不同施肥年限对红壤细菌多样性及群落结构演替的影响

为探讨不同年限施肥处理对旱地红壤细菌多样性和群落结构演替的影响,基于中国科学院红壤生态实验站设置的不同秸秆还田方式长期定位试验,采集种植玉米后第1年(Y2011)、第3年(Y2013)和第7年(Y2017)的土样进行分析。试验处理分为不施肥(CK)、化肥(N)和化肥+秸秆猪粪配施(NSM)3个处理,通过高通量测序技术研究旱地红壤细菌多样性和群落结构差异。结果表明:(1)施肥处理显著提高了土壤有机碳、全氮、全磷和有效磷养分含量,NSM处理对土壤肥力的提升效果比N处理好,且随着施肥年限的延长,提升效果越显著;(2)与Y2011相比,Y2013和Y2017下CK、N和NSM处理的细菌α多样性均显著提高,且N和NSM处理细菌多样性显著高于CK处理;(3)主坐标分析和聚类分析表明,土壤细菌群落主要通过施肥年限聚类在一起,但同一施肥年限下不同施肥处理之间细菌群落结构没有显著差异;(4)土壤全磷是驱动细菌多样性和群落结构变异的最关键因子。本研究从细菌多样性增加的角度,为探索有机培肥下红壤肥力提升和生态系统健康管护提供了科学依据。

秸秆还田方式对丛枝菌根真菌群落和玉米磷素利用的影响

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)与80%左右的植物可形成共生结构,在农田生态系统中对植物—土壤系统养分循环起重要作用。为改善我国南方典型瘠薄红壤加速酸化、磷有效性低和土壤生物功能退化等严重问题,采用高通量测序技术揭示秸秆还田方式对根际AMF群落、土壤磷酸酶活性和磷素利用率的作用机制。结果表明,不同秸秆还田方式显著影响土壤理化性质,其中秸秆猪粪配施处理显著提升有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、有效磷(AP)以及酸性磷酸酶(acid phosphomonoesterase,ACP)和碱性磷酸酶(alkaline phosphomonoesterase,ALP)活性。秸秆还田显著影响AMF多样性和群落结构,球囊霉属(Glomus)和类球囊霉属(Paraglomus)是AMF群落的优势属,SOC是影响AMF多样性和群落结构的关键因子。秸秆猪粪配施处理对玉米磷素利用率的提升效果最佳,显著高于秸秆还田和秸秆生物质炭处理。AP、TP、ACP活性和AMF群落多样性显著影响了磷肥利用率。不同秸秆还田方式下根际AMF群落可能调控了土壤磷素活化过程和玉米磷素利用效率,对于加强土壤健康管护和粮食产能提升具有重要意义。

有机肥施用对红壤原生生物与微生物互作的影响

为明确不同施肥处理对土壤原生生物群落、微生物碳代谢活性的影响,以南方典型旱地红壤为研究对象,基于中国科学院鹰潭红壤生态实验站玉米单作系统有机培肥长期定位试验,选取不施肥(M0)、低量猪粪(M1)、高量猪粪(M2)、高量猪粪+石灰(M3)4个处理,利用高通量测序技术研究不同猪粪处理下红壤原生生物多样性、群落结构的变化,揭示原生生物与微生物互作对土壤微生物碳代谢活性和玉米产量的影响。结果表明:(1)长期施用猪粪处理下,土壤pH、有机质(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、速效磷(AP)和速效钾(AK)的含量显著提高;(2)与M0处理相比,施肥处理显著提高了原生生物生物量和多样性,并且显著改变了其群落结构,其中土壤TP、pH、AP、TN、SOM和AK是原生生物群落结构变化的重要驱动因子;(3)施肥处理显著提高了土壤细菌和真菌生物量,增加了微生物碳代谢活性(Average well color development,AWCD);(4)土壤pH和AP通过影响原生生物多样性和群落结构,间接提高了微生物碳代谢活性和玉米产量。本研究结果为提升旱地红壤的生物多样性,保障土壤健康和维持生态系统服务功能提供了科学依据。

