化肥对稻田土壤细菌多样性及硝化、反硝化功能菌组成的影响

以中国科学院桃源农业生态试验站长期定位施肥试验为平台,采用聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)和DNA序列测定技术分析研究了3种长期施肥制度(对照不施肥-CK,单施氮肥-N,氮磷钾肥-NPK)对土壤细菌群落以及硝化、反硝化微生物种群的影响.通过系统分析细菌16S rDNA、细菌的硝化基因氨单加氧酶(ammonia monooxygenase,amoA)和反硝化基因氧化亚氮还原酶(nitrous oxide reductase,nosZ)等基因文库发现,长期单施氮肥导致细菌16S rDNA和amoA的多样性明显低于CK和NPK处理,而nosZ的多样性与之相反,即单施氮肥处理明显高于CK和NPK处理.LUBSHUFF软件统计分析显示:16S rDNA和amoA基因文库在CK与N,CK与NPK,NPK与N处理间均存在显著性差异.而对于nosZ基因文库,N和NPK与CK处理相比呈现出了显著性差异,N与NPK之间的差异没有达到显著水平.上述结果表明长期施用化肥对水稻土细菌的群落结构及硝化和反硝化细菌组成产生了明显的影响,但这种影响因基因类型而异.     

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。     

施肥对设施菜地nirK型反硝化细菌群落结构和丰度的影响

采用末端限制性片段多态性分析(T-RFLP)和实时荧光定量PCR(real-time PCR)方法,研究了甘肃武威设施菜地不同施肥条件下0~20 cm、20~40 cm土层中土壤nirK型反硝化细菌群落结构和丰度的变化.结果表明:施肥对土壤中nirK型反硝化细菌的群落结构具有明显影响,且对70、156、190 bp片段所代表设施菜地土壤优势种群影响最显著.施肥对0~20cm土层nirK型反硝化细菌丰度有明显影响,其最大值出现在全有机肥(M)处理、为每克干土2.16×107个拷贝数,分别是对照(CK)和全化肥(NPK)处理的2.04和2.02倍.设施菜地土壤0~20 cm与20~40 cm土层nirK型反硝化细菌的优势种群及其基因丰度均存在显著差异,且设施菜地土壤中nirK型反硝化细菌的群落结构和丰度与大田差异明显.土壤pH值、有机质及硝酸盐含量均影响nirK型反硝化细菌的群落结构和丰度.系统发育分析结果表明,土壤中除存在与厌氧反硝化细菌亲缘相近的nirK型反硝化微生物外,还存在与好氧反硝化菌亲缘关系相近的nirK型反硝化微生物,如根瘤菌属、苍白杆菌属、土壤杆菌属等.     

施肥制度对水稻土壤nosZ型反硝化细菌群落的影响

由含氧化亚氮还原酶(NOS)的反硝化细菌驱动的氧化亚氮(N2O)还原成氮气(N2)的过程是N2O排放的重要调控途径。为探明施肥对稻田土壤nosZ型反硝化细菌群落的影响,采用荧光定量PCR和高通量测序等方法,研究了湖南省宁乡县长达30年的定位试验条件下4种施肥制度[不施肥(CK)、化肥(CF)、70%化肥+30%有机肥(CFM1)和40%化肥+60%有机肥(CFM2)]对水稻土壤nosZ型反硝化细菌数量和群落结构的影响。结果表明:不同施肥处理nosZ基因丰度为2.14×10~8～6.09×10~8copies·g~(-1)干土,施肥处理nosZ基因拷贝数比对照低47.3%～64.8%(P0.05),但不同有机肥配施比例处理间nosZ基因拷贝数差异不显著;变形菌门是优势门水平类群,占总序列的60.2%～77.5%; Bacteria_unclassified、Proteobacteria_unclassified、Betaproteobacteria_unclassified和根瘤菌目为优势目水平类群,占总序列的93.6%～95.9%。施肥显著降低了Proteobacteria_unclassified的相对丰度(P0.01),但显著提高了根瘤菌目、environmental_samples和红环菌目的相对丰度(P0.05);施肥显著改变nosZ型反硝化细菌的群落结构,但有机肥配施比例对其影响较弱;除碳氮比外,其他土壤理化性质均显著影响nosZ型反硝化细菌的数量和群落结构,其中,硝态氮和土壤p H是驱动nosZ型反硝化细菌群落变化的主要因子;施肥显著影响nosZ型反硝化细菌数量和群落结构,有机肥配施比例对nosZ型反硝化细菌群落的影响较弱,研究结果为进一步阐述施肥制度对土壤反硝化微生物的影响提供依据。     

