长期有机肥和化肥配施对黑土细菌群落特征和大豆产量的影响

有机物料还田是提高土壤微生物多样性和提升土壤质量的主要措施,但目前有机物料还田对黑土关键土壤微生物类群的影响及其与大豆产量间的关系尚未充分明确。本研究基于东北地区44年长期黑土定位试验,研究不同施肥措施与土壤理化性质、细菌群落和大豆产能间的关联特征。结果表明:与无肥(NoF)对比,单施有机肥(M)和化肥配施有机肥(CFM)处理显著增加了土壤养分含量、微生物量碳和微生物量氮含量。化肥配施秸秆(CFS)处理的土壤细菌丰富度和多样性低于单施秸秆(S),而化肥配施有机肥(CFM)处理的土壤细菌丰富度和多样性高于单施有机肥处理(M)。相比于NoF,施肥导致富营养型细菌类群(r策略)与寡营养型细菌类群(K策略)的比值增加。长期秸秆还田(S和CFS)和施用化肥(CF)增加了细菌网络复杂性,而长期添加有机肥(M和CFM)降低了网络复杂性。结构方程模型表明土壤铵态氮、碳氮比、细菌网络结构复杂性和关键类群[硝化螺旋菌属(Nitrospira)与芽单胞菌属(Gemmatimonas)]丰度与大豆产量呈显著正相关关系。有机肥配施化肥(CFM)有利于提高关键功能微生物类群丰度、群落多样性和大豆产量。

不同大豆连作年限对黑土细菌群落结构的影响

大豆连作导致作物产量下降、病原微生物富集和土壤退化等问题日趋严重。然而,目前关于大豆连作对土壤细菌群落结构组成及多样性分布的影响及发生机制尚不清楚。采用高通量测序技术,对大豆连作(不同年限)和大豆.玉米轮作下的黑土细菌16SrRNA基因进行测序分析。结果表明:轮作5年(CR5)和13年长期连作(CC13)处理显著增加了土壤pH、全氮(TN)、全磷(TP)和速效养分(AN、AP和AK)含量。与短期连作相比,CR5和CC13处理均提高了细菌群落的OTUs数量、PD值、Chao1指数和Shannon指数。聚类分析图谱结果显示细菌群落结构组成受到轮作和连作年限的双重影响,而土壤pH、TN、TP、AN、AP和AK是细菌群落结构发生变化的主要驱动因子(P<0.05)。此外,VPA分析发现上述土壤因子中,土壤pH对细菌群落结构变化的贡献度最大。本研究证明大豆长期连作提高了土壤养分含量和细菌群落的丰富度和多样性指数,从分子生物学的角度证实大豆长期连作在一定程度上改善了土壤环境,为大豆连作障碍的研究提供了理论依据。

土壤剖面微生物群落分布规律研究进展

微生物在土壤有机质转化和养分循环过程中发挥着重要的调节作用。明确微生物在土壤剖面中的变化规律对于了解微生物群落调控生态系统功能的机制至关重要。以往有关土壤微生物的研究多数局限于表层土壤,而对深层土壤微生物群落多样性和形成机制的研究相对较少。然而,深层土壤微生物在土壤形成、碳固存以及元素化学循环等过程中的作用不容忽视。因此,本文综述了不同生态系统中土壤剖面微生物分布格局的研究进展,分析了微生物丰度、多样性和群落组成在土壤剖面中的分布规律及其与土壤理化指标的关系,阐述了土壤微生物相互作用模式以及装配过程随着土壤深度的变化规律,并对未来的研究重点加以展望,以期为深入认识土壤的形成机制和保护利用好土壤资源提供理论依据。

黑土区农田土壤氮循环关键过程微生物基因丰度的分布特征

土壤微生物作为碳氮循环过程的主要驱动者与作物生产和生态环境安全关系密切。目前,仅有少数基于单一氮循环过程的研究报道了功能基因的空间分布特征,缺乏关于氮循环关键过程微生物分布特征的耦联分析。本研究采用实时荧光定量PCR技术,对东北黑土农田土壤氮循环关键过程的固氮、氨氧化和反硝化过程功能基因丰度特征及对土壤因子的响应进行关联分析。结果表明,在低pH(4.5~5.0)土壤中,不同氮循环基因丰度均显著低于其他pH土壤样本。种植大豆的土壤nifH基因丰度显著高于种植玉米的土壤样本(分别高于60%和83%)。氨氧化古菌(AOA)amoA基因丰度显著高于氨氧化细菌(AOB)amoA基因丰度,AOA amoA与AOB amoA基因丰度的比值为3.1至91.0。氮循环功能基因丰度与土壤pH和土壤全碳(TC)之间存在显著的正相关关系(P<0.01)。非度量多维尺度分析(NMDS)结果显示主要表征黑土区氮循环基因组成的NMDS1与土壤pH和TC显著正相关。方差分解分析和随机森林分析结果显示土壤pH和TC是氮循环微生物基因丰度空间分布的最主要驱动因子。本研究发现除了土壤因子外,地理距离对农田土壤氮循环关键过程微生物分布也产生重要影响,为认识土壤微生物参与的农田生态系统的生物地球化学循环过程提供理论基础。

