紫云英季土壤固氮微生物对外源碳氮投入的响应

【目的】分析不同外源有机物料(稻草、葡萄糖)及氮素投入对紫云英季土壤固氮微生物的调控作用,为我国南方紫云英-水稻轮作体系中秸秆还田及化肥减施增效提供支持。【方法】采用盆栽试验,共设7个处理,即CK(对照,不添加有机物料和氮)、稻草等量添加并配施不同量氮素(分别表示为Rs、RsN1和RsN2,对应C/N比分别为66、25和13);等秸秆碳量添加葡萄糖并配施不同量氮素(即Glc、GlcN1、GlcN2)、调整C/N比与秸秆添加相应处理保持一致。采集紫云英快速生长期土壤样品,利用Illumina Miseq PE300高通量测序和绝对定量PCR技术分析固氮功能基因nifH及固氮微生物群落特征。【结果】单独添加外源秸秆或葡萄糖处理的土壤C/N与对照无明显差异,但增施氮肥后C/N比呈下降趋势,GlcN2处理土壤C/N显著低于对照;对于土壤速效养分,Rs和RsN1处理土壤NO3--N含量与CK类似,但RsN2处理明显增加了60%;而添加葡萄糖处理土壤NO3--N含量整体较高(增幅为35%-79%);稻草单独添加或与氮素配施对土壤速效磷含量无明显影响,添加葡萄糖处理则显著降低其含量,降幅为16%-24%,但不同氮水平之间无明显差异。不同处理土壤nifH基因拷贝数为80.4×106-140.5×106 g-1土,稻草和葡萄糖添加处理nifH基因拷贝数较CK呈增加趋势,而增施氮素后有所下降。外源碳、氮添加导致固氮微生物α-多样性较CK整体降低,但α-多样性对氮素的响应因碳源种类而异,即稻草添加后增加氮素供应(RsN1和RsN2)处理土壤固氮微生物物种数目和Chao 1指数较Rs显著降低,降低幅度分别为6%-11%和13%-15%,而添加葡萄糖后增施氮肥则对α-多样性有一定促进作用。PCoA结果显示土壤固氮微生物群落结构主要因碳源种类差异而聚集为不同组别,受氮水平供应的影响相对较小。属水平上不同物种对外源碳、氮添加的响应存在明显差异:慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)相对丰度最高,而外源碳、氮添加后较CK明显降低,且稻草添加处理的降低幅度(12.3%-19.7%)小于葡萄糖添加处理(31.6%-40.5%);第二优势菌属(地杆菌,Geobacter)对碳源添加的响应趋势与Bradyrhizobium相反,与CK相比,葡萄糖添加处理Geobacter相对丰度的增加幅度(170%-270%)明显大于秸秆添加处理(25.0%-54.6%)。同时,多元回归树、RDA及相关性分析表明土壤固氮微生物丰度、多样性和群落结构组成主要受土壤NO3--N和速效磷的影响较大。【结论】氮素供应对固氮微生物多样性和群落结构的调控作用受碳源种类(或秸秆和葡萄糖中碳源有效性差异)影响;同时,不同碳源添加后造成土壤速效磷含量的差异也可能是影响紫云英季土壤固氮微生物群落组成的重要环境因子。

