施肥模式对青稞田土壤潜在固氮速率和自生固氮微生物群落结构的影响

自生固氮是陆地生态系统氮素的重要来源。本研究以位于西藏拉萨的肥料长期定位试验站为平台,选取不施肥(CK)、单施化肥(F)、单施羊粪(M)、化肥配施羊粪(FM)和化肥配施秸秆(FS)5个处理,于青稞收获期采集土样,采用~(15)N同位素标记、定量PCR和高通量测序技术,分析不同施肥模式下土壤理化性质、固氮微生物丰度、群落结构和潜在固氮速率的变化规律,以期为西藏高原青稞田制定科学合理的施肥策略,保障西藏高原农业绿色发展提供科学依据。结果表明:1)相比于CK和F处理, M、FM和FS处理可显著(P0.05)提高土壤有机碳和全氮含量。FM处理下土壤铵态氮含量最高,且显著高于其他施肥处理(P0.05),而M处理下土壤有机碳、全氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量最高,且显著高于其他施肥处理(P0.05)。2)不同施肥处理下青稞田土壤潜在固氮速率为2.63～4.07μg?kg~(-1)?d~(-1)。施肥会降低土壤潜在固氮速率,增施有机肥(羊粪或秸秆)则加剧了抑制效应,但羊粪的抑制效应小于秸秆,土壤铵态氮含量是影响土壤潜在固氮速率的主要因子。3) M或FM处理可显著(P0.05)提高nifH基因丰度,而F或FS处理则相反,土壤全氮含量是影响nifH基因丰度的关键因子。4)不同施肥模式显著改变了固氮微生物群落结构,其群落结构相似性大致可以分为3类,分别为CK、M以及施用化肥处理(F、FM和FS),有效磷、pH和C/N是调控固氮微生物群落结构的关键因子。综上所述,单施羊粪(M)处理是提高青稞田土壤肥力、增加固氮微生物丰度,减少固氮速率下降幅度的最佳施肥模式。     

长期施肥对植烟土壤微生物的影响

【目的】微生物是土壤的重要组成分,与土壤养分转化供应密切相关。本研究利用12年肥料定位试验研究了云南植烟土壤可培养微生物数量、微生物量碳氮、标记性磷脂脂肪酸（PLFAs）、微生物种群特征及有益微生物的变化。【方法】试验设置不施肥（CK）、单施化肥（CF）和化肥配施有机肥（CFM）处理,在烟株旺长期,采集020 cm耕作层土壤,测定了微生物量碳、氮含量,微生物标记磷脂脂肪酸（PLFAs）含量和可培养微生物数量;鉴定自生固氮菌、磷细菌和钾细菌的数量;根据PLFAs计算了微生物种群特征值。【结果】有机无机肥配施处理的土壤中,可培养细菌比不施肥土壤增加了6.14倍、 真菌增加了2.30倍、 放线菌增加了1.56倍,增幅显著高于化肥处理;施肥显著提高土壤微生物量碳、氮量。化肥和有机无机肥配合处理土壤的微生物量碳分别比CK增加了71.8%和246%;不同施肥处理土壤微生物量碳/氮比值显著不同,分别为14.8（CK）、13.3（CF）和11.2（CFM）。微生物标记性PLFAs含量以化肥有机肥配合处理最高,化肥处理次之,CK最低。化肥、化肥配施有机肥处理土壤细菌PLFAs比对照分别增加了25.41%和87.66%,真菌PLFAs分别增加了15.59%和39.24%,化肥处理代表放线菌的PLFAs降低了24.63%,化肥配施有机肥处理增加了83.86%,表明施肥尤其是化肥配施有机肥改善了土壤环境,促进了微生物的生长繁殖,并改变了土壤微生物种群结构;施肥处理土壤中微生物群落多样性指数上升,化肥处理还提高了微生物的优势度指数,说明施肥有益于增加微生物的种群数量, 化肥配施有机肥处理显著提高了无机磷细菌和钾细菌的数量,两者分别比对照增加了1.15倍和1.02倍,化肥处理则相反,自生固氮菌和无机磷细菌数量分别比CK降低了56.69%和41.30%;化肥配施有机肥处理土壤中的自生固氮菌、磷细菌和钾细菌共有20个属,CK土壤有19个属,化肥处理土壤仅16个属。 【结论】CFM促进微生物生长繁殖,增加种群多样性,有益于微生物固氮、溶磷、解钾,对于提高肥料利用率和保持土壤健康有重要意义。在烟叶栽培过程中,提倡化肥与有机肥配合施用很有必要。     