作物茬口对黑土农田土壤反硝化细菌数量及群落结构的影响

【目的】反硝化作用导致农田土壤氮素损失和温室气体N2O的排放。研究不同作物茬口对土壤反硝化细菌群落结构的影响,旨在揭示作物茬口影响N2O排放的相关机制。【方法】定位试验位于黑龙江省海伦市前进乡光荣村(47°23′N,126°51′E),种植方式包括玉米连作(CC)、大豆连作(SS)以及玉米-大豆轮作,每年一季。取样时,轮作体系玉米已倒茬三次、大豆两次。采集CC、SS以及轮作体系中的大豆茬口(SSC)和玉米茬口(CSC)的表层土壤(0—15 cm)样品,利用实时定量PCR(qPCR)和高通量测序技术,分析土壤中的nirS和nirK型反硝化细菌丰度和群落组成。【结果】在4个作物茬口土壤中,CC处理的反硝化速率最高,玉米-大豆轮作体系中SSC和CSC处理的反硝化速率显著高于SS处理。轮作体系两个茬口SSC和CSC处理的nirS和nirK型反硝化细菌基因丰度多显著高于SS处理,而与CC处理多差异不显著。PCoA结果显示,SSC和CSC处理的nirS型反硝化细菌群落间差异显著,而CC和SS处理的nirK型反硝化细菌群落间存在显著差异。RDA分析结果表明,NO_(3)^(-)-N和C/N分别是nirS和nirK型反硝化细菌群落分异的最主要驱动因子。SEM分析结果显示,nirS型反硝化细菌群落与反硝化速率呈显著正相关(R^(2)=0.92),而nirS和nirK型基因丰度与土壤反硝化速率无显著相关关系。【结论】作物茬口显著影响黑土农田土壤反硝化细菌群落和丰度组成。反硝化细菌群落组成而非反硝化细菌丰度是反硝化速率变化的决定性因素,nirS型反硝化细菌对土壤反硝化作用贡献更大。

侵染3株模式豆科根瘤菌的噬菌体生物学特性

豆科作物根瘤菌被噬菌体浸染后,在一定程度上会引起根瘤菌数目和结瘤量的降低,进而导致共生固氮作用弱化和作物产量的显著下降.然而,目前关于根瘤菌噬菌体的相关研究报道较少.本研究以3株模式根瘤菌,即慢生型大豆根瘤菌、中华大豆根瘤菌和中华苜蓿根瘤菌为宿主,于黑土农田土壤中采用双层平板培养法从每个宿主细菌分离3株噬菌体,共分离获得9株根瘤菌噬菌体,对其形态结构及生物学特征进行综合分析.结果表明:侵染苜蓿根瘤菌噬菌体(SMM)和慢生型根瘤菌噬菌体(BDM)属于肌尾噬菌体科,而侵染中华根瘤菌噬菌体(SSS)隶属于长尾噬菌体科.9株噬菌体的最佳感染复数均在0.001~1.0的变化范围内.一步生长曲线结果显示,BDM的潜伏期和爆发期明显长于SMM和SSS,但获得的裂解量最小.根瘤菌噬菌体在30~40℃和中性pH条件下侵染活性最大.对比发现,侵染同一宿主的噬菌体生物学特征虽存在一定差异,但分异度远小于不同宿主噬菌体间的差异.

保护性耕作增强了真菌群落生态网络稳定性

【目的】解析不同耕作措施下的土壤真菌群落组成以及病原真菌生态网络特征,为了解真菌在维持和改善农业生态系统稳定性方面提供科学依据。【方法】通过高通量测序技术,对传统犁耕(moldboard plow,MP)和保护性耕作[少耕(reduced tillage,RT)、免耕(no-tillage,NT)]下根际和非根际土壤中真菌群落的组成、多样性和真菌病原菌的关联网络特征进行了综合分析。【结果】与NT对比,MP和RT显著增加了土壤全碳(total carbon,TC)、全氮(total nitrogen,TN)和速效钾(available potassium,AK)的含量。根际效应对真菌群落的影响显著高于耕作措施。根际土壤中,RT处理的Shannon指数显著高于MP和NT。NT和RT处理显著降低了根际土壤中镰孢菌(Fusarium)和链格孢菌(Alternaria)的相对丰度。此外,RT降低了病原真菌的网络复杂性、减少了病原菌与其他真菌间的交互作用,增强了网络稳定性。【结论】保护性耕作RT是具有增加土壤养分、提升真菌网络稳定性且具有减轻病原菌有效传播作用的最佳耕作模式,为东北地区的耕作应用提供了新的视角。