小麦-甘薯轮作长期增施有机肥对碱性土壤固氮菌群落结构及多样性的影响

生物固氮为农业生态系统提供天然的氮素来源,探究长期增施有机肥对土壤固氮菌群落的影响,为合理增施有机肥和维持土壤固氮微生物群落多样性提供科学依据。选取小麦-甘薯轮作中连续37a不施肥对照(CK)、单施化肥(NPK)、化肥+有机肥(NPKM)处理的甘薯季碱性土壤样品为研究对象。采用Illumina MiSeq高通量测序技术,研究土壤固氮菌群落的组成、多样性及其与土壤特性的关系。结果表明:与对照和单施化肥相比,长期增施有机肥降低土壤固氮菌群落丰富度和多样性,且丰富度与土壤pH显著正相关,与有机碳、全氮和有效养分(硝态氮、有效磷和速效钾)显著负相关。主坐标分析表明长期施肥显著改变土壤固氮菌群落结构,与对照相比,增施有机肥比单施化肥对固氮菌群落结构的影响更大。冗余分析表明土壤有机碳和速效钾是影响固氮菌群落结构改变最主要的因素。长期增施有机肥显著降低变形菌门、蓝藻菌门、Beta-变形菌和固氮弧菌属的相对丰度,显著增加硝化螺旋菌门、酸杆菌门和硝化螺菌属的相对丰度,这与土壤pH、有机碳和有效养分显著相关。因此,在碱性土壤上长期增施有机肥对固氮菌群落结构的改变更大,对群落多样性的抑制作用更强。

类芦和狗牙根内生固氮菌初步研究

为探索水土保持禾草的固氮能力,利用乙炔还原法(ARA)对类芦(Neyraudia reynaudiana)和狗牙根(Cynodon dactylon)植株内生固氮菌的固氮酶活性进行研究。结果表明:在类芦茎部和狗牙根叶片中存在高固氮酶活性的内生固氮菌群;这些菌群在无氮培养基上经划线分离纯化得到40个菌株,其中26株有微弱固氮酶活性,14株检测不到固氮酶活性;从类芦茎部和狗牙根叶片中筛选到的固氮菌群在兼性厌氧的环境中有较高的固氮酶活性,且在石蜡油密封条件下,两者的固氮酶活性均最高;在不改变自然界微生物之间的协同关系情况下,混合菌群均具有较高的固氮酶活性,而人为组配混合得到的菌群固氮酶活性较低。

林氏念珠藻对酸化稻田水稻产量和土壤细菌群落结构与功能的影响

长期过量施肥已导致我国大量农田土壤酸化,固氮蓝藻在酸化稻田对水稻产量和土壤微生物群落结构与功能的影响尚不清楚.通过酸化稻田小区试验,向其中接种林氏念珠藻(Nostoc linckia),研究了其对水稻产量、主要土壤酶活性及土壤中细菌群落结构的影响.田间小区试验结果表明,接种林氏念珠藻后,稻田土壤中铵态氮含量显著高于对照处理,水稻产量也显著高于对照.接种林氏念珠藻处理组的土壤纤维素酶、固氮酶和酸性磷酸酶活性均显著增高.土壤中酸性磷酸酶和纤维素酶与土壤中铵态氮含量呈显著正相关.高通量测序结果显示,接种林氏念珠藻改变了土壤中细菌群落组成,但是对细菌群落α多样性没有显著影响.蓝藻门中的优势类群Synechococcales和Leptolyngbyales的相对丰度与土壤中的铵态氮呈显著负相关,放线菌门中的Frankiales和Solirubrobacterales及拟杆菌门中的Bacteroidales的相对丰度与土壤中铵态氮含量呈显著正相关.除铵态氮外,土壤中磷含量及土壤pH也是改变稻田土壤中细菌群落结构的主要环境因子.研究结果表明,向酸化稻田接种固氮蓝藻能够提高水稻产量和土壤肥力.