土壤–根系–微生物系统中影响氮磷利用的一些关键协同机制的研究进展

根际是养分进入作物系统的门户,也是土壤-根系-微生物相互作用的微域。根际界面过程决定了氮磷养分的供应强度和有效性,最终影响了氮磷养分的利用效率和作物生产力。近年来,国内外在揭示农田土壤-根系-微生物系统中不同界面的养分转化、吸收和运输机制方面取得了一些新进展。在不同时空尺度上分析了影响土壤氮磷转化微生物组成的影响因子;研究了丛枝菌根系统形成的信号机制及其对氮磷吸收的基因调控机制;从信号网络、根系质子分泌和根构型的角度系统揭示了作物根系应对根际环境氮磷养分供应的形态和生理响应机制。未来针对根际氮磷高效利用问题,需要深入研究土壤-根系-微生物不同界面的协同机制和调控原理,在根际微域和土壤团聚体尺度开展微生物食物网及其关键功能微生物分布格局和演替规律的研究;揭示根构型对根系–微生物协同结构和功能的影响,研究养分缺乏条件下根内质子分泌和关键转运蛋白对根系生长和养分吸收的调控机制;针对粮食作物,研究根系-微生物对话中已知信号物质(如独脚金内酯和N-酰基高丝氨酸内酯)和新的信号物质(小RNA)的网络作用机制及其对多养分协同代谢的影响;最后,针对不同气候、土壤、作物类型区,提出提高氮磷利用效率的根际生物调控途径和措施。

田间条件下小麦和玉米秸秆腐解过程中微生物群落的变化——BIOLOG分析

对秸秆分解微生物演变机理的研究是调控秸秆还田、提高农田地力的理论基础。本试验基于土壤置换试验平台,利用BIOLOG方法研究在寒温带、中温带和中亚热带气候下,埋于黑土、潮土和红壤中的小麦和玉米秸秆在腐解过程中微生物对碳源利用的变化规律。试验中利用网袋法区分直接分解秸秆微生物。试验结果发现秸秆腐解微生物的碳源代谢活性(Average Well Color Development AWCD值表示)在腐解0.5 a和1 a后表现出一定的随气候变化规律,即随温度和降雨量的增加而降低。其中0.5 a为海伦(0.765±0.060)>封丘(0.737±0.165)>鹰潭(0.326±0.076),1 a为海伦(0.630±0.092)>封丘(0.319±0.096)>鹰潭(0.291±0.029),但这种趋势在腐解2 a后减弱。气候条件是影响秸秆腐解微生物碳源代谢活性的主要因素,其次是腐解时间和土壤类型。主成分分析表明在腐解0.5 a后海伦、封丘地区的微生物群落代谢特征与鹰潭差异较大,而1 a后封丘和鹰潭的微生物群落代谢特征与海伦的差异较大,腐解2 a后不同气候条件下的秸秆腐解微生物对碳源的利用趋于一致,均对含氮化合物利用较多。

等碳投入的有机肥和生物炭对红壤微生物多样性和土壤呼吸的影响

施用有机肥是快速培育瘠薄土壤的一个重要措施。针对中亚热带第四纪红黏土发育的红壤旱地,建立了玉米和花生单作系统等碳量投入有机肥和生物炭的田间试验,利用聚合酶链式反应—变性梯度凝胶电泳(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis,PCR-DGGE)方法研究了土壤细菌和真菌群落组成和多样性的变化,分析了土壤呼吸速率(CO2通量)的变化及其与微生物多样性的关系。两年的试验表明,不同施肥方式导致微生物群落结构显著分异,施用有机肥和生物炭显著增加了细菌多样性,但施肥第二年真菌多样性有下降趋势。秸秆和猪粪配施显著增加了土壤呼吸速率,土壤呼吸速率与细菌和真菌多样性呈显著正相关,细菌多样性对土壤呼吸的影响(相对贡献率为71%)显著高于真菌(29%)。土壤磷素(全磷和速效磷)含量的变化是驱动红壤微生物多样性变化的主导因素,其对细菌和真菌多样性的相对贡献率分别为44.8%和47.4%。因此,合理配施秸秆和猪粪可以快速提高瘠薄红壤的生物功能。