长期定位施肥对紫色水稻土硝化作用及硝化细菌群落结构的影响

采用化学分析和变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术,从表层土壤的微生物活性及基因多样性角度研究了长期不同施肥制度对紫色水稻土硝化作用及硝化细菌群落结构的影响.结果表明,经过24a长期定位肥料试验,不同施肥处理土壤pH和硝化作用均不相同,施肥在降低土壤pH的同时会增加土壤的硝化作用;不同作物种植方式也会影响土壤pH和硝化作用,紫色水稻土旱季pH和硝化作用均大于淹水土壤.施用化肥以及化肥配施有机肥不仅可以提高土壤硝化作用,也能够改变土壤中硝化细菌的群落结构;与长期单施化肥相比,长期化肥配施农家肥不仅提高了土壤的硝化作用,而且提高了土壤硝化细菌的分子多样性.UPGMA聚类分析显示,10种不同施肥处理的聚类图也不同;在水稻收割后,M,NM,NPM与NPKM聚在一个群里,CK,N和NP聚在第二个群里,而NPK,NPKMZn和NPKMMn聚成第三个群;在小麦收割后,M,NM,NPM,N,NP和NPKMMn肥料影响下的硝化细菌群落聚成一个群,NPK,NPKMZn和NPKMMn肥下的硝化细菌聚在一起,形成第二个群, 对照(无肥)下的硝化细菌群落单独成为第三个群.应用PCR-DGGE技术可以揭示石灰性紫色水稻土上24a不同施肥及作物栽培管理措施下的硝化细菌分子群落结构特点.     

施肥对设施菜地nirK型反硝化细菌群落结构和丰度的影响

采用末端限制性片段多态性分析(T-RFLP)和实时荧光定量PCR(real-time PCR)方法,研究了甘肃武威设施菜地不同施肥条件下0～20 cm、20～40 cm土层中土壤nirK型反硝化细菌群落结构和丰度的变化.结果表明： 施肥对土壤中nirK型反硝化细菌的群落结构具有明显影响,且对70、156、190 bp片段所代表设施菜地土壤优势种群影响最显著.施肥对0～20 cm土层nirK型反硝化细菌丰度有明显影响,其最大值出现在全有机肥(M)处理、为每克干土2.16×10⁷个拷贝数,分别是对照(CK)和全化肥(NPK)处理的2.04和2.02倍.设施菜地土壤0～20 cm与20～40 cm土层nirK型反硝化细菌的优势种群及其基因丰度均存在显著差异,且设施菜地土壤中nirK型反硝化细菌的群落结构和丰度与大田差异明显.土壤pH值、有机质及硝酸盐含量均影响nirK型反硝化细菌的群落结构和丰度.系统发育分析结果表明,土壤中除存在与厌氧反硝化细菌亲缘相近的nirK型反硝化微生物外,还存在与好氧反硝化菌亲缘关系相近的nirK型反硝化微生物,如根瘤菌属、苍白杆菌属、土壤杆菌属等.
     

施肥模式对设施菜地根际土壤微生物群落结构和丰度的影响

以甘肃武威长期定位设施菜地为研究对象,设定CK(对照)、MNPK(有机肥和无机肥配施)、1/2MNPK(1/2有机肥和无机肥)、M(单有机肥)、NPK(单化肥)等5种施肥处理,采用末端限制性片段多态性分析(T-RFLP)和实时荧光定量PCR技术,研究了根际土壤中细菌、氨氧化细菌和nir K型反硝化细菌群落结构和丰度的变化。结果表明:施肥和根际效应均对设施菜地土壤中的细菌、氨氧化细菌和nir K型反硝化细菌群落结构和丰度产生影响。施肥模式影响根际细菌、氨氧化细菌和nir K型反硝化细菌的主要种群,但对不同功能微生物的影响有差异。细菌16S rRNA基因、amo A基因和nir K基因的最大丰度分别出现在M、MNPK和M处理,为每克干土6.60×109、1.85×108和3.49×107个拷贝数,是CK处理的2.74、2.81和3.46倍。土壤p H值、有机质和全磷含量是影响设施菜地根际细菌、氨氧化细菌和nir K型反硝化细菌丰度的关键因素。     