长期有机无机肥配施对东北黑土真菌群落结构的影响

【目的】分析长期有机无机肥配施对土壤真菌丰度、多样性及其群落特征的影响,探讨东北黑土真菌群落变化与施肥的相关性,为进一步调节土壤微生物结构,改善其生态功能提供参考依据。【方法】依托黑龙江省农业科学院36年长期定位试验站,选取4个不同施肥处理:不施肥处理（CK）、有机肥处理（M）、氮磷钾无机肥处理（NPK）和有机肥配施无机肥处理（MNPK）的耕作层土壤为研究对象,以真菌ITS基因为分子标靶借助qPCR技术和Illumina Miseq高通量测序平台,研究不同施肥处理对黑土中真菌群落丰度、多样性和组成的影响,并与土壤化学性质进行偶联分析,揭示群落与施肥的相关性。【结果】长期施用无机肥显著降低土壤pH,而有机无机配施可以有效缓解土壤酸化。NPK处理的ITS基因丰度显著高于MNPK;MNPK处理的细菌/真菌比值（26.91104）显著大于NPK,各处理比值由高到低为MNPK M CK NPK。细菌/真菌比值与土壤pH正相关;MNPK处理的真菌多样性指数值略大于NPK。Ascomycota和Zygomycota为土壤中主要真菌门,不同施肥处理之间真菌组成的相对丰度存在显著差异,对照处理Ascomycota的相对丰度为45.35%,MNPK和NPK处理分别为50.93%和56.16%。有机肥有利于降低病原真菌相对丰度,具有高度侵染性的Cochliobolus在MNPK（0.41%）和M（0.39%）中的相对丰度显著小于CK（3.25%）和NPK（2.08%）。CCA分析表明,土壤理化性质共解释土壤真菌群落结构变化的73.3%,有效磷（贡献量为32.4%,P=0.002）、铵态氮（贡献量为14.8%,P=0.01）和硝态氮（贡献量为16.2%,P=0.048）是3个重要的影响因子。【结论】不同施肥条件下土壤真菌丰度、多样性,以及菌群组成特征不同。与无机肥相比,有机肥无机肥配施能够有效改善真菌群落结构,降低真菌的丰度,增加真菌多样性,并提高土壤pH,减缓土壤酸化。土壤有效磷、铵态氮和硝态氮含量是影响黑土土壤真菌群落结构变化重要因素。     

长期施肥对稻田土壤微生物群落结构及氮循环功能微生物数量的影响

  【目的】   稻田是陆生生态系统中重要的氮库之一，在氮素生物地球化学循环中具有重要地位。研究不同施肥处理对稻田土壤微生物群落结构及其功能的影响具有重要意义。   【方法】   田间试验位于江苏省金坛市，在取样时试验已进行了6年。施肥处理包括:不施肥对照 (CK)、施化肥 (CF)、化肥+猪粪混施 (CMF)、化肥+秸秆混施 (CSF)。采用高通量测序和定量PCR方法测定稻田土壤微生物群落结构及氮循环相关功能微生物数量。   【结果】   在施用肥料6年后，土壤全碳、可溶性有机碳、全氮、铵态氮和硝态氮含量均不同程度地提高。与CF相比，CSF和CMF处理土壤pH升高，全碳、可溶性有机碳与养分含量升高。CK与施肥处理的土壤细菌群落结构差异明显，不同施肥处理的细菌群落结构之间有明显差别。聚类结果显示，CK与CMF处理细菌群落聚类更接近，CF处理和CSF处理细菌群落结构更为接近；与CK相比，CF、CMF、CSF处理土壤中氨氧化细菌 (AOB) 和铁氨氧化微生物Feammox A6的丰度显著提高，其中Feammox A6分别增长87.6%、158%和157%。冗余分析结果表明，施肥过程及其对土壤化学性质的改变显著影响土壤细菌群落的组成和分布。   【结论】   施肥导致的反应底物 (NH₄+、NO₃–含量) 及土壤理化性质的差异，是土壤微生物群落结构和功能微生物数量响应的主要决定因素。不施肥与化肥配施猪粪的土壤细菌群落聚类更接近，施化肥与化肥配施秸秆的细菌群落结构更为接近。施肥对氨氧化细菌AOA数量影响不明显，但显著提高氨氧化古菌AOB和厌氧铁氨氧化功能微生物Feammox A6的数量，特别是有机肥 (猪粪、秸秆) 提高Feammox A6数量的效果大于化肥。长期单施化肥土壤中厌氧氨氧化细菌丰度显著降低，反硝化功能基因nirK、nosZ丰度显著增高；化肥配施猪粪土壤中的厌氧氨氧化细菌丰度变化不明显，反硝化功能基因narG、nirK、nosZ丰度显著增高；化肥配施秸秆处理厌氧氨氧化细菌丰度变化不明显，反硝化功能基因nirK、nosZ丰度显著增高。     

