土壤酸杆菌门细菌生态学研究进展

酸杆菌是土壤中一类重要的细菌类群。基于16S r RNA基因序列分析发现,酸杆菌一般占细菌总量的20%左右,甚至高达50%以上,表明酸杆菌在土壤生态过程中起到重要的作用。从植被、海拔高度、氮肥管理及二氧化碳升高对土壤酸杆菌分布的影响,以及酸杆菌根际效应等几方面论述了土壤酸杆菌门细菌生态学研究进展;综合分析揭示出不同分类单元酸杆菌细菌分布与环境因子间的关系;阐述了部分酸杆菌细菌的潜在生态功能。最后指出在土壤酸杆菌研究中应强化分离培养、细化分子生态、采用宏基因组学和单细胞测序新技术的重要性。

耕作措施对东北黑土微生物呼吸的影响

【目的】利用东北黑土13年保护性耕作定位试验,研究耕作措施(免耕和秋翻处理)对土壤微生物的影响,从土壤微生物角度分析免耕是否有利于土壤有机碳(SOC)的固定,为合理评价农田黑土碳"源"与"汇"功能提供科学依据。【方法】以连作玉米为研究对象,采用单因素随机区组设计,耕作处理包括免耕和秋翻。免耕除播种外不扰动土壤,秸秆覆盖地表。秋翻处理的田间管理包括人工除草、中耕起垄和秋翻,秋翻时将秸秆翻于地表之下。土壤微生物呼吸速率通过PVC环在野外采用动态气室法(Li-Cor8100)直接测定(去除植物根系),定期监测土壤微生物呼吸速率的季节变化,并在土壤微生物呼吸速率最高的季节取样分析不同处理土壤微生物量碳和数量特征。【结果】生长季节内免耕和秋翻处理下土壤微生物呼吸速率分别为0.42—3.35和0.48—3.24μmol CO2·m-2·s-1,两处理平均值差异不显著(8.8%),但土壤累积CO2-C释放量免耕比秋翻高10.0%(2012)和4.3%(2013)(P<0.05)。免耕显著地增加0—5 cm表层土壤细菌、真菌和放线菌的数量,分别比秋翻高125.7%、112.4%和53.3%;还显著地增加了其他土层的真菌数量,分别为105.3%(5—10 cm),159.4%(10—20 cm)和114.7%(20—30 cm)。耕作处理影响土壤温度,主要体现在春季,秋翻(0—5 cm,5—10 cm)春季(6月)土壤温度比免耕分别高2.8%和5.8%。土壤微生物呼吸速率表现出显著的季节变化规律,与土壤温度具有相似的动态变化,夏季(7、8月份)最高,秋季较低。尽管耕作处理没有明显地影响土壤微生物呼吸速率的季节动态格局,但秋翻的土壤微生物呼吸最高值比免耕晚半个月。土壤微生物呼吸速率随土壤温度(5 cm和10 cm)呈指数型增长,10 cm处的回归模型明显好于5 cm。耕作处理只改变了5 cm的Q10值,免耕比秋翻高10.8%。土壤微生物呼吸速率与土壤温度、水分混合回归模型能更好地反应其变化规律,解释土壤微生物呼吸速率变异的65%(秋翻)和81%(免耕)。【结论】免耕增加了表层(0—5 cm)的SOC含量,从而使得该土层的土壤微生物量碳和活性增加,但是由于免耕处理增加0—30 cm土层SOC含量的加权平均值,因此相对于传统的耕作措施(秋翻),免耕有利于SOC含量的增加。

黑土农田土壤有机碳演变研究进展

在我国,由于国家粮食安全的需要,关注黑土、研究黑土的人越来越多,尤其是黑土可持续利用及其与环境的关系已成为当今研究的热点问题。黑土研究领域中最活跃的部分是黑土农田土壤有机质(碳)的研究。基于此,本文依据有关文献资料,简述了我国黑土的分布、黑土开垦历史、农田土壤有机碳的演变及其在农业上的贡献,系统分析了国内外农田土壤碳研究的方法及其进展,指出了开展我国黑土农田土壤碳演变及其预测研究的现实意义及其潜在价值,建议未来应侧重黑土农田土壤有机碳的变化与调控方面的研究,即在黑土农田土壤有机碳的定向培育技术、指标体系和量化表征评估方法、预测模型等方面有所突破,最终形成黑土农田土壤有机碳保护和利用的理论和方法。