稻草还田对水稻土固氮基因(nifH)组成结构和多样性的影响

以中国科学院桃源农业生态试验站长期定位施肥试验为平台,选取稻草还田(C)、氮磷钾(NPK)、氮磷钾加稻草还田(NPK+C)和不施肥对照(CK)4个处理,在晚稻的分蘖期、孕穗期和成熟期分别采集土样,利用实时定量PCR (Q-PCR)和末端限制性片段多态性(TRFLP)等分子生物学方法研究长期稻草还田对水稻土含nifH基因固氮微生物群落丰度、组成和多样性的影响.结果表明:与对照相比,稻草还田和单施化肥处理均显著增加nifH基因的丰度(分蘖期除外),NPK+C处理中含nifH基因的微生物数量最高;nifH基因组成也受到长期施肥的影响,其中CK处理nifH基因组成与各施肥处理明显不同,C与NPK处理间nifH基因组成存在一定差异,而NPK与NPK+C处理间无显著差异.长期施肥不会引起含nifH基因微生物群落多样性的显著改变.可见,稻草还田不仅引起nifH基因群落的组成发生变化,而且导致其数量显著增加,因而可增加土壤的固氮能力.     

稻草还田对水稻土固氮基因(nifH)组成结构和多样性的影响

以中国科学院桃源农业生态试验站长期定位施肥试验为平台,选取稻草还田(C)、氮磷钾(NPK)、氮磷钾加稻草还田(NPK+C)和不施肥对照(CK)4个处理,在晚稻的分蘖期、孕穗期和成熟期分别采集土样,利用实时定量PCR(Q-PCR)和末端限制性片段多态性(T-RFLP)等分子生物学方法研究长期稻草还田对水稻土含nifH基因固氮微生物群落丰度、组成和多样性的影响.结果表明：与对照相比,稻草还田和单施化肥处理均显著增加nifH基因的丰度(分蘖期除外),NPK+C处理中含nifH基因的微生物数量最高;nifH基因组成也受到长期施肥的影响,其中CK处理nifH基因组成与各施肥处理明显不同,C与NPK处理间nifH基因组成存在一定差异,而NPK与NPK+C处理间无显著差异.长期施肥不会引起含nifH基因微生物群落多样性的显著改变.可见,稻草还田不仅引起nifH基因群落的组成发生变化,而且导致其数量显著增加,因而可增加土壤的固氮能力.     

牛场肥水灌溉对土壤nirK、nirS型反硝化微生物群落结构的影响

以徐水县梁家营长期定位施肥试验田为研究对象,利用末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析和克隆文库构建,研究了5种施肥处理(清水灌溉CK、无机肥灌溉CF、牛场肥水不同浓度、不同次数灌溉T4、T5和T11)下土壤中nirK、nirS型反硝化细菌群落多样性及其群落结构的演变。结果表明,不同施肥处理下nirK、nirS型反硝化细菌群落多样性无显著差异,但群落结构却有明显变化:nirK型反硝化细菌群落结构既受施肥种类又受施肥量影响,优势种群尤其对施肥种类和施肥量响应显著;nirS型反硝化细菌则主要受施肥种类影响,施肥量影响微弱。牛场肥水处理和无机肥处理分别促进和抑制不同的nirS型反硝化细菌,群落主成分受无机肥促进、牛场肥水抑制。系统发育分析结果表明,土壤中nirK型反硝化细菌主要与假单胞菌属(Pseudomonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)和根瘤菌属(Rhizobium)的反硝化细菌具有较近的亲缘关系;nirS型反硝化细菌主要与劳尔氏菌(Ralstonia)和红长命菌属(Rubrivivax)有较近的亲缘关系。试验土壤中反硝化微生物多与目前已报道的好氧反硝化细菌亲缘关系较近,这可能与微生物分析取自表层土有关。     