长期不同施肥下太湖地区稻田净温室效应和温室气体排放强度的变化

利用田间观测和模型预测方法对太湖地区一个长期不同施肥处理的稻田生态系统进行了稻季温室气体排放观测和净温室气体排放强度分析。结果表明,不同施肥管理下,稻田土壤有机碳含量不同程度提高,有机无机肥料配施较单施化肥处理显著提高有机碳库储量,并且秸秆处理略高于猪粪处理。与不施肥处理相比,长期施用肥料显著提高了稻田生态系统CH4和CO2的排放量,有机肥料与化肥配施较单纯施用化学肥料下土壤碳（CO2和CH4）排放增加,但化肥配施秸秆与化肥配施猪粪下稻田生态系统CH4和CO2的排放没有显著差异。不同施肥处理下,稻田生态系统净温室效应表现为CFM≈CFS〉CF〉NF,但水稻生产的净温室气体排放强度并没有显著性差异。因此,在提高水稻产量的同时,有机无机配合施肥并没有提高净温室气体的排放强度。     

不同培肥措施对宁南旱地土壤酶活性和微生物多样性的影响

为研究不同有机肥和化肥配施对宁南旱地土壤酶活性及微生物群落的影响,探讨有机无机配施条件下土壤肥力、土壤酶活性及微生物多样性的内在联系,为建立科学合理的有机无机配施技术体系提供理论依据。试验设置不施肥(CK)、常规施肥+0.6倍腐熟牛粪(CF1)、常规施肥+腐熟牛粪(CF2)、常规施肥+秸秆还田(CFS)4个处理,通过1年田间试验,研究土壤肥力、纤维素二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶、正乙酰葡萄糖氨基胺酶和碱性磷酸酶及土壤细菌、真菌多样性、群落结构的变化规律。结果表明,不同培肥处理较不施肥处理能够显著提高土壤养分含量,CF2处理的土壤养分最高。与CK处理相比,CF2处理的土壤有机质、有效磷、速效钾和全氮显著提高了2.22%、112.18%、52.13%和16.45%。与CK相比,CF2处理的土壤β-葡萄糖苷酶、纤维素二糖水解酶、正乙酰葡萄糖氨基胺酶和碱性磷酸酶活性显著提高了107.63%、10.72%、4.40%和39.88%。与CK相比,CF1、CF2和CFS处理均降低了土壤细菌多样性和丰富度,CF1和CF2处理增加了土壤真菌多样性和丰富度。对于微生物群落而言,CF2处理增加了土壤细菌绿弯菌门、酸杆菌门和土壤真菌被孢菌门、担子菌门的相对丰度。综上,CF1、CF2和CFS处理均可提高土壤养分含量,土壤β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶活性对腐熟牛粪的响应更为敏感。土壤速效钾和有效磷是影响土壤细菌群落构成的环境因子,土壤有机质和全氮是土壤真菌群落构成的环境因子。因此,常规施肥+腐熟牛粪(CF2)处理有利于提高宁南山区的土壤肥力和维持生态系统的稳定。     