东北黑土nirS型反硝化细菌群落和网络结构对长期施用化肥的响应

【目的】探明长期施用氮磷钾化肥对东北黑土农田土壤nirS型反硝化细菌群落和网络结构的影响,为更加合理的肥料配施提供理论依据。【方法】基于农业农村部黑龙江耕地保育与农业环境科学观测实验站平台,选取不施肥(NoF)、氮肥(N)、磷肥(P)、钾肥(K)、氮钾肥(NK)、氮磷肥(NP)、磷钾肥(PK)、氮磷钾肥(NPK)8个施肥处理,借助荧光定量PCR、Illumina MiSeq高通量测序和分子生态网络技术,分析东北黑土nirS型反硝化细菌丰度、群落及网络结构,及影响反硝化细菌群落变异的主要环境因子。【结果】1)长期施用氮肥均在显著增加nirS基因拷贝数的同时,降低了nirS型反硝化细菌的群落多样性,而磷、钾肥对其影响并不显著。2)Proteobacteria是所有处理中的优势反硝化细菌门,相对丰度为16.96%~27.34%,且氮肥的施用促进了隶属于该菌门中Bradyrhizobium的生长。3)PCoA分析结果显示,8个施肥处理nirS型反硝化细菌群落主要分成施氮肥和不施氮肥两组,说明长期氮肥的施用显著改变了东北黑土反硝化细菌的群落结构。结合Mantel test的结果可知,土壤pH是影响nirS型反硝化细菌群落改变的主要因素。4)分别构建施氮肥和不施氮肥的反硝化细菌分子生态网络,发现施氮肥和不施氮肥网络结构存在很大差异,长期施用氮肥明显简化了nirS型反硝化细菌的网络结构,同时使其网络结构稳定性降低,易受外界环境扰动。【结论】尽管施用化学氮肥有利于土壤养分的增加,但其土壤nirS型反硝化细菌群落及网络结构发生了较大改变,而磷、钾肥的施用对反硝化细菌群落无显著影响。本试验结果为进一步研究东北黑土区农田土壤反硝化微生物对不同施肥管理的响应机制提供了重要科学依据。

小麦-玉米-大豆轮作下黑土农田土壤呼吸与碳平衡

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,探讨农田生态系统的土壤呼吸与碳平衡对于科学评价陆地生态系统在全球变化下的源汇效应具有重要意义。基于中国科学院海伦农业生态实验站的长期定位试验,对不同施肥处理下黑土小麦-玉米-大豆轮作体系2005—2007年的作物固碳量与土壤CO2排放通量进行了观测,并对该轮作体系下黑土农田生态系统的碳平衡状况进行了估算。结果表明:在小麦-玉米-大豆轮作体系中,作物固碳量的高低表现为:玉米>大豆>小麦,平均值分别为6 513 kg(C).hm-2、4 025 kg(C).hm-2和3 655kg(C).hm-2。从作物生长季土壤CO2排放总量来看,3种作物以大豆农田生态系统的土壤CO2排放总量最高,平均值达4 062 kg(C).hm-2;其次为玉米,为3 813 kg(C).hm-2;而小麦最低,为2 326 kg(C).hm-2。3种作物轮作下NEP(净生态系统生产力)均为正值,表明黑土农田土壤-作物系统为大气CO2的"汇",不同作物系统的碳汇强度表现为玉米>小麦>大豆,三者的平均值分别为3 215 kg(C).hm-2、1 643 kg(C).hm-2和512 kg(C).hm-2。长期均衡施用氮、磷、钾化肥或氮、磷、钾化肥配施有机肥后,小麦、玉米和大豆农田生态系统的固碳量和土壤CO2排放总量均明显增加,并在氮、磷、钾配施有机肥处理下达到最高。不同的施肥管理措施将改变土壤-植物系统作为大气CO2"汇"的程度,总体表现为化肥均衡施用下NEP值较高,而化肥与有机肥配施下农田生态系统的NEP值较低。