不同施肥制度土壤微生物量碳氮变化及细菌群落16S rDNA V3 片段PCR产物的DGGE分析

应用化学分析和变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术分离PCR扩增的16S rDNA的方法,研究了不同施肥制度对土壤微生物量碳、氮变化及微生物多样性的影响。结果表明,连续15a长期试验下,土壤微生物量碳（SMB-C）和微生物量氮（SMB-N）的含量大小均为长期撂荒（CK0）土壤高于农田土壤,而在农田土壤中,长期施肥的处理（NPK、NPKM、NPKSt和NPKF）高于长期不施肥处理（CK）,不同的种植制度中,长期复种轮作（NPKF）高于长期复种连作（NPK）;各处理的SMB-C/SOC（土壤有机碳）和SMB-N/TN（全氮）的比值的变化趋势与SMB-C和SMB-N变化一致;从PCR-DGGE分析,长期氮磷钾化肥配施有机肥（NPKM）处理的微生物量碳、氮的含量最高,微生物丰度最高,细菌物种最多,其次为长期撂荒（CK0）,CK处理细菌物种最少。UPGMC聚类分析表明NPK和NPKF处理细菌的群落结构相似,CK和CK0处理细菌的群落结构相似,而NPKM和NPKSt处理细菌的群落结构相似。     

Activity and composition of the denitrifying bacterial community respond differently to long-term fertilization

The objective of this study was to explore the long-term effects of different organic and inorganic fertilizers on activity and composition of the denitrifying and total bacterial communities in arable soil. Soil from the following six treatments was analyzed in an experimental field site established in 1956: cattle manure, sewage sludge, Ca(NO3)2, (NH4)2SO4, and unfertilized and unfertilized bare fallow. All plots but the fallow were planted with corn. The activity was measured in terms of potential denitrification rate and basal soil respiration. The nosZ and narG genes were used as functional markers of the denitrifying community, and the composition was analyzed using denaturing gradient gel electrophoresis of nosZ and restriction fragment length polymorphism of narG, together with cloning and sequencing. A fingerprint of the total bacterial community was assessed by ribosomal intergenic spacer region analysis (RISA). The potential denitrification rates were higher in plots treated with organic fertilizer than in those with only mineral fertilizer. The basal soil respiration rates were positively correlated to soil carbon content, and the highest rates were found in the plots with the addition of sewage sludge. Fingerprints of the nosZ and narG genes, as well as the RISA, showed significant differences in the corresponding communities in the plots treated with (NH4)2SO4 and sewage sludge, which exhibited the lowest pH. In contrast, similar patterns were observed among the other four treatments, unfertilized plots with and without crops and the plots treated with Ca(NO3)2 or with manure. This study shows that the addition of different fertilizers affects both the activity and the composition of the denitrifying communities in arable soil on a long-term basis. However, the treatments in which the denitrifying and bacterial community composition differed the most did not correspond to treatments with the most different activities, showing that potential activity was uncoupled to community composition.     

长期施用有机无机肥对潮土微生物群落的影响

微生物群落结构是土壤生态系统变化的预警及敏感指标,可用于表征土壤质量及其生态功能变化。本文用磷脂脂肪酸法研究了有机肥和NPK肥料长期施用对华北平原潮土微生物群落结构的影响及其变化特征。结果表明：长期施用有机和无机肥不仅提高了土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾等含量,改善了土壤酸碱度,而且显著增加了土壤微生物生物量,其中以有机肥的效果最为明显,增幅达到15.4%。长期施用肥料有机肥也改变了土壤微生物的群落结构,提高了细菌数量,降低了放线菌含量,而对真菌数量没有明显影响,导致真菌与细菌的比值下降。主成分分析表明,长期施用有机肥的土壤,细菌以含a19:0、br14:0、16:1w5c和17:1w9而真菌以含18:1w10c的微生物为优势种群,NPK处理土壤中细菌以含18:1w7、i19:0、br18:0、16:1w7t和a15:0的微生物为优势种群,CK处理中没有明显的优势种群。     

