长江三角洲地区污水污泥与健康安全风险研究Ⅴ.污泥施用对土壤微生物群落功能多样性的影响

利用BIOLOG测试方法对长江三角洲地区施污泥土壤的微生物群落功能多样性进行了初步探讨。研究结果表明,施用污泥后土壤微生物群落代谢剖面、多样性指数、动力学参数均发生了变化,说明微生物对单一碳源底物的利用能力发生了改变。微生物群落功能多样性动力学研究结果发现,供试土壤的微生物群落代谢剖面(AWCD)与培养时间之间呈非线性关系,其变化过程符合微生物种群生长动态模型(S型)。除滩潮土的杭州新鲜消化污泥和杭州风干污泥处理外,其他污泥处理均使土壤微生物群落功能多样性动力学参数K和r值降低,S值增大。土壤微生物群落功能多样性特征的变化可以较好地显示施用污泥后土壤微生物群落对碳源利用能力和模式的差异,反映施用污泥特定生境土壤微生物群落功能多样性的变化。     

稻–虾共作模式对涝渍稻田土壤微生物群落多样性及 土壤肥力的影响

研究了稻–虾共作模式对涝渍稻田土壤微生物群落功能多样性及土壤肥力的影响。结果表明,稻–虾共作模式的土壤平均颜色变化率(AWCD值)在0~50 cm土层均高于中稻单作模式,其中在25~50 cm土层中土壤AWCD值达到显著差异。0~25 cm土层,相对于中稻单作模式,稻–虾共作模式的土壤微生物群落Mc Intosh指数显著增加,且其微生物对胺类和酸类的利用率显著提高;而25~50 cm土层,稻–虾共作模式的土壤微生物群落Shannon指数和Mc Intosh指数均显著高于中稻单作模式,其土壤微生物对糖类、醇类和酸类的利用率较中稻单作模式显著提高;主成分分析表明对碳源利用主成分起分异作用的碳源为糖类和酸类。稻–虾共作模式的土壤有机碳和全氮含量在25~50 cm土层显著低于中稻单作模式,其土壤有机碳和全氮含量较中稻单作模式分别下降了41.8%和34.8%,0~25 cm土层不同模式的土壤养分无显著差异。由上可知稻–虾共作模式提高了土壤微生物的活性以及群落功能多样性,尤其对底层土壤的影响尤为显著,但降低了底层土壤的有机碳和全氮含量。     

基于BIOLOG指纹解析土壤可培微生物对铀污染的响应

为考察铀污染对土壤微生物群落的影响,以50、100、150 mg·L-1铀处理的土壤为研究对象,未处理的土壤为对照(CK),采用BIOLOG-ECO微孔板技术考察土壤微生物群落的功能多样性和碳源利用动力学特征等的变化。根据微孔板中的孔平均颜色变化率(AWCD)可知,铀污染对土壤微生物的生理活性呈现显著的抑制作用;采用Shannon多样性指数、Simpson指数、Mc Intosh指数描述微生物功能多样性,结果表明,铀处理组与CK的微生物群落功能多样性差异在3个多样性指数上均达到显著水平;土壤微生物对各类碳源的利用能力有所不同,以氨基酸类和胺类碳源为主;铀处理后,6类碳源相对利用率均比CK显著降低,其中羧酸类和多聚物类的利用率下降50%以上。主成分分析结果表明,铀污染后的土壤微生物特异利用的碳源主要有β-甲基-D-葡萄糖苷、D-半乳糖酸-γ-内脂、L-精氨酸等。因此,铀污染改变了土壤微生物的群落结构,导致微生物生理代谢等功能特性的变化。BIOLOG-ECO技术结合数学统计分析方法可以较为直观、快捷地反映土壤微生物的生物多样性,研究结果为评估和修复铀污染生态环境提供了理论依据。     