土壤病毒的研究进展与挑战

病毒是由蛋白质和核酸组成的结构简单的非细胞型生物实体,全球病毒数量估算为4.80Í1031,远高于具有细胞型结构的生物数量。土壤是病毒重要的储藏库,土壤中病毒主要以侵染原核生物的噬菌体为主,其数量与寄主细胞数目和土壤理化指标密切相关。虽然学术界已意识到土壤病毒在调控微生物群落结构组成、影响土壤元素循环利用、促进生物进化、以及影响动植物病害,乃至人类健康等方面可能起到重要的作用,但由于受到土壤病毒颗粒的吸附性、土壤异质性,以及研究手段和分析平台的制约,我们对土壤病毒的认知和重视程度远落后于流动的海洋等水体环境。土壤病毒宏基因组中大量的基因序列无法判断其来源及功能,被划分为未知基因,所以病毒也被喻为生物“暗物质”和最大的未知基因宝库。本文在简要介绍了病毒的形态,在土壤中数量、存在形式和多样性的基础上,着重介绍了利用分子标记基因、RAPD和宏病毒组研究技术解析土壤病毒多样性的方法及其局限性,阐述土壤病毒已证实和潜在生态功能。最后,文章提出未来土壤病毒研究应加强的研究方向,强调土壤病毒与土壤微生物耦合研究在揭示土壤生态功能研究中的重要性。

作物连作与自然恢复下黑土密度组分中碳、氮分布特征

本文以海伦农田生态系统国家野外科学观测站长期定位试验的黑土为研究对象,通过对不同作物连作(玉米、大豆、小麦)和自然恢复(草地、裸地)下土壤及其密度分组中有机碳、氮含量的测定,比较分析了土壤总有机碳、全氮以及密度组分碳、氮分布的变化特征。结果表明不同作物连作下土壤总有机碳的含量差异不显著。0～10 cm和10～20 cm土层农田土壤游离态轻组有机碳含量具有显著差异(P<0.05)。大豆连作的农田土壤游离态轻组有机碳主要分布在0～10 cm土层,而小麦连作的土壤游离态轻组有机碳主要分布在10～20 cm土层。不同作物连作下土壤闭蓄态轻组有机碳含量差异不显著。不同组分中氮素具有与碳相似的分布特征。游离态轻组与闭蓄态轻组C/N比值之间呈显著负相关(P<0.05)。草地与农田、裸地相比显著提高了土壤总有机碳和全氮的含量。草地土壤游离态轻组、闭蓄态轻组和重组有机碳含量显著高于农田和裸地。作物连作和自然恢复导致土壤碳、氮的重新分配,改变了土壤碳、氮的赋存特征。

室内模拟:生物炭对白浆土和黑土中氮素淋溶的影响

试验采用室内模拟土柱淋溶的方法,研究了玉米棒芯生物炭对白浆土和黑土淋溶液体积、土壤pH以及NH+4-N和NO-3-N淋溶量的影响。结果发现,生物炭能够有效地增加土壤的持水能力及提高土壤pH。添加2%生物炭较未添加处理分别减少了白浆土和黑土12%和15%的N淋溶损失,而添加4%生物炭又较添加2%生物炭分别减少上述两种土壤13%和5%的N淋失量。N肥直接吸附于生物炭再与土壤混合较N肥、生物炭和土壤直接混合相比,能够显著降低土壤N素的淋溶量。玉米棒芯生物炭在降低不同形态N素损失上存在差异,在白浆土中,添加2%生物碳较未添加生物碳相比,减少了8%、15%和12%的硫酸铵、硝酸钾和尿素的N素淋溶损失;而在黑土中,上述氮肥淋溶损失则分别减少了5%、18%和12%。研究结果表明,生物炭可提高白浆土和黑土的持水保肥能力。