水稻品种和砷污染对土壤溶解性有机碳氮的影响

选取有机质含量和pH不同的2种水稻土(黄泥田和红泥田),通过盆栽实验研究砷(As)污染条件下,种植9个水稻品种对土壤溶解性有机碳(DOC)和溶解性有机氮(DON)含量的影响,分析水稻品种、As污染和土壤类型的相对影响与交互作用。结果表明,水稻品种显著影响了土壤DOC和DON的变化,在水稻收获后,DOC平均含量的大小顺序为杂交稻(41.09±0.92 mg kg-1)>籼稻(38.10±1.53 mg kg-1)>粳稻(37.74±1.37 mg kg-1);DON平均含量的大小顺序为粳稻(2.94±0.40 mg kg-1)>杂交稻(2.61±0.42 mg kg-1)>籼稻(1.45±0.17 mg kg-1)。As污染降低了土壤DOC和DON的含量,但不同品种水稻的响应不同。与对照相比,As污染条件下,黄泥田和红泥田中DOC平均含量分别下降了14.4%和11.1%,DON平均含量分别下降了65.0%和44.7%;DOC在种植杂交稻后降幅最小,而DON在种植籼稻后降幅最小。在两种水稻土中,黄泥田的DOC和DON平均含量高于红泥田,在没有As污染条件下,分别高22.4%和45.8%,这与黄泥田有机质含量和pH高有关。水稻品种、As污染和土壤类型对DOC和DON变化的影响不同,3个因子对DOC变化的相对贡献率分别为7.7%、15.5%和27.6%,对DON变化的相对贡献率分别为14.7%、24.2%和2.0%。

长期施用有机物料对旱地红壤磷组分及磷素有效性的影响

针对中亚热带第四纪红黏土发育的红壤旱地,建立了玉米单作系统等碳量投入有机物料的田间试验,利用不同的磷分级方法研究了不同有机物料施用对土壤磷组分的影响,构建了不同磷组分的含量与土壤全磷及有效磷之间的回归方程,明确了不同磷组分对土壤磷活化系数(PAC)及磷肥(表观和经济)利用率的影响。连续7a的试验结果表明:施用有机物料可以增加土壤PAC和磷肥利用率,并以秸秆猪粪9︰1配施(NPKS/M)处理效果最佳,显著高于常规施肥处理(NPK);施用有机物料显著提升了土壤有机磷含量,且与土壤有效磷含量显著正相关,其对土壤PAC及磷肥(表观和经济)利用率影响显著。施用有机物料通过影响土壤有机碳、全氮、碱解氮、交换性K^+以及交换性Al^(3+)含量影响土壤磷的有效性。

不同气候条件下潮土微生物群落的变化

针对气候变化的背景研究农田土壤微生物对气候变化的响应机制是调控农田土壤养分循环的理论基础。本研究基于设置在3个气候带(冷温带海伦、暖温带封丘和中亚热带鹰潭)的潮土移置试验,利用磷脂脂肪酸(PLFA)分析方法研究了移置第6年土壤微生物群落的变化特征。结果表明,在3种气候条件下潮土移置6年后土壤部分理化性质显著变化,土壤有机质含量表现为冷温带最高而中亚热带最低;在种植玉米的不同施肥处理中,土壤中微生物总PLFAs、革兰氏阳性细菌(G+)、革兰氏阴性细菌(G-)、细菌和放线菌PLFAs含量均表现为海伦>封丘>鹰潭,真菌/细菌比值在冷温带最低;PLFA图谱的主成分分析显示气候条件显著影响了土壤微生物的群落结构,海伦和封丘位于PC1正轴,而鹰潭位于负轴,受气候影响较大的特征PLFA包括18:1ω7c、16:1ω5c、16:0、18:0和18:2ω6,9c;逐步回归分析显示温度、降雨和土壤有机质是影响微生物群落的主要因子。总体上,气候条件的变化在短期内(6年)改变了土壤微生物的群落结构,可以影响农田生态系统的生物地球化学循环。