长期施肥对土壤微生物量及土壤酶活性的影响

 该文以北京国家褐潮土土壤肥力与肥料效益长期监测基地的长期肥料定位试验为平台,研究了长期不同施肥制度对土壤的生物学特性及其土壤酶的影响。主要研究结果：长期撂荒土壤(15年)的有机质和全氮(TN)的含量、微生物量碳(SMB-C)和氮(SMB-N)、土壤的蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性以及SMB-C/SOC(土壤有机碳)和SMB-N/TN比值都高于种植作物的农田土壤;而其代谢商和容重值低于农田土壤。长期施肥的农田(NPK、NPKM 、NPKS和NPKF),其土壤养分含量、微生物量碳和氮以及土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性均高于不施肥的农田(CK);而小麦(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)→小麦-大豆(Glycine max)复种轮作(NPKF)的农田又高于长期复种连作(NPK)的农田;在施肥处理中(NPK、NPKM、NPKS和NPKF),长期化肥与有机肥配合施用的处理(NPKM )的土壤上述指标高于其它施肥处理(NPK、NPKS和NPKF),但其土壤的代谢商、pH值和容重值较低。     

长期不同施肥制度下几种土壤微生物学特征变化

 为阐明土壤微生物对土壤健康的生物指示功能, 以国家褐潮土肥力与肥料效益监测基地的长期肥料试验为平台, 应用BIOLOG ECO微平板培养法与常规分析法研究了长期施肥15年后不同施肥制度对土壤微生物生物量、活性、群落代谢功能多样性及土壤肥力的影响。研究结果表明, 与对照(CK)相比, 长期化肥与有机肥配施土壤中土壤有机质(SOM)、全氮(STN)、全磷(STP)含量升高, 土壤C/N与pH值降低, 土壤微生物量碳(Soil microbial biomass carbon, SMBC)、生物微生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen, SMBN)、微生物商(qMB)及脲酶(Urease)活性升高, BIOLOG ECO微平板平均颜色变化率(Average well color development, AWCD)、土壤微生物代谢功能多样性指数变化不明显。和长期单施化肥处理(NPK)相比, 长期化肥与有机肥配施处理中上述几种微生物学特征(SMBC、SMBN、qMB、Urease及AWCD、代谢功能多样性指数)均呈极显著增加。NPK处理与CK相比虽然SOM、STN、STP含量稍有升高, 土壤C/N与pH值降低, SMBC、SMBN、qMB及Urease活性增高, 但是AWCD、土壤微生物代谢功能多样性指数却显著下降。过氧化氢酶活性(Catalase)在各处理土壤中的差异不显著。土壤微生物碳源利用的主成分分析表明, 长期不同施肥各处理在土壤微生物利用碳源的种类和能力上有差异。此试验说明, 土壤微生物受农业管理措施和多种环境因素的影响, 土壤微生物学特征可作为土壤质量的敏感指标, 为提高作物产量、增强肥力提供理论参考。     

Abundance and composition of ammonia-oxidizing bacteria and ammonia-oxidizing archaea communities of an alkaline sandy loam

The abundance and composition of soil ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) communities under different long-term (17 years) fertilization practices were investigated using real-time polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). A sandy loam with pH (H(2)O) ranging from 8.3 to 8.7 was sampled in years 2006 and 2007, including seven fertilization treatments of control without fertilizers (CK), those with combinations of fertilizer nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K): NP, NK, PK and NPK, half chemical fertilizers NPK plus half organic manure (1/2OMN) and organic manure (OM). The highest bacterial amoA gene copy numbers were found in those treatments receiving N fertilizer. The archaeal amoA gene copy numbers ranging from 1.54 x 10(7) to 4.25 x 10(7) per gram of dry soil were significantly higher than those of bacterial amoA genes, ranging from 1.24 x 10(5) to 2.79 x 10(6) per gram of dry soil, which indicated a potential role of AOA in nitrification. Ammonia-oxidizing bacteria abundance had significant correlations with soil pH and potential nitrification rates. Denaturing gradient gel electrophoresis patterns revealed that the fertilization resulted in an obvious change of the AOB community, while no significant change of the AOA community was observed among different treatments. Phylogenetic analysis showed a dominance of Nitrosospira-like sequences, while three bands were affiliated with the Nitrosomonas genus. All AOA sequences fell within cluster S (soil origin) and cluster M (marine and sediment origin). These results suggest that long-term fertilization had a significant impact on AOB abundance and composition, while minimal on AOA in the alkaline soil.     