不同种植年限设施芦笋土壤微生物群落结构与功能研究

以上海某设施园艺场长期设施芦笋种植土壤为研究对象,采用常规梯度稀释混菌平板法和Biolog-Eco微平板反应系统,研究了芦笋设施种植1、3、5、8及11年棚土壤微生物群落结构及功能多样性。结果表明:设施栽培芦笋后,土壤细菌种群数量减少,真菌数量增加,细菌与真菌数量比(B/F值)降低;除11年棚表现特殊外,随种植年限增加,土壤微生物代谢活性逐渐下降,5年和8年棚AWCD值均仅为对照1年棚的15%左右;土壤微生物代谢类群多样性减少,5年和8年棚的土壤微生物丰富度指数(S)均仅为对照1年棚的72%左右,Shannon指数均为对照1年棚的82%左右,Mc Intosh指数则均为对照1年棚的90%;不同种植年限芦笋设施土壤中微生物群落的碳源代谢特征发生了明显的分异变化,主成分分析表明,这种变化主要体现在对6种碳水化合物和5种氨基酸碳源的代谢利用上;设施芦笋土壤微生物参数指标对土壤p H和EC值变化响应敏感,另外,土壤速效磷和速效钾含量也是影响土壤微生物代谢和区系分异的2个主要因素。     

加气灌溉改善干旱区葡萄根际土壤化学特性及细菌群落结构

为探讨地下穴贮滴灌条件下根际注气对干旱区葡萄根际土壤化学性质、细菌多样性及群落结构影响。该研究以3a箱栽‘红地球’葡萄为试验材料,以自行设计的地下穴贮滴灌"水肥气"一体化设备作为注气装置,16S高通量基因组测序作为研究土壤细菌多样性及群落结构的关键技术手段。结果表明地下穴贮滴灌根际注气可有效提高土壤pH值,显著增加土壤速效磷(40~50 cm除外)和速效钾含量,促进土层深度20~30 cm土壤有机质分解;对氮磷钾相关菌属的分析表明,根际注气可促进与硝化作用相关的亚硝化螺菌属,磷钾代谢相关的假单胞菌属、芽孢杆菌属,抑制与反硝化相关的罗尔斯通菌属,表明加气灌溉能促进植株对氮磷钾的吸收与能提高硝化作用、解磷解钾相关菌群数量有关。chao1、shannon指数分析表明地下穴贮滴灌根际注气可有效改变细菌群落丰度,但对细菌群落多样性影响较小;对于细菌门,注气处理增加了放线菌门和硝化螺旋菌门的丰度,其中在40~50 cm土层注气处理放线菌门和硝化螺旋菌门分别比未注气高16.7%与22.7%,达到极显著水平;典型相关分析及相关分析表明,地下穴贮滴灌注气条件下土壤pH值、速效磷和硝酸盐含量是影响细菌群落结构的重要指标。该研究结果可为干旱区地下穴贮滴灌条件下科学合理注气提供理论依据。     

抑制剂对海南土壤中硝化作用及N2O排放的影响

通过室内培养试验研究4种肥料增效剂对尿素在海南土壤中氮素转化和N₂O排放的影响,以期筛选出适合海南土壤的氮肥增效剂类型。培养试验设单施尿素（CK）、尿素 + 长效复混肥添加剂（加入尿素量的8‰,NAM）、尿素 + 双氰胺（加入尿素量的3.5%,DCD）、尿素 + 3,4-二甲基吡唑磷酸盐（加入尿素量的1%,DMPP）、尿素 + 2-氯-6-三氯甲基吡啶（加入尿素量的8‰,NMAX）5个处理。在培养过程中定期测定土壤理化性质、铵态氮和硝态氮含量以及N₂O排放量的变化,以分析不同增效剂对土壤氮素形态及N₂O排放的影响。结果表明:添加增效剂处理土壤的pH、有机质、全氮和速效钾等均与CK无显著差异,但土壤速效磷含量显著降低。培养过程中,除DCD外,DMPP、NAM和NMAX处理铵态氮浓度一直处于较低水平,而土壤硝态氮含量缓慢增长,显示出明显的硝化抑制效果。与CK处理相比,添加抑制剂处理土壤N₂O浓度峰值延后,累计排放量显著降低,但不同抑制剂间差异不显著。综合比较硝化抑制作用及N₂O减排效果,可以认为添加长效复混肥添加剂（NAM）、3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）和2-氯-6-三氯甲基吡啶（NMAX）等抑制剂的肥料适宜应用于海南水稻土。     