施肥对植烟土壤微生物的影响

利用7年的定位施肥试验,研究了不施肥（CK）、 单施化肥（CF）和有机无机肥配施（MCF）对植烟土壤微生物的影响。平板计数、 微生物碳、 氮含量和磷脂脂肪酸的测定结果均表明,土壤微生物数量以有机无机配施的处理最多,单施化肥次之,不施肥最少。在3种施肥处理的土壤中,分别检测出20（CK）、 27（CF）和31种（MCF）磷脂脂肪酸; 施肥提高了代表细菌（1220碳）和放线菌（10Me17: 0和10Me18: 0）的磷脂脂肪酸; 但是,代表真菌的磷脂脂肪酸18: 19c无显著变化（CF）或显著降低（MCF）。有机无机肥配施处理显著提高了土壤微生物的多样性指数和优势度指数,说明有机无机配施改善了土壤生态环境,微生物种群丰富,优势种群突出。在土壤自生固氮菌、 磷细菌和钾细菌中,分离率最高的是芽孢杆菌属,在26%50%之间变化。有机无机肥配施还提高了这3种有益微生物的数量,单施化肥则无显著影响。此外,在有机无机肥配施的土壤中,自生固氮菌、 磷细菌和钾细菌的多样性指数、 均匀度指数和优势度指数均较高。从土壤微生物的角度看,生产上采用有机无机肥配施很有必要。     

有机无机肥料配施对植烟土壤养分及细菌群落结构的影响

为研究有机无机肥料配施对植烟土壤细菌群落结构的影响,采用Illumina MiSeq高通量测序技术,分析了连续3年施用化肥(CF)、烟草秸秆生物有机肥配施化肥(TBF)和高碳基土壤修复肥配施化肥(HCF)对土壤细菌多样性和群落结构的影响,同时结合土壤理化性质探究不同施肥条件下细菌群落变化的重要影响因素。与CF处理相比,HCF处理土壤碱解氮含量显著降低了34.09%。多样性指数分析显示有机无机肥料配施有提高土壤细菌多样性的趋势,HCF处理土壤细菌多样性最高。有机无机肥料配施提高了土壤放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和浮霉菌门(Planctomycetes)细菌丰度,降低了土壤绿湾菌门(Chloroflexi)、Saccharibacteria、厚壁菌门(Firmicutes)、WD272和蓝细菌门(Cyanobacteria)细菌丰度。有机无机肥料配施显著增加了土壤Patulibacter、短芽孢杆菌属(Brevibacillus)、农研丝杆菌属(Niastella)等有益细菌属丰度。Spearman相关性分析和典范对应分析(CCA)表明土壤pH值、碱解氮和速效钾是影响土壤细菌群落结构的重要因子。有机无机肥料配施对植烟土壤细菌多样性和群落结构产生了深刻影响,土壤pH值、碱解氮和速效钾是调控细菌群落结构的重要影响因素,在土壤培肥中应引起充分的重视。     

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。本研究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。本文基于多种微生物群落响应指标定量计算微生物群落的抵抗力和回复力，结果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。     

长期不同施肥措施下塿土细菌群落结构变化及其主要影响因素

? 【目的】 ?研究不同施肥处理下土壤细菌群落的特征，为建立促进土壤生态系统稳定和健康的养分管理制度提供依据。? 【方法】 ?陕西省杨凌示范区“国家黄土肥力与肥料效益监测基地”的28年长期定位试验始于1990年秋，种植制度为冬小麦–夏休闲，无灌溉。本研究选取定位试验中不施肥 (CK)、施用氮磷钾肥 (N、P₂O₅、K₂O分别为135、108、67.5 kg/hm2，NPK) 和有机无机肥配施 (70% N来自牛粪，MNPK) 3个处理。于2018年6月小麦收获后采集0—20 cm耕层土样，测定养分含量、含水量、微生物量碳含量、微生物量氮含量及目标土壤微生物。以1%琼脂糖凝胶电泳法检测土壤中DNA，根据97%相似度对序列进行OTU聚类、α多样性分析 (包括Shannon、ACE和Chao1等指数)，使用CANOCO 4.5软件对土壤细菌门水平群落结构、细菌相对丰度等与土壤理化性质进行冗余分析。? 【结果】 ?与CK相比，NPK和MNPK处理显著提高了土壤有机碳、全氮、微生物量碳、微生物量氮、硝态氮和铵态氮含量，显著降低了土壤pH值。不同处理细菌基因拷贝数为每克干土6.69 × 109～16.46 × 109，与CK相比，NPK和MNPK处理细菌数量分别提高了77%和146%。MNPK处理的土壤细菌Shannon多样性指数显著高于CK和NPK处理，而Simpson指数显著低于CK和NPK处理，NPK与CK处理间两个指数无显著差异。3个处理的细菌丰富度指数 (Chao1指数和ACE指数) 和均匀度指数均没有显著差异。在门水平上，共获得35个细菌类群，其中，放线菌门 (Actinobacteria)、变形菌门 (Proteobacteria)、酸杆菌门 (Acidobacteria) 和绿弯菌门 (Chloroflexi) 为主要优势菌门 (相对丰度 > 10%)，占到全部菌门的80.1%～81.7%。与CK相比，MNPK处理显著降低了放线菌门 (F = 5.845，P < 0.05) 的相对丰度，增加了拟杆菌门 (F = 4.461，P < 0.05) 的相对丰度，3个处理间其他菌门均无显著差异。冗余分析结果显示，CK与NPK、MNPK处理的土壤细菌群落结构具有明显差异，且MNPK处理对土壤细菌群落组成的影响更大。土壤理化性质对细菌菌群影响表现为:土壤硝态氮 > 可溶性有机碳 > pH > 铵态氮 > 有机碳 > 土壤含水量，这些理化因子均是影响微生物生长的关键因子。? 【结论】 ?关中土区旱作雨养条件下，化肥平衡施用和有机无机肥配施均显著提高了土壤中细菌数量、多样性和丰富度，有机无机肥配施还改变了细菌群落结构，特别是降低了放线菌门、增加了拟杆菌门的丰度，更有利于土壤生态系统的稳定和健康。     

