接种VA菌根后,可促进菌根的侵染和植物对氮、磷的吸收,增加植物的生长量,并显著地增强了白三叶草的抗旱能力。干旱条件下,VA菌根的侵染、菌丝的发育均良好,而过高的水分不利于菌根的侵染和菌丝的发育。

土壤微生物多样性的科学内涵及其生态服务功能

土壤微生物多样性是指土壤生态系统中所有的微生物种类、它们拥有的基因以及这些微生物与环境之间相互作用的多样化程度,当前研究主要集中在物种多样性、遗传多样性、结构多样性及功能多样性等4个方面。土壤微生物多样性作为全球性研究迄今仅有10余年时间,但已呈现对象广、内容多、水平宽、方法新等特点,特别是分子生物学技术在很大程度上决定并体现了其研究水平和发展进程。然而,如何进一步改进土壤微生物的培养技能、加强土壤宏基因组学分析与应用、耦合土壤微生物多样性与生态功能、揭示土壤微域结构的影响机制是土壤微生物多样性研究的4个关键科学问题。当然,土壤微生物多样性的生态系统服务功能是其根本价值所在,主要包括有机物分解、物质循环和生态安全调控等3个方面。今后,土壤微生物多样性研究应紧紧围绕其与土壤生物过程、生态服务功能三者之间的联系,着重建立土壤微生物多样性的研究指标和方法体系,进而阐明人类生产活动影响土壤微生物多样性及其生态服务功能的土壤生物过程。

土壤氨氧化细菌对大气CO_2浓度增高的响应

利用FACE(free aircarbondioxideenrichment,开放式空气CO2浓度增高)试验平台,研究大气CO2浓度增高对土壤氨氧化细菌的数量、优势菌群及其硝化活性的影响。结果表明,大气CO2浓度增高时,土壤氨氧化细菌的数量在常氮水平上趋于减少,而在高氮水平上与对照没有差异。大气CO2浓度增高对土壤氨氧化细菌的优势菌群也产生明显影响。CO2浓度增高条件下,亚硝化球菌(Nitrosococcussp )和亚硝化弧菌(Nitrosovibriosp )是优势菌属;而在对照条件下,亚硝化单胞菌(Nitrosomonassp )和亚硝化球菌(Nitrosococcussp )是优势菌属。另外,CO2浓度增高条件下优势菌株的硝化活性也有不同程度的减弱。

农田潮土养分耦合循环的微生物学机理研究进展

科学施肥是实现农业增产和土壤健康的重要手段。深入认知土壤微生物驱动的养分元素循环过程对于评价和指导科学施肥具有极为重要的意义。近年来不同施肥策略对土壤微生物影响的认知虽取得长足进步,但多限于单一养分元素的影响。土壤养分元素循环过程及与碳循环过程具有不可分割性,互作和协同也是土壤微生物的重要特性之一。因此,揭示土壤微生物介导的养分元素的耦合会更有助于我们全面了解农田土壤养分循环过程和指导科学施肥。笔者研究团队多年来以中国科学院封丘农业生态试验站养分平衡长期定位试验为平台,利用土壤微生物学、分子生态学、微量热和同位素测定等技术,系统研究了不同施肥策略下潮土微生物介导的碳、氮、磷元素循环及耦合过程。本文综述相关研究成果。对于缺磷潮土,磷肥施用能够提高微生物生物量碳氮、转化酶活性、脲酶活性、呼吸强度及微生物代谢活性等,使得微生物能够保障土壤养分转化与作物养分吸收,增加潮土综合碳氮汇效应,"高效低排"地为生态系统服务;与之相反,缺施磷肥条件下,即使长期施用其它养分如氮肥,潮土微生物代谢效率仍然低下,且代谢过程会损失更多碳氮素,不利于潮土碳氮累积,致使土壤质量无法提高,还加剧了生态环境的污染。在阐明了微生物对潮土养分的响应与反馈后,还进一步揭示了潮土碳磷耦合的微生物学机制,提出了"缺磷耗碳,增碳活磷"的理论框架。长期缺磷使得外源碳经由微生物转化进入潮土有机碳库的比例减少,却增加了外源碳的净矿化量,使得更多外源碳以CO2形式排放到大气,即缺磷潮土不利于外源碳向潮土有机碳的转化。但是,外源碳的添加能够长效刺激缺磷潮土中微生物的增殖,特别是解磷微生物。该过程可以使得土壤化学固持的磷素转移到微生物体内,增加了潮土中潜在有效磷含量,后续可以提供给植物利用,即外源碳的添加能够通过解磷微生物活化土壤中不可利用态磷素。最后,对今后农田土壤养分耦合循环的微生物学研究方向和内容进行了展望。这些结果会加深对科学施肥重要性的认知,有助于指导调控土壤微生物更好地服务农田生态系统。