有机肥替代部分化肥对马铃薯根际土壤微生物群落功能多样性的影响

长期过量施用化肥使农田的土壤微生物区系和生物活性受到极大破坏,作物产量对化肥养分的依赖性越来越强。本文采用大田试验和Biolog生态板法技术相结合的方法,研究了有机肥(普通有机肥-OF,生物有机肥-BIO)替代部分化肥(CF)对马铃薯收获期根际土壤微生物群落功能多样性的影响。结果表明,25℃培养144 h后,收获期马铃薯根际土壤微生物代谢活性以T8处理(60%CF+BOF6000 kg hm-2)最大为0.848,T2处理(100%CF)最小为0.467,单施化肥降低了根际土壤的微生物代谢活性,低于不施肥的对照处理40.52%;生物有机肥替代部分化肥处理的Shannon、Mc Intosh丰富度指数、均匀度指数以及Simpson指数均高于普通有机肥替代化肥的处理,说明施用生物有机肥比普通有机肥更能提高马铃薯根际土壤的微生物活性和多样性;8个处理的主要利用碳源均为羧酸类物质和糖类物质,表明以糖类和羧酸为营养物质的微生物在马铃薯收获期的根际土壤中占主导位置;主成分分析结果显示,生物有机肥比普通有机肥更有利于土壤微生物活性的提高。生物有机肥替代部分化肥可以提高马铃薯根际土壤微生物群落功能多样性。     

添加硝化抑制剂DMPP对红壤水稻土硝化作用及微生物群落功能多样性的影响

通过室内培育试验,研究了不同施氮水平下添加硝化抑制剂(DMPP)处理对红壤水稻土NH4+-N、NO3–-N含量、微生物生物量碳及微生物群落功能多样性的影响。结果表明:56天培养期内,不同处理的NH4+-N含量总体呈下降趋势,而NO3–-N含量呈上升趋势。随施氮水平提高,培养期内NH4+-N平均含量从0 mg/kg处理的24.10 mg/kg增加到400 mg/kg处理的412.10 mg/kg,NO3–-N平均含量从0 mg/kg处理的41.88 mg/kg增加到400 mg/kg处理的99.83 mg/kg。添加DMPP显著抑制硝化作用进行,抑制效果随施氮量增加而提高,400 mg/kg施氮水平下,添加DMPP硝化率和硝化速率比不添加DMPP处理分别下降了29.0%和44.3%,下降幅度远大于其他施氮水平处理。施氮水平也影响土壤微生物生物量碳和微生物群落功能多样性。施氮量从0 mg/kg增加到400 mg/kg,土壤微生物生物量碳下降了12.5%,AWCD值下降了78.4%,Shannon指数下降了22.3%;与不添加DMPP处理相比,添加DMPP处理的土壤微生物生物量、AWCD值、Shannon指数分别提高了2.1%、23.9%、7.8%,尤其在400 mg/kg施氮水平下,提高的幅度更加明显。     

不同施氮量配施硝化抑制剂对柴达木枸杞园15N肥料去向的影响

枸杞产业已成为青藏高原的优势产业,但存在氮肥利用率低、环境污染等问题。适当施用氮肥和硝化抑制剂是减少氮肥气态损失、提高氮肥利用率和降低温室气体排放的有效途径。为探讨枸杞栽培的适宜施肥方式,于2020年在柴达木盆地青海诺木洪农场,以11年生宁杞1号为试验材料开展田间试验,设置4个处理：N₂₆₇、N₁₃₃处理分别施用纯氮267、133 kg·hm^-2,N₂₆₇I_1.33、N₁₃₃I_0.67处理分别在N₂₆₇、N₁₃₃处理施氮量的基础上配施硝化抑制剂—2-氯-6(三氯甲基)-吡啶(nitrapyrin)1.33、0.67 kg·hm^-2,研究施氮量和2-氯-6(三氯甲基)-吡啶对施用的¹⁵N-尿素在枸杞-土壤系统去向的影响。结果表明,N₂₆₇I_1.33处理枸杞全株的干物质量、吸氮量和植株¹⁵     