黄泥田土壤真菌群落结构和功能类群组成对施肥的响应

研究长期不同施肥黄泥田土壤真菌群落组成和功能特性,深入认识真菌对不同施肥的响应机理,可以为合理施肥和保证农田土壤健康发展提供科学依据.设置不施肥(CK)、单施无机肥(NPK)、无机肥配施农家肥(NPKM)、无机肥加秸秆还田(NPKS)4个处理,采用Illumina高通量测序和FUNGuild对不同施肥处理下黄泥田土壤真菌群落结构和功能群进行分析.结果表明:从门水平上看,土壤真菌群落主要由子囊菌、担子菌和接合菌构成,且以子囊菌为主(47%~74%).NPKM和NPKS处理中子囊菌的相对丰度分别为49%和47%,显著低于CK(71%)和NPK(74%)处理,从目水平上看,减少的主要为肉座菌、格孢腔菌和散囊菌.NPKM和NPKS处理担子菌相对丰度分别为18%和28%,高于CK(14%)和NPK(10%)处理,从目水平上看,增加的主要为银耳菌、糙孢伏革菌和伞菌.与CK相比,单施无机肥降低了担子菌含量.不同施肥处理均在一定程度上增加了接合菌门的丰度,从目水平看,以内囊霉菌和粪蛙霉菌为主.NPK处理真菌α多样性指数显著低于其他处理,NPKM和NPKS处理的丰富度指数(Chao1和ACE)高于CK和NPK处理.不同处理之间真菌的营养类型以腐生营养型为主(48%~57%),NPKM和NPKS处理的共生营养型真菌相对丰度为17%,显著高于CK和NPK处理,增加的以丛枝菌根真菌、外生菌根真菌为主.NPK处理动物病原菌含量(10%)显著高于其他处理.冗余分析(RDA)结果表明,土壤含水量、孔隙度和盐度是影响真菌群落结构和功能类群组成的主要因子,其次为有机质和总氮.长期单施无机肥降低真菌种群多样性,增加致病菌含量,不利于土壤健康,而有机无机肥配施可在一定程度上提高真菌种群丰富度指数和共生真菌比例,有利于保持黄泥田稻田土壤健康的生态环境和真菌群落的多样性.     

Quantitative analyses of the abundance and composition of ammonia-oxidizing bacteria and ammonia-oxidizing archaea of a Chinese upland red soil under long-term fertilization practices

The abundance and composition of soil ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) were investigated by using quantitative real-time polymerase chain reaction, cloning and sequencing approaches based on amoA genes. The soil, classified as agri-udic ferrosols with pH (H(2)O) ranging from 3.7 to 6.0, was sampled in summer and winter from long-term field experimental plots which had received 16 years continuous fertilization treatments, including fallow (CK0), control without fertilizers (CK) and those with combinations of fertilizer nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K): N, NP, NK, PK, NPK and NPK plus organic manure (OM). Population sizes of AOB and AOA changed greatly in response to the different fertilization treatments. The NPK + OM treatment had the highest copy numbers of AOB and AOA amoA genes among the treatments that received mineral fertilizers, whereas the lowest copy numbers were recorded in the N treatment. Ammonia-oxidizing archaea were more abundant than AOB in all the corresponding treatments, with AOA to AOB ratios ranging from 1.02 to 12.36. Significant positive correlations were observed among the population sizes of AOB and AOA, soil pH and potential nitrification rates, indicating that both AOB and AOA played an important role in ammonia oxidation in the soil. Phylogenetic analyses of the amoA gene fragments showed that all AOB sequences from different treatments were affiliated with Nitrosospira or Nitrosospira-like species and grouped into cluster 3, and little difference in AOB community composition was recorded among different treatments. All AOA sequences fell within cluster S (soil origin) and cluster M (marine and sediment origin). Cluster M dominated exclusively in the N, NP, NK and PK treatments, indicating a pronounced difference in the community composition of AOA in response to the long-term fertilization treatments. These findings could be fundamental to improve our understanding of the importance of both AOB and AOA in the cycling of nitrogen and other nutrients in terrestrial ecosystems.