酸性红壤上玉米不同部位固氮微生物群落丰度和组成特征

【目的】发挥微生物固氮功能可降低农田化学氮肥的投入,对于缓解土壤酸化具有重要意义。固氮微生物广泛存在于植物体的各个部位,了解酸性土壤上作物不同部位固氮微生物群落特征,为挖掘其功能潜力提供数据支撑和理论基础。【方法】选择性状差异较大的耐铝玉米品种先玉335和铝敏感品种Mo17为试验材料,在酸性红壤上种植1个月后,收集玉米地上部、根部和根际土壤样品,分析玉米生物量、养分含量和根际土壤基本理化性质;采用实时荧光定量PCR和高通量测序技术,以nifH基因为标靶,分析不同玉米品种、不同取样部位(叶部、根部和根际土壤)固氮微生物群落的丰度、多样性和结构组成。【结果】先玉335地上和地下生物量显著高于Mo17,但是植株氮、磷浓度和根际土壤pH、铵态氮和速效钾含量却低于Mo17。实时荧光定量PCR结果显示,nifH基因丰度在玉米不同部位间的差异程度明显大于玉米品种间的差异,其中根部丰度显著高于根际土壤和叶部,而且先玉335根部nifH基因丰度要高于Mo17。高通量测序分析显示,变形菌门(Proteobacteria)和蓝藻门(Cyanobacteria)是固氮微生物的优势门,根际土壤和根部的优势菌属是慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium),而叶部优势菌属是细鞘丝藻属(Leptolyngbya),多数优势菌属相对丰度在玉米不同部位间呈现显著差异。取样部位显著影响固氮微生物群落多样性指数(Shannon指数和OTU数量),但同一部位品种间没有明显差异,其中根际多样性指数显著高于根部,两者均高于叶部。非度量多维尺度(NMDS)和PERMANOVA分析显示,取样部位对固氮微生物群落结构组成的影响程度显著高于品种的影响,根际土壤、根部和叶部三者之间的群落组成差异达到显著水平,而品种间仅仅根际土壤样品差异显著。【结论】酸性红壤上,玉米不同部位间的固氮微生物群落丰度、多样性和结构组成差异程度显著高于品种间的差异。根部固氮微生物丰度最高,暗示固氮潜力更大。叶部固氮微生物群落组成显著不同于根际土壤和根部,且有最低的丰度和多样性,这与叶片苛刻的环境条件密切相关。

秸秆添加量对土壤生物固氮速率和固氮菌群落特征的影响

[目的]研究不同秸秆添加量对土壤固氮速率及固氮菌群落结构的影响,为我国秸秆还田及化肥减施增效提供支持。[方法]采用室内培养试验,除对照(C0:0)外共设5个秸秆添加梯度(Cl:0.2 mg·g^(-1);C2:1.0 mg·g^(-1);C3:2.0 mg·g^(-1);C4:4.0 mg·g^(-1);C5:10.0 mg·g^(-1)),采用15N2标记的方法,在黑暗条件下培养28 d后收集土壤样品,进而对生物固氮速率进行定量,利用Illumina PE250高通量测序和荧光定量PCR技术分析固氮功能基因nifH的丰度及群落特征。[结果]随着秸秆添加量的增加,土壤硝态氮含量显著下降,铵态氮含量无显著变化,土壤pH有下降趋势。同时,生物固氮速率显著增加,C3、C4及C5处理在培养期间(28d)潜在固氮速率为87-96 kgN·hm^(-2)·a^(-1),相比于对照提高了38.1%-52.4%。各处理固氮微生物nifH基因拷贝数变化范围为5.48×10^(7)—9.20×10^(7) copies/(g soil),其中,相比于C0,C4及C5处理固氮微生物nifH基因拷贝数均显著提高(P<0.05)。随着秸秆添加量的增加,C4、C5水平的香农-威尔指数显著低于其他4个处理(P<0.05),其他4个处理多样性无显著差异。主成分分析(PCoA)结果显示土壤固氮微生物群落结构主要因秸秆添加量差异而聚集为不同组别。固氮微生物在门水平上分为变形杆菌(Proteobacteria),蓝细菌(Cyanobacteria),厚壁菌(Firmicutes)和放线菌(Actinobacteria)和螺旋体菌(Spirochaetes)。随着秸秆添加量的增加,蓝细菌相对丰度有先增加再降低的趋势;在属水平上,不同优势菌属对秸秆添加量的响应存在明显差异,慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)为数量最丰富菌属,随着秸秆添加量的增加,C5相较于C0、C1、C2、C3水平相对丰度差异显著(P<0.05),显著增加了12.07%-14.13%。与生物固氮速率呈正相关的贺氏伪枝藻属(Scytonema hofmanni)随着秸秆添加量的增加其相对丰度逐渐增加,但当秸秆添加量达C5水平其相对丰度反而降低(P<0.05)。同时,最小偏二乘路径分析(PLS-PM),冗余分析(RDA)及相关性分析表明生物固氮速率和土壤固氮微生物群落受秸秆添加量和MO3--N含量影响较大。[结论]土壤生物固氮速率随着秸秆添加量的增加而增加,秸秆对固氮的促进作用主要源于秸秆添加降低了土壤NO_(3)^(-)-N含量,进而促进慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)、贺氏伪枝藻属(Scytonema hofmanni)和固氮螺菌属(Azospirillum)等固氮菌属微生物的生长。根据本试验结果计算,相比于不添加秸秆,添加秸秆4.0 mg·g^(-1)后,土壤生物固氮速率约增加26 kg N·hm^(-2)·a^(-1),可显著降低我国氮肥需求。