长江中下游两种典型水稻土微生物对砷污染的响应

基于温室盆栽实验,利用磷脂脂肪酸分析(PLFA)方法研究了As污染、土壤类型和水稻品种对水稻抽穗期土壤微生物群落的影响.结果表明,水稻土土壤中微生物生物总量(总PLFAs)以及微生物组成均不同程度的受到了As污染、土壤类型及水稻品种的影响;As污染增加了土壤总PLFAs,黄泥田的土壤总PLFAs、真菌/细菌(F/B)、革兰氏阳性细菌/阴性细菌(G+/G-)、腐生真菌/丛枝菌根真菌(SF/AMF)显著高于红泥田;在黄泥田中,种植籼稻品种的土壤总PLFAs较杂交稻和粳稻品种平均减少30.0%,而在红泥田中平均增加24.8%.偏Mantel检验和冗余分析(RDA)表明土壤p H值、DOC、NH4+和As浓度是驱动水稻土微生物群落演变的主控因子,其中受As影响较大的特征PLFAs包括20:0、i17:1ω9c、18:1ω9c、cy17:0和18:3ω6c;ABT预测模型显示水稻品种和土壤类型对总PLFAs、F/B、G+/G-和SF/AMF指标的贡献相对较大,而As处理的影响较小.

长期施用猪粪对红壤酸度的改良效应

土壤酸化严重限制了我国南方红壤区土壤的农业利用。本研究应用江西鹰潭红壤生态实验站长期猪粪养分淋失试验,分析了不同施肥处理(对照处理:N 0 kg/hm2;低量有机肥:N150 kg/hm2;高量有机肥:N 600 kg/hm2;高量有机肥+石灰处理:有机肥N 600 kg/hm2+石灰3000 kg/(hm2.3a))长期施用对红壤酸度的改良效应。研究结果表明,9年高量有机肥施用中土壤pH值平均每年上升0.085个单位,而低量有机肥施用对土壤pH没有显著影响。有机肥长期施用增加了土壤盐基离子浓度,其中Ca、Mg增加幅度较大,使得长期施肥后土壤盐基以Ca为主,其次是Mg,而K、Na比例较低。长期有机肥施用有效降低了红壤旱地表层土壤交换性酸含量,尤其是对交换性铝含量的降低程度较大,且随施肥量的增加而增大,在施肥4年后可基本消除铝毒。高量施肥基础上的石灰添加进一步提高了土壤pH值,加快了土壤酸度改良。红壤旱地猪粪施用显著提高了玉米产量,达到酸度改良效果的最低猪粪用量为Ca 162 kg/hm2。在施肥初期添加一次石灰,将土壤pH值迅速提高,然后通过有机肥对pH的稳定作用保持和逐步提高土壤pH,可在最短时间、用最少投入消除土壤酸害。

不同施肥制度甘蔗地土壤养分对微生物群落结构的影响

以广西红壤长期定位施肥甘蔗地为研究对象,探讨了不同施肥措施甘蔗地土壤微生物群落特征以及土壤养分对微生物群落结构的影响。结果表明,长期优化施肥可以提高土壤微生物多样性,不施肥土壤微生物生长得到显著抑制。土壤全氮、全钾、速效钾含量与微生物群落结构密切相关,可采取适当增加钾肥用量以增加微生物多样性,提高土壤肥力。土壤中磷素含量与微生物群落结构无显著相关,红壤甘蔗地中磷肥用量应适当,不宜过量施用。

寻找解磷菌——核心素养视域下的“微生物分离与培养”教学实践

本研究通过磷酸三钙选择培养基共筛选出10株具有高效解磷能力的菌株。这些菌株既有解有机磷的能力,又有解无机磷的能力。其中,菌株A1和菌株A8的解磷能力更高效。通过“寻找解磷菌”的项目化学习,在真实问题情境的解决过程中,发展学生的生物学学科核心素养和培养创新意识。