不同土地利用方式对农田黑土剖面磷形态分布的影响

不同土地利用方式影响土壤磷形态分布,从而决定土壤潜在供磷能力。本文对4种土地利用方式下(裸地、自然草地、苜蓿地、农田)的黑土土壤剖面磷素分布进行测定分析,结果表明,不同利用方式持续12 a对黑土剖面磷形态分布影响较大,黑土中有机磷含量随土层深度增加而降低,而无机磷、有效磷含量及磷素活化系数随土层深度增加而呈增加趋势,在同一土层磷素活化系数表现为自然草地>裸地>苜蓿地>农田。农田不施肥处理经过12 a玉米种植后,土壤中全磷、有效磷含量均低于其他利用方式,玉米植株主要吸收土壤中无机磷,与裸地相比,农田土壤Ca 2 -P、Ca 8 -P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca 10 -P含量依次降低了29.4%~75.3%、45.7%~59.5%、72.1%~83.3%、 13.3%~36.1%、7.0%~33.2%、19.3%~41.6%。自然草地和苜蓿地比裸地无机磷含量分别降低11.5%~ 28.5%、2.2%~31.0%;与裸地相比,农田、自然草地和苜蓿地有机磷所占比例分别增加7.0~16.4、1.5~9.0、0.8~13.9个百分点。总之,不施肥农田作物吸收消耗了土壤中无机磷,使有机磷所占比例有所增加;自然草地和苜蓿地可使土壤中无机磷向有机磷转化,使有机磷比例有所增加。

Biolog-Eco解析垦殖与自然恢复黑土微生物群落代谢功能季节变化

为动态比较土壤垦殖前后微生物群落代谢功能是否发生变化,利用Biolog-Eco技术对不同季节自然恢复(NR)和垦殖不同施肥处理[不施肥(NoF)、施化肥(CF)和化肥配施有机肥(CFM)]黑土微生物在4℃、15℃和28℃培养温度下的代谢功能多样性进行了研究。结果表明:4种处理在同一采样时期不同培养温度下,Biolog微孔板的单孔平均颜色变化率(Average Well Color Development,AWCD)值均表现为28℃>15℃>4℃,即微生物代谢活性随培养温度的升高而升高;同一采样时期样品在相同培养温度下黑土微生物对碳源的代谢能力总体呈现为NR>CFM>CF>NoF。微生物在积雪融化期和积雪覆盖期对碳源的利用能力高于植物生长季节。主成分分析(Principle Component Analysis,PCA)结果显示,不同采样时期NoF样品和其它3种处理相比微生物功能多样性差异较大;NR、CF和CFM在作物非生长季节(3月、4月和12月)的样品在PCA图中分散度小于在作物生长季节(6月)的样品。该研究结果综合表明,垦殖处理较自然恢复降低了土壤微生物群落对碳源的代谢能力,但并未改变微生物群落功能;不同季节土壤微生物功能多样性存在差异,NR、CF和CFM细菌群落在作物生长的夏季对碳源的利用能力差异最大。

农田黑土退化过程

利用全区域采样调查方法,结合县市土壤志和第二次土壤普查的结果,从区域尺度分析了东北典型农田黑土的退化过程。结果表明自开垦以来,农田黑土发生了显著退化,土壤有机质下降了60%,处于退化发生、退化发展和退化危机阶段的农田黑土共存。第二次土壤普查至2002年的20a间,农田黑土有机质仍以年平均5‰的速率下降,水土流失严重的县市年均下降速率高达13.5‰,黑土侵蚀已成为当前黑土退化的主要驱动因素。同时研究也表明如果增加农田投入或实施生态保育,农田黑土退化可以遏制,耕地是可培肥的。图1,表2,参10。

甜菜育苗期防徒长技术试验研究

为了配合纸筒育苗新技术的实施,以及延长育苗期间的需要,研发防徒长育壮苗技术,进一步挖掘纸筒育苗的增产潜力,采用苗床喷施植物生长调节剂和断根处理两种方式对苗期防徒长技术进行研究。结果表明,甜菜育苗期间喷施植物生长调节剂和断根处理,不仅可以控制幼苗徒长,使幼苗生长健壮,移栽到大田后抗逆能力增强,还有明显的增产作用。钢丝断根+喷施植物生长调节剂处理秧苗素质好,移栽大田后可增加块根产量14.2%。育苗期防徒长技术,使延长育苗期间、早播种、早移栽成为可能,从而为确立高产高糖栽培技术体系提供了有力的技术支持。