2-氯-6-三氯甲基吡啶对水稻生长和氮吸收的影响

氮肥是保证水稻高产的关键,但目前我国水稻氮素利用率偏低是亟待解决的问题,添加硝化抑制剂等为其提供了可行的解决手段。以硝化抑制剂2-氯-6-三氯甲基吡啶(En)为研究对象,通过田间试验,从土壤养分供应、水稻生长、产量构成和氮素利用方面做出综合评价,为其在水稻生产上推广应用提供科学依据。试验处理分别为单施化肥(CK)、基肥配施伴能(BF+En)、分蘖肥配施伴能(TF+En)、基肥和分蘖肥均配施伴能(BF+TF+En)。结果表明:在试验土壤肥力条件下,氮肥配施2-氯-6-三氯甲基吡啶能够增加水稻产量8.3%~12.7%,其中TF+En和BF+TF+En处理显著高于CK(P0.05)。氮肥配施2-氯-6-三氯甲基吡啶可以促进水稻分蘖和有效穗数的增加,其中BF+TF+En处理孕穗期分蘖数和成熟期有效穗数均显著高于CK。与BF+En处理相比,TF+En处理每穗粒数显著增加。与CK相比,TF+En和BF+TF+En处理在成熟期地上部生物量分别增加13.3%和17.8%,其中BF+TF+En处理显著提高。氮肥配施2-氯-6-三氯甲基吡啶不仅可以增加水稻各生育期土壤碱解氮含量,而且对水稻氮吸收和氮肥利用效率具有显著影响,其中BF+TF+En处理地上部氮累积吸收总量和氮肥偏生产力显著高于CK。因此,在水稻生产上可推广使用2-氯-6-三氯甲基吡啶以促进水稻增产增效,尤其在分蘖肥期与氮肥配施效果最佳。     

生物有机肥对宁夏盐碱地土壤养分和生物学特性的影响

为了探讨生物有机肥施用对宁夏引黄灌区盐碱地土壤化学和微生物特性的影响,明确生物有机肥的最佳施用量及施肥模式,以田间连续4年定位试验为依托,研究了生物有机肥施用量0(CK)、4.5(T1)、9.0(T2)、13.5 t/hm²(T3)及生物有机肥9.0 t/hm²配施无机化肥N 360 kg/hm²(T4)对盐碱地土壤养分含量、酶活性、微生物生物量、微生物群落碳源代谢活性及多样性和玉米产量的影响。结果表明:(1)施用生物有机肥可明显降低土壤p H和全盐含量,土壤养分含量及土壤酶活性随着生物有机肥施用量增加呈递增趋势,且在T2处理基础上增施无机化肥可显著增加土壤速效钾含量14.73%;(2)土壤微生物群落碳源代谢活性及多样性指数均随着生物有机肥施用量的增加而增加, T3处理土壤培养192 h时AWCD值为0.84,经Tukey检验分析, Shannon和Mcintosh指数较CK处理分别增加10.11%和62.67%;(3)随着生物有机肥施用量增加,土壤微生物生物量碳、氮、磷含量呈递增趋势,各处理平均分别比CK处理增加66....     

