森林土壤氮素转换及其对氮沉降的响应

近几十年人类活动向大气中排放的含氮化合物激增 ,并引起大气氮沉降也成比例增加。目前 ,氮沉降的增加使一些森林生态系统结构和功能发生改变 ,甚至衰退。近 2 0 a欧洲和北美有关氮沉降及其对森林生态系统的影响方面的研究较多 ,而我国少有涉及。森林土壤氮素转换是森林生态系统氮素循环的一个重要的组成部分 ,而矿化、硝化和反硝化作用是其核心过程 ,氮沉降作为驱动因子势必改变森林土壤氮素转换速度、方向和通量。根据国外近 2 0 a有关研究 ,首先介绍了森林土壤氮素转换过程和强度 ,论述森林土壤氮素在生态系统氮素循环中的作用 ,然后在此基础上 ,介绍了氮沉降对森林土壤氮素循环的研究途径 ,探讨了氮沉降对森林土壤氮素矿化、硝化和反硝化作用的影响及其机理     

好氧反硝化细菌碳氮代谢特点及途径的研究进展

好氧反硝化作用的发现打破了反硝化只能在严格厌氧条件下进行的传统认知,为生物脱氮提供了一条新的途径,已成为近些年的研究热点。碳源可为好氧反硝化过程提供能量和电子供体,其代谢难易程度直接影响着好氧反硝化细菌的脱氮效率,因此有必要明确碳源在好氧反硝化脱氮过程中的代谢机理。基于此,本文阐述了好氧反硝化细菌的种类及其对硝态氮与亚硝态氮的代谢途径;系统分析了不同好氧反硝化细菌对碳氮源代谢的差异与代谢机理;综合分析了碳代谢差异对好氧反硝化脱氮过程的影响,并对未来的研究方向进行了展望,旨在深入理解好氧反硝化细菌同时去除碳氮的机理,为提高废水生物脱氮除碳效率提供理论依据。     

大气氮沉降对森林土壤甲烷吸收和氧化亚氮排放的影响及其微生物学机制

水分非饱和的森林土壤是大气甲烷(CH4)汇和氧化亚氮(N2O)源,大气氮沉降增加是导致森林土壤碳氮气体通量不平衡的主要原因之一。土壤CH4吸收和N2O排放之间存在协同、消长和随机等复杂的耦合关系,关于氮素对两者产生过程的调节作用以及内在的微生物学机制至今尚不完全清楚。综述了森林土壤CH4吸收和N2O排放耦合过程的理论基础,土壤CH4和N2O的产生与消耗过程对增氮响应的生物化学和微生物学机制,指出各研究领域的不足和未来的研究重点。总体而言,低氮倾向于促进贫氮森林土壤CH4吸收,不改变土壤N2O的排放,而高氮显著抑制富氮森林土壤CH4吸收以及促进N2O排放。外源性氮素通过竞争抑制和毒性抑制来调控森林土壤CH4的吸收,而通过促进土壤硝化和反硝化过程来增加N2O的排放。然而,由于全球氮沉降控制试验网络分布的不均匀性、土壤碳氮通量产生过程的复杂性以及微生物分子生态学方法的局限性等原因,导致氮素对森林土壤碳氮通量的调控机制研究一直进展缓慢,未能将微生物功能群落动态与土壤碳氮通量真正地联系起来。未来研究应该从流域、生态系统和分子尺度上深入探讨土壤碳氮通量耦合作用的环境驱动机制,氮素对土壤CH4氧化和N2O产生过程的调控作用,以及增氮对土壤甲烷氧化菌和N2O产生菌活性和群落组成的影响。     

森林土壤氮素的转化与循环

森林土壤氮素转化与循环在森林生态系统功能中占有极其重要的意义。本文综述了森林土壤氮素转化与循环的研究历程和现状 ;介绍了凋落物的归还、施肥、大气沉降、自生固氮、氨化、硝化、反硝化、植物吸收、NH3 的挥发、NO3 -淋溶等土壤氮素输入、转化和输出的途径和过程 ;最后从研究目标、研究方法、研究对象和研究内容 4个方面归纳了森林土壤氮素转化与循环的发展趋势。     