Effects of straw and its biochar applications on the abundance and community structure of CO2-fixing bacteria in a sandy agricultural soil

Purpose

Crop straw and biochar application can potentially increase carbon sequestration and lead to changes in the microbial community in agricultural soils. Sequestration of CO₂ by autotrophic microorganisms is key to biogeochemical carbon cycling in soil ecosystems. The effects of straw and its biochar, derived from slow pyrolysis, on CO₂ fixation bacteria in sandy soils, remain unclear. Therefore, this study compared the response of abundance and community of CO₂ fixation bacteria to the two straw application methods in a sandy agricultural soil. The overall aim of the study was to achieve an efficient use of straw residues for the soil sustainablility.

Materials and methods

We investigated the soil organic carbon content and autotrophic bacteria over four consecutive years (2014–2018) in a field experiment, including the following four treatments: whole maize straw amendment (S), whole maize straw translated biochar amendment (B), half biochar and half straw amendment (BS), and control (CK) without straw or biochar amendment. The autotrophic bacterial abundance and community structure were measured using molecular methods of real-time PCR, terminal restriction fragment length polymorphisms (T-RFLP), and a clone library targeting the large subunit gene (cbbL) of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase.

Results and discussion

The results showed that the content of soil total organic carbon (TOC), dissolved organic carbon (DOC), and microbial biomass carbon (MBC) in B, S, and BS treatments was significantly increased compared with the CK treatment. Soil TOC and available potassium (AK) in the B treatment significantly increased by 15.4% and 23.3%, respectively, but soil bulk density, DOC, and MBC significantly decreased by 8.5%, 10.6%, and 14.5%, respectively, compared with the S treatment. The abundance of the cbbL gene as well as of the bacterial 16S rRNA gene increased significantly in straw or biochar application treatments as compared to the CK treatment. The B treatment, but not the BS treatment, significantly increased the cbbL gene abundance when compared to the S treatment. No significant differences were observed in the bacterial 16S rRNA gene abundance among the three straw or biochar applications. The application of straw biochar could increase the diversity of the autotrophic bacteria, which also altered the overall microbial composition. Physicochemical properties of the soil, such as soil pH, SOC, and bulk density, can help explain the shift in soil microbial composition observed in the study.

Conclusions

Taken together, our results suggest that straw biochar, rather than straw application, leads to an increase in the abundance and diversity of CO₂-fixing bacteria, which would be advantageous for soil autotrophic CO₂ fixation.