天目山银杏根区土壤固氮微生物群落沿海拔梯度的分布特征

土壤微生物多样性的海拔分布规律已被广泛研究,然而单一木本植物根区土壤固氮微生物的海拔分布特征尚不清楚。本研究采集了浙江省天目山308~1236 m海拔范围内的161棵野生银杏树的根区土壤,利用Illumina高通量测序研究了土壤固氮微生物的多样性、群落组成及其空间分布。结果表明:固氮微生物多样性(Shannon与Richness指数)随海拔高度增加而降低,群落异质性随海拔差值增大而增加。慢生根瘤菌属、根瘤菌属、疣微菌属等优势属的相对丰度与海拔显著正相关,而地杆菌属、固氮菌属、伯克霍尔德菌属等优势属的相对丰度与海拔显著负相关。进一步分析发现,固氮微生物多样性和群落组成与土壤N∶P均呈最显著相关,上述优势属的相对丰度同样与土壤N∶P有着极强的相关性。结构方程模型显示,海拔可以直接或通过影响土壤N∶P间接作用于固氮微生物多样性和群落组成。通过随机森林模型分别鉴定出与海拔、N∶P紧密相关的物种,发现这两类物种具有较大比例(45%)的重合。综上,土壤N∶P是天目山银杏根区土壤固氮微生物群落沿海拔分布的关键驱动因子,N∶P的变化直接影响银杏固氮微生物群落。本研究的发现从土壤微生物学角度为天目山野生银杏的保护提供了科学依据。

泗顶矿区剖层土固氮微生物群落结构和丰度

以广西柳州泗顶矿区的上游区、下游区和尾矿区12个剖层土(每个区域分为4层)为研究对象,采用高通量测序技术和荧光定量PCR技术,分析了剖层土中固氮微生物的群落结构、丰度和多样性特征.结果表明,变形菌门在各区域剖层土中均为优势菌门,所占比例超过70%;α-变形菌纲在上游区和下游区剖层土中均为优势菌纲.上游区、下游区和尾矿区剖层土固氮微生物nifH基因丰度的范围分别为3.02×10^(6)~1.17×10^(7)、2.55×10^(6)~7.78×10^(6)和8.19×10^(5)~3.14×10^(6)基因拷贝数/g(干土).主要影响nifH基因丰度的土壤环境因素是土壤氮(总氮、铵态氮和硝态氮)和磷(总磷和有效磷)的含量.矿区固氮微生物群落组成的差异性主要由土壤铅、锌和镉含量的变化所引起,上游区剖层土的Shannon指数和ACE指数显著高于下游区和尾矿区,表明上游区剖层土固氮微生物群落的多样性和丰富程度相对较高.另外,土壤钾、钙和钠含量的变化对固氮微生物群落的ACE指数和NMDS1指数也产生了不同程度的影响.研究结果表明土壤环境因子变化影响了矿区剖层土固氮微生物的群落结构、丰度和多样性.研究为矿区的氮素调控、生态恢复和重建提供了理论依据.