干湿交替对生物滞留系统中氮素功能微生物群落的影响

【目的】为探究生物滞留系统干湿交替下环境因子对氮素功能微生物群落的影响。【方法】应用高通量测序技术(Illumina MiSeq PE300),并以amoA和nirS功能基因为分子标记,对无植物型和植物型生物滞留系统在干湿交替下不同土壤空间位置(种植层、淹没层)的硝化和反硝化细菌的多样性和群落结构进行研究,并对微生物群落与环境因子的相互关系进行相关性分析。【结果】微生物种群的功能基因存在显著的空间差异,相比淹没层,种植层的功能细菌更丰富。种植层的OTUs高于淹没层,而进水再湿润促使两种功能基因在种植层和淹没层的OTUs占比差异性增大。群落组成分析表明,amoA型硝化细菌和nirS型反硝化细菌的优势细菌门均为变形菌门(Proteobacteria)。虽然植物根系对氮素功能微生物的多样性指数影响不显著,但在属水平上,植物系统种植层的反硝化菌群种类高于淹没层,而无植物系统则刚好相反。CCA/RDA分析表明,土壤空间位置是影响硝化和反硝化菌群结构的最重要环境因子。【结论】本研究证实干湿交替运行下生物滞留系统中的氮素功能微生物群落受土壤空间位置、水分含量和植物根系的共同调控,其机制有待进一步研究。     

生物炭与炭基肥对采煤塌陷复垦区土壤硝化和反硝化微生物群落的影响

作为一种新型土壤改良剂,生物炭对土壤微生物群落的影响已有报道,但在采煤塌陷复垦区土壤氮循环微生物群落对生物炭添加的响应鲜有报道。以生物炭和炭基肥为添加材料,以淮北地区塌陷复垦土为供试土壤,通过室外盆栽试验,采用荧光定量PCR(qPCR)和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)技术,研究不同生物炭处理的土壤硝化和反硝化微生物的菌群变化。试验共设5个处理:对照(CK)、常规化肥(CF)、炭基肥(BF)、2%生物炭配施化肥(LB)和4%生物炭配施化肥(HB)。结果表明: 与CK处理相比,各施肥处理均显著提高了土壤氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)、反硝化细菌nirK和nirS基因丰度。与CF处理相比,生物炭和炭基肥处理显著提高了AOB和nirK基因丰度,增幅分别达到42.9%～82.1%和33.5%～62.7%。冗余分析表明,土壤有机碳、pH、NH₄⁺-N和速效钾是显著影响AOB群落结构的主要因子,而土壤有机碳、pH和NO₃^--N含量是影响nirK型反硝化细菌群落结构的关键因子。因此,施用生物炭与炭基肥能改良采煤塌陷复垦区土壤质量,提高硝化和反硝化微生物丰度,并改变AOB和nirK型反硝化细菌群落结构。     

海岸带地区的固氮、氨化、硝化与反硝化特征

海岸带是海洋环境中受人类活动影响最大、生物地球化学循环最为活跃的地区。这一地区氮的生物地球化学循环包括 :生物固氮、有机氮的氨化、氮的硝化、反硝化等 4个主要过程。概括性地介绍了有关这四个过程的发生机制、环境影响因素及研究方法等方面的研究动态、进展、存在的科学问题与今后的研究方向。过去十几年来 ,固氮主要集中在对束毛藻属的研究上 ,其间有两个重要发现 ,一是生物固氮在海洋氮循环中的作用远比人们以前的想象要重要得多 ;二是蓝细菌已经在海洋中存在了 2 0亿年 ,它们有可能调节大气中的 CO2 ,进而影响全球气候。由于有机物的结构千差万别 ,含氮有机物的氨化过程可能是一个简单的矿化反应 ,也有可能是一系列复杂的代谢过程 ,在水解酶的作用下含氮有机物降解为下一级化合物。硝化过程分两步进行 ,氨的硝化为反硝化细菌提供了重要的硝酸盐来源 ,通常采用同位素方法来研究硝化过程。发生在沉积物中的反硝化过程是氮循环的关键步骤 ,反硝化过程一方面减少了海水中初级生产者可利用的氮 ,另一方面产生了终结产物 N2 和 N2 O,而 N2 O是一种温室气体 ,可能影响全球气候变化     

好氧反硝化生物脱氮技术的研究进展

好氧反硝化生物脱氮技术自提出以来,凭借能实现同步硝化反硝化、节省基建投资及运行费用等诸多优点,受到国内外环境领域学者的广泛关注。本文首先总结了近年来好氧反硝化菌种的筛选分离情况,以及环境因子对好氧反硝化菌脱氮效能的影响,包括溶解氧(dissolved oxygen,DO)、碳氮比(C/N)、温度等。然后深入探讨了好氧反硝化生物脱氮技术的原理,好氧反硝化过程中的关键功能基因及酶,同时介绍了分子生物技术在好氧反硝化研究过程中的应用,以及好氧反硝化生物脱氮技术在实际应用方面的研究现状。最后,基于目前的研究瓶颈问题,对未来好氧反硝化生物脱氮技术的研究方向提出了科学展望。     