     

太湖地区水稻土长期不同施肥条件下油菜季土壤呼吸CO2排放

利用长期定位试验研究了太湖地区不同施肥处理下油菜生长期间水稻土CO2排放通量,耕作方式为水稻-油菜轮作,并对CO2排放通量和土壤（5cm）温度、土壤水分含量进行了回归模拟。结果表明,不同施肥处理平均土壤呼吸CO2排放速率在49．37～85．97CO2-Cmg·m^-2·h^-1之间,与不施肥处理相比,长期施用肥料显著提高了土壤呼吸CO2排放速率,且在油菜的两个生育期,施肥对土壤呼吸释放CO2的促进作用,花角期显著高于角果发育成熟期。相关分析表明,土壤呼吸CO2排放强度与土壤水分、土壤温度有显著的正相关关系。通过计算Q10,无肥处理（NF）较其他肥料处理（CF、CFM、CFS）对土壤温度有更大的敏感性。     

Nitrogen fixation in paddy soils

The 4 long-term experimental plots (Umbric haplaquept) with different fertilizer treatment at Cent. Agric. Exp. Sta. in Konosu City, Saitama Prefecture, were used for the sites of investigation. The 4 plots were NF (applied with no fertilizer), IF (applied with inorganic fertilizers), GM (applied with green manure and CaCO₂), and OM (applied with manure and inorganic fertilizers). Flooded water, floating weed, upper (0-2cm) and lower (2-10cm) parts of Apg horizon and rhizosphere were collected from each plot before flooding, during flooding, and after drainage. These samples were analyzed for N₂-fixing activity by acetylene reduction method, pH, Eh, and contents of Fe²⁺, NH₄ ⁺, chlorophyll-type compounds, and water-soluble carbohydrates.

The N₂-fixing activity of all samples showed almost the same pattern of change with time: very low before flooding, rapidly increased after flooding, the maximum value at the maximum tillering stage of rice plant, declined afterwards and reached a very low value after drainage.

Rough estimation of the “N₂-fixing capacity” of each part of the paddy field revealed that the most important site of the N₂ fixation was the reduced Apg horizon, that the importance of flooded water and/or the oxidized layer in the N₂ fixation was rather low except in infertile soil, and that the role of rhizosphere in the N₂ fixation could not be neglected also in Japan.

Reduced condition and content of easily decomposable organic substances were judged to be main factors which control the N₂-fixing activity in the flooded soil on the basis of correlations between the Nt-fixing activity and several analytical data of the paddy soils.     

不同施肥模式对土壤氮循环功能微生物的影响

  【目的】   微生物在土壤氮循环过程中发挥着重要作用。通过研究农田土壤氮循环过程中不同功能微生物群落基因丰度对施肥模式的响应及其关键影响因素,探讨不同施肥模式调控下氮素转化的微生物学机制,为改善农业生产中氮素的管理策略提供理论依据。   【方法】   田间试验始于2011年,试验地点位于江苏省常州市溧阳市南渡镇,供试土壤为白土型水稻土,种植制度为稻麦轮作。试验包括单施化肥 (NPK)、化肥+畜禽有机肥 (NPKM)、化肥+秸秆还田 (NPKS) 以及相邻江苏省耕地质量监测点不施肥对照 (CK),共 4个处理。于2014年水稻成熟期采集土壤样品,采用实时荧光定量PCR法分析了土壤硝化 (amoA)、反硝化 (narG、nirS、nirK、norB、nosZ)、固氮 (nifH)、硝酸盐异化还原 (napA) 等氮循环过程的相关功能微生物基因丰度的变化。以氨氧化微生物为模式微生物,测定添加与不添加1-辛炔情况下的土壤硝化潜势,分析氨氧化古菌 (AOA) 与氨氧化细菌 (AOB) 功能基因丰度与土壤硝化功能的内在联系。   【结果】   与CK相比,NPK处理显著增加了土壤中AOB-amoA、narG、nosZ和nifH基因的丰度。与NPK处理相比,NPKS处理进一步提高了土壤中AOB-amoA、narG、nosZ、nifH以及nirK基因的丰度。与CK相比,除AOA-amoA、nirS、napA基因以外,NPKM处理显著提高了土壤中所有氮循环功能基因的丰度。AOB-amoA基因丰度的变化对土壤氮循环功能基因丰度的整体变异影响最大。AOB主导了施肥土壤的硝化过程 (81.90%～84.42%)。土壤总硝化潜势与AOB-amoA基因丰度显著相关,但与AOA-amoA基因丰度相关性不显著。氮循环功能微生物基因丰度主要受到土壤pH、土壤有机碳(SOC)和NO₃–含量的影响。   【结论】   畜禽有机肥与秸秆的施用能够进一步刺激氮循环功能基因丰度的增长,促进土壤氮循环。土壤pH、SOC和NO₃–含量是影响土壤氮循环功能微生物丰度的关键因素。施肥主要通过提高土壤AOB-amoA功能基因的丰度,进而提高土壤硝化潜势,因此在控制土壤硝化作用时应重点关注AOB微生物群落。     