皖南沿江平原不同年限烟-稻轮作土壤团聚体组成与烤烟产质量的关系

在安徽省皖南池州和宣城主要植烟区开展试验,研究了皖南沿江平原区典型水稻土在烟–稻轮作下团聚体组成变化与烤烟产质量的关系。试验共选择9个轮作年限田块,其中池州4个,分别为烟–稻轮作0(即种植单季稻)、2、4、9 a,宣城5个,分别为烟-稻轮作1、3、5、8、12 a。结果表明:池州地区烟–稻轮作土壤2~5 mm团聚体含量随轮作年限增加呈现先增加后降低的趋势;宣城地区烟-稻轮作1 a时土壤2~5 mm团聚体含量显著高于其他轮作年限土壤,且此级团聚体所占比例与轮作年限之间显著负相关。综合池州、宣城两地,随着轮作年限的增加,烤烟产量降低,但池州地区烟叶随着轮作年限的增加,中、上部叶中氯含量呈现下降趋势,上部叶中钾/氯比呈增加趋势;宣城地区其他轮作年限烟叶中、上部叶中糖/碱比均高于轮作1 a烟叶,且轮作5~8 a内适合优质烤烟生产(变化稳定)。同时,池州地区上部烟叶刺激性和干燥感评分随着轮作年限的增加呈现下降趋势;宣城地区上部叶香气特性评分随着轮作年限增加而增高。池州和宣城两地土壤2~5 mm团聚体含量与烤烟产量呈现显著正相关关系,且产量均受土壤2~5 mm团聚体pH的显著影响。池州地区土壤中2~5 mm团聚体含量与烟叶中总糖含量呈显著正相关关系。通过建立随机森林模型发现,池州地区烟叶中总糖含量受土壤碱解氮含量影响显著。土壤2~5 mm团聚体含量与理化性质对皖南烟区烤烟产量和品质有着重要作用,通过施用秸秆、有机肥和土壤改良剂等高效培育土壤团聚体的施肥方式,可以改善土壤团粒结构,提升烟田土壤质量,保障安徽皖南烤烟适产、稳产、优质和风味独特。

团聚体大小分布对孔隙结构和土壤有机碳矿化的影响

土壤团聚体在外部和内部因素影响下发生团聚和破碎过程,形成不同大小分布的团聚体。团聚体大小分布的变化会改变土壤孔隙结构,影响各种土壤物理、化学和生物学过程,进而影响土壤有机碳(SOC)的周转。选择三种长期施用不同量有机肥的红壤(不施肥,CK;施低量有机肥,LM;施高量有机肥,HM),过不同大小孔径筛(5 mm,S_(5);2 mm,S_(2);0.5 mm,S_(0.5))改变团聚体的大小分布,然后填装土柱(直径2.9 cm、高度4 cm),填装容重为1.3 g·cm^(-3)。利用X射线显微CT(Computed Tomography)成像技术分析土壤的孔隙结构,采用室内培养法测定土壤有机碳矿化量。结果表明,团聚体大小对孔隙结构有极显著的影响。相较于S_(5)和S_(2)处理,S_(0.5)处理土壤的大孔隙度(>16μm)降低了83.0%~93.9%,孔隙连通性降低了95%以上。而S_(5)和S_(2)处理的大孔隙度和孔隙连通性只在HM土壤中有显著差异,在CK和LM土壤中无显著差异。团聚体大小分布对土壤有机碳矿化量有显著影响。团聚体破碎增加了土壤有机碳矿化量。在CK土壤中,S_(0.5)的有机碳累积矿化量较S_(5)和S_(2)分别高64.2%和79.1%;在HM土壤中,S_(0.5)的有机碳累积矿化量较S_(5)和S_(2)分别高19.3%和14.1%。与之不同的是,在LM土壤中,S_(0.5)的有机碳累积矿化量与S_(5)无显著差异,可能是受到孔隙结构的影响。相关分析发现,土壤有机碳累积矿化量与16~30μm孔隙的孔隙度呈显著的正相关关系。团聚体大小分布的变化改变了土壤的孔隙结构,大团聚体破碎降低了填装土柱的大孔隙度。团聚体破碎促进土壤有机碳的矿化,一部分原因是释放出了被保护的有机碳。此外,团聚体大小改变导致的孔隙结构变化可能是影响土壤有机碳矿化的另一个重要因素。