河岸带土壤反硝化作用研究进展

反硝化作用是水生态系统脱氮和控制水体富营养化的重要过程, 是氮循环的关键环节。该作用对去除陆地和水生生态系统中的硝酸盐、亚硝酸盐并将其以无反应氮气的形式重新输送到大气这一过程起着至关重要的作用。文章综述了土壤反硝化过程的关键微生物及其作用机制、土壤反硝化作用的主要影响因素及其作用规律以及反硝化作用的研究方法方面的研究进展, 并对今后的发展方向进行了展望。指出今后应进一步将分子生态学技术手段综合运用于土壤反硝化作用研究, 加强反硝化功能微生物种群结构的研究, 深入了解反硝化菌群结构及其种间的协同作用规律与机制, 进一步明确反硝化的微观作用机制与反应机理, 并结合景观生态因子建立氮循环生物地球化学模型, 剖析多尺度因素对反硝化作用的影响及其调控机制, 此外, 还应加强土壤反硝化研究新方法的开发与现有技术的改进, 逐步建立土壤反硝化强度测定的标准方法体系。     

氮沉降对热带亚热带森林土壤氮循环微生物过程的影响研究进展

近年来,高速的城市化和工业化建设导致全球大气氮沉降量逐年递增,其中热带亚热带地区氮沉降量显著高于全球平均水平,而大部分热带亚热带森林土壤趋近氮饱和状态,氮沉降增加将持续向土壤输入外源活性氮,极易导致土壤氮过剩,进而破环整个森林生态系统氮循环的平衡。我国热带亚热带地区经济发展快速,氮沉降增加导致的土壤养分失衡和林地退化等生态问题日益凸显,森林土壤氮循环对大气氮沉降的响应及适应机制已引起了学术界的广泛关注。研究表明氮循环各环节均由特定的功能微生物驱动完成,明确氮沉降增加对热带亚热带森林土壤氮循环功能微生物及其介导的关键过程的影响,对评价未来氮沉降增加背景下全球森林土壤氮循环的响应及驱动机制有重要作用,可为促进我国热带亚热带地区森林修复、生态环境的改善与提升提供科学支撑。鉴于此,本文综述了热带亚热带森林土壤氮循环主要过程（如固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化等）及其功能微生物群落丰度、活性、组成等对氮沉降增加的响应,同时分析了这些功能微生物的群落特征与主要环境因子（如NH₄⁺、NO₃^-、有机碳、pH、含水量等）的关联性。在此基础上探讨了氮沉降增加下功能微生物对热带亚热带森林土壤氮循环的调控作用,重点探讨了功能微生物如何通过改变丰度与群落组成而影响氮循环过程,并对目前研究中存在的主要问题与未来研究重点进行了简要剖析。     

异养硝化-好氧反硝化菌脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展

水体氮素污染日益严重,如何经济、高效地去除水体氮素已成为研究热点。近年来,研究人员已从不同环境中分离到许多同时具有异养硝化和好氧反硝化功能的菌株,此类菌生长迅速,可在好氧条件下同时实现硝化和反硝化的过程,并可用于脱除有机污染物,是一类应用潜力巨大的脱氮菌。目前,异养硝化-好氧反硝化菌的脱氮途径和机制主要是通过测定氮循环中间产物或终产物、测定相关酶活性、注释部分氮循环相关基因及参考自养硝化菌和缺氧反硝化菌的氮循环途径等进行研究,其完整的氮素转化途径和氮代谢机制还需要进一步明确。总结了目前异养硝化-好养反硝化菌的脱氮相关酶系及其编码基因的研究进展,以期为异养硝化-好氧反硝化菌的理论研究及其在污水脱氮处理上的应用提供参考。     