Molecular changes in particulate organic matter (POM) in a typical Chinese paddy soil under different long‐term fertilizer treatments

A combination of solid‐state CPMAS‐¹³C‐NMR and TMAH thermochemolysis‐GC/MS was applied to investigate the molecular composition of particulate organic matter (POM) separated from a Chinese paddy soil, from the Tai Lake region, under a long‐term field experiment with different fertilizer treatments. The treatments were: (i) no fertilizer application (NF), (ii) chemical fertilizers only (CF), (iii) chemical fertilizer plus pig manure (CFM) and (iv) chemical fertilizer plus crop straw (CFS). CPMAS‐¹³C‐NMR spectra showed that POM from all treated plots was rich in O‐alkyl‐C compounds, followed by alkyl‐C and aromatic‐C compounds. However, as compared with a control (NF), POM under CFM and CFS treatments exhibited a smaller relative O‐alkyl‐C content and a larger contribution of aromatic‐C and alkyl‐C, thus increasing both aromaticity and hydrophobicity and, hence, recalcitrance of POM samples. Thermochemolysis of POM from all treatments demonstrated a dominance of aliphatic and lignin‐derived compounds. However, the distribution of lignin monomers (p‐hydroxyphenyl, P, guaiacyl, G, and syringyl, S) revealed significant differences among the treatments. The relative distribution of lignin P, G and S monomers in NF, CF and CFS indicated a preferential contribution of annual crops and maize straw, as compared with that found for CFM. Concomitantly, a larger content of aliphatic thermochemolysis derivatives was found for CFS and CFM. The relative increase of aliphatic molecules in CFS was attributed to hydrophobic polyesters from higher plants. In the CF and CFM systems, the presence of aliphatic components of microbial origin suggested a greater microbial activity in comparison with NF and CFS. The combined application of solid state CPMAS‐¹³C‐NMR and TMAH thermochemolysis‐GC/MS can be used to assess effectively the accumulation of recalcitrant organic compounds in soil POM under long‐term fertilizer application with organic biomass. It is thus inferred that soil organic matter stabilization by molecular recalcitrance contributes to carbon sequestration in Chinese paddy soils under long‐term managements.     

大田条件下草本及灌木豆科植物固氮能力的评价

Natural ¹⁵N abundance method was used in this study to investigate the N₂-fixing capacities of several herbaceous and shrub legumes by a field experiment. For herbaceous legumes, the results were in consistent with those obtained by a pot experiment. Crotalaria mucronata Desv. had a higher N₂-fixing capacity than Vigna sinensis (L.) Savi. For shrub legumes, N₂-fixing capacity under field condition was slightly different from that in pot experiment. These results demonstrated that the natural ¹⁵N abundance method was applicable to evaluating N₂-fixing capacities of herbaceous and shrub legumes, and that pot experiment was suitable for evaluating the N₂-fixing capacities of not only herbaceous legumes but also shrub legumes. Leguminous N₂-fixing plants differed in response to phosphorus fertilization. Phosphorus fertilizer application greatly increased the percentage of nitrogen derived from air (% N dfa) and total amount of N₂ fixed by Lespedeza formosa (Vog.) Koehne (Jiangxi). Phosphorus fertilizer showed no significant effect on the N₂-fixing percentage of Cajanus cajan (L.) Millsp. but increased its total biomass, thus increasing the total amount of N₂ fixed.     