黄土高原水蚀风蚀交错区固氮微生物群落多样性在生物结皮中的演变规律

生物土壤结皮在黄土高原的水土保持、养分补给等方面发挥着重要生态功能。固氮微生物是固氮过程的关键功能群,影响着土壤氮素平衡,然而黄土高原水蚀风蚀交错区严重的水土流失导致土壤养分大量损失,尤其是氮素。该区域生物结皮广泛发育,它们在干旱半干旱区土壤氮素积累过程中起着重要作用。但是该区域生物结皮不同发育阶段中的固氮潜力、固氮微生物群落多样性及其关键环境控制因子尚不清楚。以黄土高原水蚀风蚀交错区为研究区,三种生物结皮类型和裸地对照为研究对象,采用Illumina HiSeq平台对nifH基因扩增产物进行生物信息学分析,揭示了固氮潜力及微生物群落多样性的分布规律。结果表明,生物结皮演替显著影响固氮酶活性、nifH基因丰度和固氮微生物α-多样性,各值均在苔藓结皮最高,显著高于其它演替阶段,且生物结皮层高于结皮下层土壤。在固氮微生物群落组成上,裸地以变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目为主;而在藻结皮、地衣结皮和藓结皮阶段,均表现为蓝藻门的念珠藻目占绝对优势,是固氮微生物的关键类群,其中Trichormus、念珠藻属是优势固氮物种;与藻结皮、地衣结皮相比,藓结皮中念珠藻目的相对丰度显著降低,而变形菌门的红螺菌目、酸硫杆菌目和根瘤菌目的丰度明显上升。除此之外,蓝杆藻属、鱼腥藻属、斯克尔曼氏菌属、瘤胃梭菌属在藻结皮、地衣结皮、藓结皮也占明显优势。念珠藻目以及Trichormus的丰度与固氮酶活性、nifH基因丰度呈显著正相关关系,而与红螺菌目、酸硫杆菌目、梭菌目、根瘤菌目呈显著负相关;Trichormus相关的物种在黄土高原生物结皮氮输入过程中可能发挥着关键作用。生物结皮演替通过改变土壤pH值、有机质、全氮、含水量等理化特征而影响了微生境,通过环境筛选和物种重排作用对固氮微生物群落进行综合调控,其中pH与土壤全氮(TN)发挥着关键作用。

玉米不同生长时期潮土固氮细菌nifH基因的丰度和多样性

为了探究潮土环境下植物生长对土壤固氮细菌群落结构和数量的影响,采集中国北方潮土玉米不同生长时期的根际和非根际土壤,利用荧光定量PCR和末端片段长度多态性分析方法,研究了北方潮土玉米不同生长时期固氮细菌nif H基因丰度和多样性的变化.结果表明,根际土和非根际土固氮细菌nif H基因丰度随玉米生长时期的推进均呈现先升高后降低的趋势,乳熟期最高,根际土的在拔节期最低,而非根际土的在完熟期最低.相关分析结果表明,土壤有机质是驱动土壤固氮细菌nif H基因丰度变化的关键因子,非根际土固氮细菌nif H基因丰度同时受含水量的显著影响.根际土和非根际土固氮细菌优势种群结构在玉米各生长时期均相同,但所占比例有所差异.PCA分析也表明,土壤固氮细菌群落结构受玉米生长时期和土壤采样区域的影响均不显著.玉米不同生长时期土壤固氮细菌nif H基因的Shannon指数变化明显,根际土和非根际土均呈先增高后降低的趋势,根际土的在抽雄期最高,拔节期最低,非根际土的在乳熟期最高,完熟期最低;不同生长时期间的Evenness指数则无显著差异,且根际土和非根际土之间也没有显著差异.RDA分析结果显示,土壤硝态氮含量对固氮微生物群落结构有显著影响.