潮土农田微生物研究进展

土壤微生物对不同施肥的响应和反馈对于评价和解释科学施肥具有极为重要的意义。本文总结了本课题组在我国华北平原潮土碳、氮、磷循环相关微生物对不同施肥,特别是对单施有机肥的响应方面的研究结果,明确了潮土地力提升过程中的微生物学机制。长期定位试验研究结果表明,长期平衡施肥,特别是施用有机肥能够显著增加潮土中有机碳和养分含量,特别是磷含量,进而改变土壤微生物群落结构,提高微生物生物量碳、转化酶活性、呼吸强度及微生物功能多样性（碳代谢活性）,并且土壤微生物代谢熵与代谢热显著降低。相反,在缺素特别是缺磷条件下,土壤微生物不仅代谢效率低下,而且代谢过程会散逸相对多的热量、排放相对多的CO2,导致土壤质量明显下降。长期施用氮肥可增强潮土硝化活性、增加氨氧化细菌的数量和多样性,且无机氮肥比有机氮肥影响更显著;但是,科学施用氮肥的前提是必须合理地添加磷肥,才能更好地促进潮土作物生长、减少氮素损失和提升土壤地力。对于缺磷的潮土,长期施用磷肥,尤其是平衡施肥使得作物对菌根真菌（AMF）依赖性下降,进而导致土壤中AMF多样性下降,更多的土壤养分分配给其他微生物,有利于潮土农田地力的可持续性。潮土中一种土著微生物Bacillus asahii对长期施用有机肥的响应最为显著,该物种需要2~4 a会成为潮土中优势微生物,其有着独特的生理特征和丰富的代谢多样性,能够加速和促进其他微生物对潮土有机质累积和磷素循环过程的作用,在作物生长和土壤地力中起到＂领军性＂的作用。以上认知加深了对长期施用有机肥提升华北平原潮土地力过程中微生物学机制的认识,有助于指导调控土壤微生物更好地服务农田生态系统。

在非灭菌土壤条件下施用磷肥对VA菌根效应的影响

本文对中国科学院黄淮海平原综合治理封丘试区的四种不同类型潮土作了田间调查、微区试验以及盆裁试验。试验结果一致表明在这四种类型土壤中施用相当于每亩8斤P_2O_3的过磷酸钙最有利于VA菌根真菌的侵染,在适磷条件下接种菌根后可促进菌根菌侵染,缩短其侵染迟缓期,促进了植物对磷的吸收,从而也增加了植物地上和地下部分的生长。

不同植物对VA菌根菌的依赖性

用不灭菌的沙质黄潮土和建筑河沙作为生长基质,施加一定量稀释的 Hoagland 营养液,在盆栽条件下比较了来源于扦插苗和实生苗的不同植物对 VA 菌根的依赖性。结果表明除了一般被认为不形成 VA 菌根的菊花外,其余植物接种萄根后,不论株高,地上部分、地下部分鲜重和侵染率都大于不接种的对照植物。各种植物对菌根的依赖程度的大小依次为:葡萄、月季、白三叶草、芦笋、非洲紫罗兰、矮牵牛花,玉米、棉花、大豆、烟草、花生、西红柿、绿豆、百合。

VA 菌根真菌对石刁柏生长的影响

在不灭菌的黄淮海沙质黄潮土和壤质黄潮土中,对石刁柏(Asparagus officinalis L.)进行了 VA 菌根菌接种试验。结果表明:接种 VA 菌根后,提高了它对石刁柏的侵染率,并明显地促进了石刁柏的生长。氮、磷、钾配比为1:0:1时,接种可获得与1:1:1和1:2:1者相一致的产量;在全量施肥、施肥量减半和不施肥处理中,施肥量减半最有利于 VA 菌根的侵染,植株地上、地下部分的生长和磷量的吸收也优于其它处理。这说明接种 VA 菌根能提高植物对土壤磷素的吸收利用,从而节省了磷肥的用量。

亚铵制浆废液生产有机无机复混肥的工艺及其肥效

以麦草亚铵制浆废液为原料经浓缩固化工艺预处理 ,预处理后的浓缩液添加有机质和氮、磷、钾以及微量营养元素及调理剂 ,再经闭路循环流程工艺制成有机无机复混肥。该工艺实现了亚铵制浆废液的再利用 ,并可清洁化生产有机无机复混肥。

土壤微生物学的研究进展和发展方向

本文简要介绍了近年来土壤微生物学的国际研究现状及发展趋势;总结了国内近年来取得的主要成果与存在的问题;提出我国土壤微生物学的发展方向。

VA菌根真菌在经济植物中的作用

菌根是由真菌—植物根形成的共生体,广泛存在于自然界中,尤其是内生菌根中的泡囊—丛枝状菌根(简称VA菌根),分布更为普遍.大量的研究工作证明VA菌根真菌能促进植物对磷及其它营养元素的吸收,从而加速植物的生长和增加植物的产量.同时VA菌根真菌也能增加植物的抗逆性,产生的植物激素对植物生长发育起调节、刺激作用,改善植物的品质.但是VA菌根真菌的纯培问题至今尚末成功,大面积的应用较为困难.因此目前应用研究的热点主要集中在经济植物上,即在育苗阶段接种菌根菌,使幼苗菌根化,然后移植大田,通过这种接种方法来推动其应用.