施肥方式对冬小麦季紫色土N2O排放特征的影响

利用紫色土养分循环长期定位施肥试验平台,通过静态箱-气相色谱法,于2012年11月至2013年5月,研究了单施氮肥(N)、猪厩肥(OM)、常规氮磷钾肥(NPK)、猪厩肥配施氮磷钾肥(OMNPK)、秸秆还田配施氮磷钾肥(CRNPK)及对照不施肥(NF)6种施肥方式下,紫色土冬小麦季土壤N2O的排放特征。结果表明,在相同施氮水平[130 kg(N)·hm-2]下,施肥方式对N2O排放量有显著影响(P0.05)。N、OM、NPK、OMNPK和CRNPK处理下,土壤N2O排放量[kg(N)·hm-2]分别为0.38、0.36、0.29、0.33和0.19,N2O排放系数分别为0.25%、0.23%、0.18%、0.21%和0.10%。NF的土壤N2O排放量为0.06 kg(N)·hm-2。土壤无机氮含量(NO3--N和NH4+-N)是N2O排放的主要影响因子,降雨能有效激发N2O排放。基于小麦产量评价不同施肥方式下的N2O排放,结果表明,N、OM、NPK、OMNPK和CRNPK单位小麦产量N2O的GWP值[yield-scaled GWP,kg(CO2 eq)·t-1]分别为132.57、45.70、49.07、48.92和26.41。CRNPK的小麦产量与6种施肥方式中获得最大产量的OM间没有显著差异,但显著高于其他处理。而且,CRNPK的yield-scaled GWP比紫色土地区冬小麦种植中常规施肥方式(NPK)显著减少46%,并显著低于其他4种施肥方式。可见,秸秆还田配施氮磷钾肥在保证小麦产量的同时,能有效减少因施肥引发的N2O排放,可作为紫色土地区推荐的最佳施肥措施。     

中国西北干旱土壤中固定二氧化碳的RuBisCO基因丰度及其多样性研究

Arid soils where water and nutrients are scarce occupy over 30% of the Earth's total surface. However, the microbial autotrophy in the harsh environments remains largely unexplored. In this study, the abundance and diversity of autotrophic bacteria were investigated, by quantifying and profiling the large subunit genes of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase(Ru Bis CO) form I(cbb L) responsible for CO2 fixation, in the arid soils under three typical plant types(Haloxylon ammodendron, Cleistogenes chinensis,and Reaumuria soongorica) in Northwest China. The bacterial communities in the soils were also characterized using the 16 S r RNA gene. Abundance of red-like autotrophic bacteria ranged from 3.94 × 105 to 1.51 × 106 copies g-1dry soil and those of green-like autotrophic bacteria ranged from 1.15 × 106 to 2.08 × 106 copies g-1dry soil. Abundance of both red- and green-like autotrophic bacteria did not significantly differ among the soils under different plant types. The autotrophic bacteria identified with the cbb L gene primer were mainly affiliated with Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria and an uncultured bacterial group, which were not detected in the 16 S r RNA library. In addition, 25.9% and 8.1% of the 16 S r RNA genes were affiliated with Cyanobacteria in the soils under H. ammodendron and R. soongorica, respectively. However, no Cyanobacteria-affiliated cbb L genes were detected in the same soils. The results suggested that microbial autotrophic CO2 fixation might be significant in the carbon cycling of arid soils, which warrants further exploration.     

利用~(13)C标记和自然丰度三源区分玉米根际CO_2释放

石灰性土壤中,根际土壤释放的CO_2有三个来源,即根源呼吸、土壤有机碳(SOC)分解和土壤无机碳(SIC)溶解,三源区分土壤释放的CO_2是量化土壤碳平衡的前提。分别在玉米拔节期、抽穗期和灌浆期进行7 h的~(13)O_2脉冲标记,经过27 d示踪期后破坏性取样,测定~(13)标记与自然丰度处理中,玉米地上部、根系、土壤和土壤CO_2的碳含量和δ~(13)值,利用~(13)示踪并结合自然丰度法区分玉米土壤CO_2的来源。研究结果显示,随着玉米生长,根源呼吸对土壤CO_2的贡献呈降低趋势,从拔节期的66.7%降低至灌浆期的25.8%。整个玉米旺盛生育期内(从拔节期到生育期末),根源呼吸和土壤总碳释放对土壤CO_2具有同等贡献,SOC和SIC释放对土壤总碳释放的贡献率分别为30%和20%。玉米生长对土壤的碳输入(根系+根际沉积物)超过土壤总碳(SIC+SOC)的释放,总体表现为土壤碳汇。研究表明,SIC溶解对全球碳库稳定性和调节CO_2浓度的影响非常重要,若忽视石灰性土壤中SIC溶解,则会高估SOC的分解,进而影响SOC激发效应以及土壤碳平衡的评估。