作物对大气CO2浓度升高生理响应研究进展

全球大气二氧化碳(CO2)浓度不断升高对农业生产带来巨大影响。二氧化碳是作物光合作用的底物,其浓度的升高理论上有利于作物光合作用能力的提高,从而促进作物生物量和产量的形成。但已有研究表明,大气CO2浓度升高对作物产量的促进作用小于预期,同时还存在使作物营养品质变劣的风险,相关机制尚不清楚。为此,本文从植物(作物)叶片对CO2的吸收和固定生理基础入手,综述了不同类型作物关键光合生理指标如:净光合速率、叶片胞间CO2浓度、Rubisco酶最大羧化速率及Rubp再生速率等对大气CO2浓度的响应差异。以作物整株水平碳-氮代谢平衡为基础,总结了解释光合适应现象的2种主要假说,即"源-库"调节机制和N素抑制机制。综述了大气CO2浓度升高对不同作物籽粒蛋白质、脂肪、矿质元素和维生素等关键营养指标浓度的影响。分析了未来大气CO2浓度和温度升高的交互作用对作物生产所带来的潜在影响。展望了本领域未来需要关注的主要研究方向。该综述可以为准确评估未来气候条件下作物产量和品质变化,最大发挥大气CO2浓度升高所带来的"肥料效应",减缓气候变化对作物生产带来的不利影响提供理论参考。

一种新的噬菌体基因多样性分子标记基因phoH研究进展

噬菌体作为结构最简单的生命体,不仅在调节寄主群落结构、遗传物质的水平移动方面作用巨大,同时也被证明在元素生物地球化学循环中具有非常重要的地位。尽管噬菌体的重要性越来越引起研究者的关注,但遗憾的是目前对于噬菌体基因多样性的研究还存在很大的局限性,发现并验证一种适合于研究噬菌体基因多样性的分子标记基因是环境病毒生态学研究的热点之一。介绍了一种新的分子标记基因-噬菌体辅助代谢磷酸盐调节基因pho H,并综述了近年来利用该基因揭示海洋海水、稻田田面水和沙漠石下生物中噬菌体基因多样性的研究进展。结果表明,噬菌体pho H基因分布与其生存环境关系密切,按获取环境不同pho H基因被划分为多个类群。最后对噬菌体pho H基因未来研究方向给予展望。

耕作方式对土壤螨类群落结构的影响

土壤螨类是土壤生态系统中重要的指示生物之一。为探讨耕作方式对土壤螨类数量、类群数、群落结构以及垂直分布的影响,试验选取位于东北黑土区中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站中5种耕作方式（免耕耕作、少耕耕作、平翻耕作、组合耕作和旋耕耕作）试验区内土壤螨类为研究对象,采用改良干漏斗（Modified Tullgren）法,于2009年5月、6月和7月3个时期分离0~15 cm土层中的土壤螨类。结果表明：耕作方式对土壤螨类数量和类群数存在显著影响,3个时期共捕获土壤螨类2 441只,免耕耕作、少耕耕作、组合耕作、旋耕耕作和平翻耕作分别捕获土壤螨类366只、436只、553只、819只和267只,分别隶属于13科、18科、13科、14科和11科。传统的旋耕耕作具有最高的土壤螨类个体数量,而保护性耕作中的少耕耕作具有最高的土壤螨类类群数。不同时期耕作方式对土壤螨类垂直分布的影响不同,5月除免耕耕作外其他4种耕作方式均较好地保持了土壤螨类垂直分布的表聚特征,即0~5 cm土层中土壤螨类的数量显著（P〈0.05）高于其他两层（5~10 cm,10~15 cm）,其中组合耕作和少耕耕作在3个时期中均较好地保持了土壤螨类的表聚特征,且少耕耕作较好地保持了土壤螨类的多样性。MGP分析结果表明：土壤甲螨群落随季节的变化在组成上发生变化,从最初的高等甲螨为优势类群转化为低等甲螨为优势类群,免耕和少耕的这种趋势较其他耕作方式更为明显,少耕耕作3个时期土壤甲螨的组成类型分别为P型、G型和O型,而免耕耕作3个时期土壤甲螨的组成类型分别为P型、O型和G型。少耕和免耕两种保护耕作方式较其他耕作方式更有利于土壤螨类群落结构的稳定性及多样性的保持,有利于农田土壤生态环境的保护。