库布齐沙漠不同演替阶段土壤结皮固氮菌群特征

运用nifH基因高通量测序及实时荧光定量PCR技术,分析库布齐沙漠演替初期物理结皮、演替中期藻类结皮、演替后期藓类结皮土壤固氮菌群组成、多样性及丰度;通过共现性网络及斯皮尔曼相关性分析关键类群及其对土壤理化因子的响应。结果表明,物理结皮、藻类结皮、藓类结皮土壤的优势固氮菌属皆为斯科曼氏球菌属(32.33%~50.72%);藻类结皮α多样性最低;藻类结皮、藓类结皮均与物理结皮间固氮菌群nifH基因丰度存在显著性差异(P<0.05);物理结皮与藻类结皮中关键固氮类群均为斯科曼氏球菌属,其丰度与土壤全磷含量呈显著负相关(P<0.05),而藓类结皮中关键固氮类群为固氮螺菌属,其丰度与速效氮含量呈显著正相关(P<0.05)。固氮菌群中斯科曼氏球菌属和固氮螺菌属分别是物理藻类结皮和藓类结皮的指示生物。

樟子松固沙林土壤可培养固氮细菌的群落结构

为探明樟子松固沙林土壤中可培养固氮细菌的种类及其能力,丰富植物促生细菌菌种库,以传统纯培养方法筛选获得固氮菌株,基于16S rRNA基因,对其进行系统发育分析,并以靛酚蓝-分光光度法和钼锑抗比色法对所得菌株进行产氨和溶磷能力分析。结果表明,分离获得的12株固氮细菌以变形菌门、放线菌门和厚壁菌门3个门,6个科,7个属组成。变形菌门(50.0%)为优势门,Oxalobacteraceae(33.3%)和Microbacteriaceae(33.3%)为优势科,Curtobacterium(33.3%)为优势属。菌株的产氨能力在0.118~1.639 mg·L^-1之间,15-17、56-2、15-8和42-4菌株具有较强产氨能力,分别为1.639 mg·L^-1、1.470 mg·L^-1、1.301 mg·L^-1和1.132 mg·L^-1;有7株固氮细菌具有溶磷能力,36-5和30-3菌株均具有较强溶磷能力,分别为32.24 mg·L^-1和37.63 mg·L^-1。樟子松固沙林土壤蕴藏有多种固氮细菌,均有产氨能力且多数兼具溶磷能力,可作为植物生长促生细菌的重要来源。

三株固氮类芽孢杆菌的特点及其对中国青菜的产量和土壤酶活性的影响（英文）

【目的】本研究分析三株固氮菌PGPR性状特征及其对中国青菜产量和土壤酶活的影响。【方法】氮(N)-修复(固氮)细菌被认为是一种能够促进植物生长和增产的施氮方式。在本研究中,我们用无氮培养基分离出了30株根际固氮细菌:11株来自小麦根际,16株来自中国青菜根际和3株来自莲花根际。基于16S r DNA序列分析,对小麦、中国青菜和莲花等植物根际中属于类芽孢杆菌属的主要固氮细菌进行研究。【结果】本研究从这30株固氮菌中筛选出三株属于类芽孢杆菌属(Paenibacillus)的细菌,分别命名为P-4、W-7和L-3,它们的固氮酶活性不但高于对照组(圆褐固氮菌),而且可以有效抑制两种或三种植物病原菌的生长,即核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)、玉蜀黍赤霉(Gibberella zeae)和棉花黄萎病菌(Verticillium dahliae)。菌株W-7还具有溶解难溶磷的能力,中国青菜在接种菌株W-7和L-3后,其鲜重显著增加,同时改变了田间土壤蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性;而接种了菌株P-4对植物的生长和酶活性没有显著的影响。【结论】土壤蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性与中国青菜的生物量呈正相关。同时,菌株W-7和L-3具有促进植物产量和提高土壤质量的良好潜力。