生物质炭和秸秆长期还田对红壤团聚体和有机碳的影响

生物质炭和秸秆还田是提高土壤有机碳含量和改良土壤团聚体结构的有效方法,但在长期尺度上生物质炭与秸秆还田改良土壤的效率仍不清楚。本研究针对中亚热带第四纪红黏土发育的红壤,基于等碳量不同碳源投入的5 a田间定位试验,包括对照、单施化肥、秸秆还田、秸秆–猪粪配施和生物质炭还田5个处理,采用干筛和湿筛法分析了不同施肥处理对土壤团聚体组成、稳定性和有机碳分布的影响。研究表明:施用等碳量的不同有机碳源5 a后显著增加了土壤有机碳含量,其增幅顺序为:生物质炭还田>秸秆–猪粪配施>秸秆还田。干筛法分析结果表明:与单施化肥处理相比,秸秆–猪粪配施和生物质炭还田处理显著增加>0.25 mm机械稳定性团聚体含量(R0.25)和平均重量直径(mean weight diameter,MWD);秸秆还田和生物质炭还田处理显著增加了0.25~2 mm团聚体对土壤有机碳的贡献率。湿筛法分析结果表明:与单施化肥处理相比,秸秆还田和秸秆–猪粪配施处理显著增加R_(0.25)和MWD,但生物质炭还田处理和单施化肥处理相比差异不显著;秸秆还田和秸秆–猪粪配施处理显著降低团聚体破坏率(PAD),生物质炭还田处理显著增加了PAD;秸秆配施猪粪处理和秸秆还田处理显著增加了>2 mm团聚体对土壤有机碳的贡献率。总体上,秸秆配施猪粪协同提高团聚体有机碳含量和团聚体稳定性的作用比秸秆还田和生物质炭还田要强。

不同秸秆还田方式对旱地红壤细菌多样性及群落结构的影响

为明确不同秸秆还田方式下土壤细菌群落结构变化特征,以南方典型旱地红壤为研究对象,基于中国科学院鹰潭红壤生态实验站玉米单作系统不同秸秆还田方式的长期试验,利用高通量测序明确了不同秸秆还田方式对土壤细菌多样性及群落结构的影响。结果表明:(1)秸秆还田对土壤肥力提升显著,以秸秆猪粪配施(NPKSM)处理提升效果最佳;(2)常规化肥处理(NPK)对细菌多样性无显著影响,但秸秆还田(NPKS)、秸秆猪粪配施(NPKSM)以及生物质炭(NPKB)处理均显著提升土壤细菌多样性;(3)土壤有效磷和有机碳变化是影响细菌多样性指数的主要因素,而速效钾、pH、全磷以及全氮均显著驱动细菌群落结构变异。研究结果从培育红壤肥力和增加微生物多样性的角度,为农业生态系统生物功能和土壤健康的协同提升提供了科学依据。

秸秆还田对玉米根际氨氧化微生物群落及红壤硝化潜势的影响

为探讨酸性红壤根际氨氧化微生物群落以及硝化作用对不同秸秆还田处理的响应,基于中国科学院鹰潭红壤生态实验站设置的秸秆还田长期试验平台(9年),采用荧光定量PCR和高通量测序技术,研究不同秸秆还田处理(不施肥(CK);氮磷钾肥(NPK);氮磷钾肥+秸秆(NPKS);氮磷钾肥+秸秆猪粪配施(NPKSM);氮磷钾肥+秸秆生物炭(NPKB))下玉米根际土壤氨氧化古菌(ammonia⁃oxidizing archaea,AOA)和细菌(ammonia⁃oxidizing bacteria,AOB)丰度和群落结构的变化,揭示了秸秆还田对根际氨氧化微生物群落结构和硝化潜势(potential nitrification activity,PNA)的影响机制。结果发现:相比CK和NPK处理,秸秆还田显著提高了土壤养分含量和硝化潜势,其中有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、硝态氮(NO^(-)_(3)⁃N)和铵态氮(NH^(+)_(4)⁃N)含量显著增加,NPKSM处理对土壤肥力提升效果最佳。AOA的硝化潜势显著高于AOB,表明AOA主导了土壤硝化作用。秸秆还田显著提高了AOA和AOB丰度,改变了群落组成,Shannon和Chao1指数均高于未添加秸秆的处理。SOC、TN和NH^(+)_(4)⁃N以及AOA和AOB多样性指数分别与PNA_(AOA)和PNA_(AOB)呈显著正相关。结构方程模型表明,NH^(+)_(4)⁃N和TN通过AOA丰度和AOB多样性间接影响PNA_(total)。研究结果表明,秸秆还田处理能够显著提高红壤肥力,增加红壤AOA和AOB数量和活性,从而促进红壤氮素转化过程,其中秸秆猪粪配施的提升效果最佳。