长期施肥制度对稻田土壤反硝化细菌群落活性和结构的影响

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,研究了3种长期施肥制度(对照不施肥-CK,化学施肥-NPK,化学施肥+有机肥-NPKOM)下土壤反硝化速率的差异.同时,以硝酸还原酶基因(narG)作为反硝化细菌的功能标志物,分析了施肥对反硝化细菌群落结构和多样性的影响.结果表明,长期施用有机肥的土壤反硝化速率,反硝化菌多样性都高于对照和施用化肥处理.从3个处理的土壤样品中共获得35个narG基因的可操作分类单元(OTU)主要分布在两个簇,与变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的反硝化细菌有一定的亲缘关系,均为首次从土壤中克隆.Shannon多样性指数显示,NPKOM处理的narG基因多样性最高,CK处理次之,NPK处理最低.LUBSHUFF软件对narG基因群落组成的分析显示,施有机肥后含narG基因的细菌群落组成与CK之间有显著性差异(P<0.05),而化肥(NPK)没有产生显著影响.实验结果为进一步研究亚热带地区水稻土反硝化作用及反硝化功能菌提供了重要的依据.     

文峪河上游河岸带不同植被类型土壤nirS反硝化菌群结构及功能

以文峪河上游河岸带不同演替阶段的8种植被类型五花草甸(WH)、沙棘林(HR)、柳树林(SS)、山杨林(PC)、山杨白桦林(PQ)、山杨白桦落叶松林(PQL)、落叶松云杉林(LP)和云杉林(PM)土壤为研究对象,采用高通量测序技术测定nirS反硝化细菌群落组成及相对丰度,乙炔抑制法测定反硝化酶活性(DEA)。对其土壤理化性质及反硝化细菌群落组成及相对丰度进行方差分析,采用冗余分析(RDA)和Spearman相关性分析不同植被类型及土层反硝化细菌群落结构及功能及土壤理化因子的关联性。结果表明:1)不同植被类型及土层土壤理化因子存在显著差异,柳树林(SS)0—15 cm土层硝态氮(NO~+_3-N)含量显著高于其他植被类型各土层;2)土壤反硝化菌群多样性指数在五花草甸(WH)、山杨白桦林(PQ)和云杉林(PM)中较其他植被类型高;3)沙棘林(HR)及柳树林(SS)反硝化酶活性(DEA)显著高于其他植被类型;4)不同植被类型反硝化优势菌群分布存在显著差异及特异性,如浮霉菌门(Planctomycetes)仅在落叶松云杉混交林(LP)和云杉林(PM)植被类型15—30 cm土层中分布;5)土壤pH、土壤有机碳(SOC)、土壤铵态氮(NH~+_4-N)和硝态氮(NO~+_3-N)等是影响土壤反硝化细菌群落结构及组成的重要因子,其中土壤铵态氮和硝态氮含量变化是导致土壤反硝化菌群多样性和反硝化酶活性差异的关键因子。本研究揭示了文峪河上游河岸带不同植被类型土壤反硝化细菌群落结构及功能的变化和分布特征,为进一步研究该区域河岸带氮素循环及水体污染防治提供重要参考依据。     

氮沉降对森林土壤磷循环的影响

磷是生物体必需的大量元素之一,也是许多生态系统的主要限制因子。近年来,大气氮沉降日益加剧,已对森林生态系统磷循环产生了不可忽视的影响。关于氮沉降对生态系统磷循环的影响已开展了一系列的研究,然而尚缺少对其整体的认识。因此,通过收集国内外已发表的相关文章,从以下五个方面综述氮沉降对森林生态系统土壤磷循环的影响及其机理:1)阐述了森林生态系统土壤磷循环的概念;2)介绍了氮沉降对森林土壤磷循环影响的研究方法,包括长期定位模拟氮沉降法、自然氮沉降梯度法和同位素示踪法等;3)概述了氮沉降对森林生态系统土壤磷循环的影响。目前的研究结论趋向于认为长期氮沉降使森林土壤磷循环速率加快。长期氮输入易于使土壤中可溶性磷向非活性磷酸盐库迁移而难以被利用。因此,为了满足需求,土壤磷酸酶活性将增加以加速有机磷的矿化,从而加速磷素在土壤-植物-微生物之间的周转。4)探讨了氮沉降影响森林土壤磷循环的机制。氮沉降可通过改变土壤有机质的性质、微生物群落组成、磷酸酶活性以及阳离子的流动性等途径影响森林土壤磷循环;5)指出了当前研究存在的问题及未来的研究方向。     