VA菌根真菌在台湾园艺作物中的应用

菌根是植物的根受特殊土壤真菌侵染而形成的共生联合体,广泛存在于自然界,尤其是内生菌根中的泡囊丛枝状菌根(简称VA菌根),分布更为广泛。据报道,世界上大约有90％以上的有花植物,以及蕨类和苔藓植物都能形成VA菌根。菌根对植物的侵染没有严格的选择性,它在与植物共生过程中能增加植物对营养元素,尤其是对磷的吸收。

保护地菜田与稻麦轮作田土壤微生物学特征的比较

比较分析了位于长江三角洲嘉兴市的三类主要水稻土(漏水型水稻土、爽水型水稻土和囊水型水稻土)由稻—麦(或油菜)轮作改为多年连作露地蔬菜和大棚蔬菜后一些土壤微生物学特征的变化,以衡量土壤质量演变的趋势。结果表明,与稻—麦(油)轮作土壤相比,蔬菜地土壤微生物区系发生了极大的变化,细菌数量显著减少,真菌和放线菌数量却显著增加;硝化细菌和反硝化细菌数量随土壤类型不同呈不同的变化。多年连作露地蔬菜和蔬菜大棚保护地土壤中微生物生物量碳和总磷脂(TPL)含量显著低于稻麦轮作土壤,土壤中脱氢酶活性也显著低于稻麦轮作土壤。Biolog分析表明,蔬菜大棚保护地土壤中微生物能利用的碳源显著少于露地蔬菜和稻麦轮作土壤,而后两者间无显著差异。说明由稻—麦(油)轮作改为多年连作大棚蔬菜后土壤微生物群落结构、功能的多样性明显下降,土壤质量的稳定性和可持续利用性———土壤的长期生产力也将大大降低。土壤微生物数量、活性及群落结构和功能多样性的下降主要与蔬菜栽培特别是大棚蔬菜栽培的旱作与稻麦水旱轮作的生态环境条件的变化和前者的过量施用精有机肥和高效NPK复合肥导致的土壤氮、磷富集、有机质下降、次生盐渍化和酸化有关。

论“稻田圈”在保护城乡生态环境中的功能 Ⅰ.稻田土壤磷素径流迁移流失的特征

太湖流域最近5年的研究表明:单位面积上径流迁移的土壤磷素是桑园>>菜园≥大田麦季>大田稻季;稻麦轮作田每年向水体排放的磷量为P 0.84 kg hm-2,占当年磷肥用量的2.5%,而菜园地5个月内土壤磷素流失量就达P 0.6 kg hm-2,桑园在4个月内高达P 1.1 kg hm-2。径流迁移的土壤磷素形态主要是颗粒态磷(PP),占总流失磷的70%-80%,可溶性磷(DP)仅占20%-30%。在径流携出的可溶性磷总量中,可溶性无机磷(DIP)占30%-40%,可溶性有机磷(DOP)占60%-70%。径流产生的机制与土地利用方式有关:稻田产生的是“机会径流”,蔬菜地等旱地是“开放径流”,而桑园等则是“强化径流”,不同的产流机制决定径流的次数、流量和强度并导致不同的磷素迁移量。太湖流域水稻土磷素向水体排放的警戒值(Break point)为有效磷(P)25-30 mg kg-1,目前该地区水稻土平均的土壤有效磷水平为12-15 mg kg-1;因此常规条件下,未来5-10a内稻田不会形成严重的磷素面源污染威胁。故在城镇郊区、桑园和蔬菜基地周边建立“稻田圈”是防治磷索面源污染有效的生态措施。

土壤中DBP/DEHP污染对几种蔬菜品质的影响

采用田间试验方法,考察了土壤中DBP(邻苯二甲酸二丁酯)和DEHP(邻苯二甲酸二异辛酯)污染对番茄、蕹菜和胡萝卜品质的影响。结果表明,与对照相比,当土壤中DBP/DEHP(1∶1m/m)施加量为20mg·kg-1土和200mg·kg-1土时,番茄果实中维生素C含量分别降低8.53%和23.86%,蕹菜茎叶中维生素C含量分别降低4.77%和24.62%;番茄果实中可溶性糖含量分别增加32.11%和42.95%,可滴定酸度分别降低0.58%和20.66%,糖酸比分别提高33.07%和82.02%;胡萝卜块根中总类胡萝卜素含量分别增加6.19%和6.97%。表明DBP和DEHP可以影响蔬菜的品质。它们对蔬菜品质的影响并不是因为对植物生长的毒害作用而引起的,而可能是由于干扰了植物正常的生理代谢而引起的。在番茄、蕹菜和胡萝卜的果实、茎叶和根系中都检测到了DBP和DEHP的残留,残留量随土壤中施加DBP/DEHP浓度的增加而增加。在植物的地上部分DBP的含量较高,而DEHP含量很低,说明植物容易吸收积累DBP,而对DEHP的吸收很少。