秸秆还田方式对根际固氮菌群落及花生产量的影响

【目的】固氮微生物是土壤中重要的功能微生物,其多样性和群落组成变化能够影响土壤氮素固定与氮循环过程,探究不同秸秆还田方式对根际土壤固氮菌多样性和群落组成的影响机制具有重要意义。【方法】基于中国科学院鹰潭红壤生态实验站花生单作系统不同秸秆还田长期定位试验,设置不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)、NPK肥+秸秆还田(NPKS)、NPK肥+秸秆猪粪配施(NPKSM)和NPK肥+秸秆生物炭(NPKB) 5个处理,利用高通量测序技术,分析不同秸秆还田方式下根际固氮菌多样性和群落组成的变化特征。【结果】秸秆还田处理下土壤有机碳(SOC)、速效钾、全磷、有效磷、全氮含量提升,其中以NPK肥+秸秆猪粪配施(NPKSM)处理效果最佳。秸秆还田增加了固氮微生物多样性,并显著改变其群落组成,在纲水平上固氮菌以α-变形菌纲(Alphaproteobacteria,82.5%)为优势类群;在属水平上以慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium,51.9%)为优势类群。土壤有效磷是影响固氮菌多样性指数的主要因素,而土壤pH、SOC、速效钾、全磷、有效磷、全氮和铵态氮是影响固氮菌群落组成的主要因素。结构等式方程研究结果表明土壤有效磷和全氮通过改变δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的相对丰度和固氮菌群落组成间接影响花生产量。【结论】秸秆还田显著提升了土壤肥力,土壤有效磷是根际固氮菌多样性和群落组成改变、花生产量提高的重要驱动因素,通过提高Deltaproteobacteria的相对丰度促进了花生增产。本研究为建立合理的秸秆还田措施,增强生物固氮潜力以及提升红壤肥力与健康提供科学依据。

松散土样和填装土柱及紧实程度对土壤有机碳矿化的影响

土壤有机碳(SOC)矿化一般通过培养松散土样来测定,但是松散土样与原状土的结构存在很大差异,二者之间SOC矿化的关系尚不明确;通过填装土柱可以获得接近田间状态的土壤样品,但填装的紧实程度会改变土壤孔隙结构,因此可能影响SOC矿化。本研究首先以施用不同量有机肥的红壤为研究对象,设置松散土样和填装土柱两个处理,采用室内培养法比较二者之间SOC矿化的差异;然后选择其中一种土壤填装土柱,设置BD_(1.1)、BD_(1.3)、BD_(1.5)、BD_(1.7)四个紧实程度处理,容重分别为1.1、1.3、1.5和1.7g·cm^(–3),利用X射线显微CT(Computed Tomography,CT)成像技术分析土壤孔隙结构,分析紧实程度对土壤孔隙结构及SOC矿化的影响。结果表明,松散土样与填装土柱的SOC矿化量有显著差异,培养结束时(第57天),松散土样的有机碳累积矿化量约是填装土柱的4倍。紧实程度增加较大程度地降低了土壤的总孔隙度和大孔隙度(>16μm),降低比例分别为12.9%~17.4%和18.7%~88.5%;并且使充气孔隙度从63.6%降至8.2%,而充水孔隙度从36.4%增至91.8%。填装土柱的SOC矿化量随紧实程度增加呈先增加后降低的趋势,培养结束时(第28天),BD_(1.5)的SOC矿化量最高。回归分析的结果表明,SOC矿化量与总孔隙度、大孔隙度(>16μm)、充水孔隙度(Water-filled pore space,WFPS)或充气孔隙度(Air-filled pore space,AFPS)之间存在显著的非线性关系。当总孔隙度或大孔隙度低于46%或3.7%时,SOC矿化量随孔隙度增加而增加;反之,SOC矿化量随孔隙度增加而降低。SOC矿化量与WFPS或APFS之间的关系呈现出类似的规律,当WFPS为66%或AFPS为34%时,SOC矿化量最高。以上结果说明,通过培养松散土样测定SOC矿化将会高估田间SOC的矿化潜力;紧实程度的变化会改变土壤的孔隙结构进而影响填装土柱的SOC矿化;SOC矿化量与孔隙度之间存在显著的非线性关系。