增温和隔离降雨对亚热带森林土壤N2O通量的影响

设置对照(CT)、增温5 ℃(W)、隔离50%降雨(P)和增温5 ℃+隔离50%降雨(WP)4种处理,以相关功能基因作为标志物,研究增温和隔离降雨影响亚热带森林生态系统土壤N₂O通量变化的途径.结果表明: 隔离降雨显著降低了土壤铵态氮浓度;增温显著降低了土壤N₂O通量和土壤反硝化势.增温处理(W)和降雨处理(P)的土壤微生物生物量氮(MBN)均显著低于对照(CT),AOA amoA基因丰度与MBN和铵态氮含量之间呈显著负相关,但与土壤硝化势和土壤N₂O通量没有显著相关性.路径分析显示,反硝化势直接显著影响土壤N₂O通量,而微生物生物量磷(MBP)和增温则通过直接影响反硝化势来间接影响土壤N₂O通量.温度可能是影响亚热带森林土壤N₂O通量的主要驱动因素,全球变暖可能会减少亚热带森林土壤的N₂O排放.     

增温和隔离降雨对亚热带森林土壤N2O通量的影响

设置对照(CT)、增温5 ℃(W)、隔离50%降雨(P)和增温5 ℃+隔离50%降雨(WP)4种处理,以相关功能基因作为标志物,研究增温和隔离降雨影响亚热带森林生态系统土壤N₂O通量变化的途径.结果表明: 隔离降雨显著降低了土壤铵态氮浓度;增温显著降低了土壤N₂O通量和土壤反硝化势.增温处理(W)和降雨处理(P)的土壤微生物生物量氮(MBN)均显著低于对照(CT),AOA amoA基因丰度与MBN和铵态氮含量之间呈显著负相关,但与土壤硝化势和土壤N₂O通量没有显著相关性.路径分析显示,反硝化势直接显著影响土壤N₂O通量,而微生物生物量磷(MBP)和增温则通过直接影响反硝化势来间接影响土壤N₂O通量.温度可能是影响亚热带森林土壤N₂O通量的主要驱动因素,全球变暖可能会减少亚热带森林土壤的N₂O排放.     

反硝化细菌在污水脱氮中的作用

反硝化是在反硝化细菌的作用下,以硝酸盐作为最终电子受体而进行的无氧呼吸过程。从污水脱氮的角度论述反硝化在污水脱氮中的作用、污水脱氮的机理、污水脱氮过程中反硝化作用的影响因素等。从反硝化的角度出发,论述了反硝化细菌的类群、反硝化作用的机理、反硝化细菌细胞中参与反硝化过程的关键酶。另外,还论述了近年来发现的有氧反硝化细菌、自养反硝化细菌及反硝化除磷细菌等方面的研究进展。     

湖泊微生物反硝化过程及速率研究进展

湖泊中微生物介导的反硝化过程对于区域乃至全球的气候环境变化有着深远的影响。因此,研究湖泊微生物反硝化过程及速率有助于我们深刻理解湖泊氮元素生物地球化学循环规律,全面认识湖泊生境对全球氮循环的贡献。本文综述了湖泊生境中反硝化过程(包括典型的反硝化过程及与其他物质循环耦合的反硝化过程,如与有机氮耦合的共反硝化作用、与碳循环耦合的硝酸盐/亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化、与铁循环耦合的硝酸盐依赖型铁氧化、与硫循环耦合的硝酸盐还原硫氧化)的速率、驱动微生物及其影响因素。最后对湖泊反硝化过程研究现状和未来发展方向提出总结与展望。     

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。     

大气CO2浓度增高对麦田土壤硝化和反硝化细菌的影响

硝化和反硝化细菌是土壤中与氮转化有关的微生物菌群 ,大气CO2 浓度升高可能对它们的数量产生影响。位于中国无锡的稻 麦轮作农田生态系统FACE平台 2 0 0 1年 6月开始运行。本试验在 2 0 0 3年小麦生长季研究了土壤 (0～ 5cm和 5～ 10cm土层 )中硝化和反硝化细菌在大气CO2 浓度升高条件下的变化。试验采用最大可能法 (MPN)计这两种微生物菌群的数量。结果表明 ,0～ 5cm土层硝化菌数拔节期和成熟期FACE低于对照 ,而孕穗期FACE高于对照 ,5～ 10cm土层硝化菌数越冬期与成熟期FACE低于对照 ,大气CO2 浓度升高使得麦田土壤硝化细菌数目减少。 0～ 5cm土层各个生长期反硝化菌数FACE与对照均没有明显差异 ,5～ 10cm土层反硝化菌数拔节期FACE低于对照 ,大气CO2 浓度升高对麦田土壤反硝化菌的影响不大。