植物根组织内生细菌多样性及其促生作用

随着植物微生态系统研究的不断深入,内生细菌的存在和作用已得到广泛共识。内生细菌在植物不同器官分布数量存在显著差异。根内生细菌数量远远超过其他植物器官,具有寄主植物多样性和种属多样性特征,是多种生物因素和非生物因素共同作用的结果。内生细菌可利用风、土壤颗粒、水、农业器具等多种外力条件和人类、鸟、昆虫、线虫等多种媒介从根际土壤定殖在寄主植物根内部,具有溶磷、产生植物激素、固氮、合成铁载体、诱导植物产生抗性、产生抗真菌代谢产物等多种生物功能。笔者对根内生细菌多样性、定殖过程、促生作用及应用前景几方面进行综述,目的在于深入了解植物根组织内生细菌资源,为植物内生菌资源开发利用提供参考。

农田土壤理化性质对土壤微生物群落的影响

农田土壤系统是陆地生态系统的重要组成部分,也是受人类影响最多的生态系统。土壤微生物参与调节大部分土壤生物化学过程,在土壤碳循环过程中发挥着不可替代的作用。农业措施的变化会改变土壤理化性质,而土壤理化性质的变化又影响着微生物的群落特征等。因此为深入探究土壤理化性质变化对土壤微生物群落的影响,简述了农田土壤物理性质(密度、孔隙、水分、温度)及化学性质(土壤pH、土壤有机质)对土壤微生物群落的影响,并且指出了目前研究存在的问题及未来的研究方向。

大豆粒重的粒位效应及其空间分布特征

通过对2个密度的大豆群体在开花初期进行光富集处理，研究了大豆不同粒位籽粒的粒重及其空间分布特征。结果表明：大豆籽粒的单粒重呈现明显的粒位效应。在多粒荚内，基粒的粒重最小。2、3和4粒荚的第2粒位籽粒的粒重比基粒分别高10．6％、14．8％和17．3％。光富集和高密度增加基粒粒重的幅度高于其它粒位的籽粒，增幅为17．7％～27．9％，但并未改变其原有的粒位粒重特征。大豆的不同粒位粒重在主茎上呈明显的“纺锤形”分布，下部节位上的籽粒单粒重略小，而中部节位上的籽粒单粒重较大。多粒荚内不同粒位的粒重空间分布曲线的变异程度小，1粒荚内的籽粒大小受光照和密度影响最大。高密度条件下，上部节位的不同粒位籽粒对光照更加敏感。不同粒位的籽粒大小与灌浆顺序并无直接关系，受荚内同化产物均衡分配机制的调节，粒位数的增加减小了单个籽粒的增重程度。

晚播对春玉米倒伏及茎秆力学特性的影响

以玉米为研究对象,通过调查晚播春玉米倒伏发生类型、程度,同时测定与倒伏密切相关的性状。结果显示:晚播条件下,春玉米倒伏率显著增加,茎倒伏(SL)率高于根倒伏率;茎秆第2-7节间是茎折的主要发生部位,其中第3、4节间最为严重;晚播玉米株高显著降低(p<0.05,下同),穗位高和穗高系数显著增加;晚播玉米第2-4节间直径显著降低而长度显著升高,同时其惯性矩和抗弯截面系数显著低于适期播种玉米。

不同施肥方式对东北旱田黑土nirK和nirS型反硝化细菌群落结构的影响及黑土保护建议

反硝化过程是土壤氮素循环的重要过程之一,与土壤氮肥损失和温室气体排放紧密相关。通过分析不同施肥方式对东北旱田黑土nirK型和nirS型反硝化细菌群落结构的影响及其与NO排放的关系,证实黑土中nirK型比nirS型反硝化细菌多样性丰富,且更易受土壤理化性质的影响。施入化肥会降低东北旱田黑土反硝化细菌多样性、N_(2)O释放量和土壤养分含量,而有机肥的施入虽然可提高土壤养分含量,但是也会显著增加土壤反硝化作用,存在潜在的负面环境效应。因此对黑土地的保护要积极推行种养结合,建立可循环农业体系;适当配施有机肥料,调节黑土微生物活力;大力完善相关制度,营造科学管理新规范,从而构建我国黑土保护的立体格局。