Effects of inoculation with ectomycorrhizal fungi on microbial biomass and bacterial functional diversity in the rhizosphere of Pinus tabulaeformis seedlings

This study investigated the effects of inoculation with three individual ectomycorrhizal (ECM) fungal species on soil microbial biomass carbon and indigenous bacterial community functional diversity in the rhizosphere of Chinese pine (Pinus tabulaeformis Carr.) seedlings under field experimental conditions. The results showed that ECM fungal inoculation significantly increased the ectomycorrhizal colonization compared with non-inoculated seedlings. ECM fungal inoculations have higher soil microbial biomass carbon than that of control, ranging from 49.6 μg C g^?1 dry soil in control to 134.02 μg C g^?1 dry soil in treatment inoculated with Boletus luridus Schaeff ex Fr. Multivariate analyses (PCA) of BIOLOG data revealed that the application of ECM fungi significantly influenced bacterial functional diversity in the rhizosphere of P. tabulaeformis seedlings. The highest average well-color development (AWCD) and functional diversity indices were also observed in treatment inoculated with B. luridus. A wider range of sole carbon sources were utilized by the bacterial community in the rhizosphere of inoculated seedlings. The data gathered from this study provides important information for utilization of ECM fungi in forest restoration project in the Northwestern China. The present study will also significantly broaden our understanding of practical importance in the application of ECM fungal inoculum to promote soil microbial community diversity of soil.     

植物源有机物料对果园土壤微生物群落多样性的影响

【目的】苹果园土壤肥力持续下降,禽畜废弃物肥源严重不足,施用植物源有机肥成为生产中改善果园土壤状况的重要措施之一。本试验利用BIOLOG微平板技术研究了盆栽条件下添加植物源有机物料及其腐殖化过程驱动因子对果园土壤微生物群落多样性的影响,探讨葡萄糖、 尿素和蚯蚓在植物源有机物料向土壤碳库转化中的作用,为揭示果园土壤质量的演变机制提供参考。【方法】取苹果园020 cm土层土壤,与苹果枝条、 玉米秸秆和果园杂草粉碎物混合,栽植2a生苹果砧木山定子幼苗,分别添加尿素、 葡萄糖和蚯蚓,利用BIOLOG微平板技术进行土壤微生物群落多样性分析。不同处理的土壤浸提液在 BIOLOG生态测试板中培养,取培养96 h时微平板光密度值进行多样性指数计算,分别用丰富度指数S 表示被微生物群落利用的基质数量,多样性指数表示反应孔与对照孔光密度值之差和整块板总差的比值,均匀度指数 E表示可培养微生物的种类均匀度,优势度指数Ds用于评估某些最常见种的优势度。对土壤微生物群落利用BIOLOG微平板中六类碳源（碳水化合物类、 氨基酸类、 羧酸类、 多聚物类、 芳香族类和胺类）的情况进行主成分分析,明确不同处理微生物对碳源利用能力的差异。【结果】有机物料种类、 小分子有机物和蚯蚓数量均对平均吸光值（AWCD值）有显著影响,在培养0~24 h,玉米秸秆+葡萄糖+12条蚯蚓（T4）和果园杂草+葡萄糖（T9）处理的AWCD值明显高于其他处理,微生物群落的活性较强,碳源开始利用较早。2496 h时,AWCD呈指数增长,120 h后趋于平缓,以玉米秸秆+葡萄糖+12条蚯蚓（T4）、 苹果枝条+葡萄糖+6条蚯蚓（T2）、 果园杂草+葡萄糖（T9）处理斜率最大,其次为玉米秸秆+尿素+6条蚯蚓（T6）和苹果枝条+尿素（T1）处理; 小分子有机物种类对微生物群落丰富度指数（S）和优势度指数（Ds）的影响显著,丰富度指数（S）以苹果枝条+葡萄糖+6条蚯蚓（T2）最大,优势度指数（Ds）以玉米秸秆+葡萄糖+12条蚯蚓（T4）最大,各处理的多样性指数（H）和均一度指数（E）差异不显著; 对碳源利用主成分起分异作用的主要是碳水化合物类和多聚物类。【结论】与秸秆和杂草处理相比,苹果枝条处理土壤微生物群落多样性较丰富,加入葡萄糖为土壤微生物提供可迅速利用的碳源,微生物功能多样性也显著增加; 蚯蚓活动对微生物群落多样性的影响比葡萄糖小,尿素对微生物群落多样性的影响也较小,但同时添加尿素和葡萄糖有助于微生物多样性的增加。     

磷供应对玉米根际微生物碳源利用和功能多样性的影响

磷有效性能够改变根分泌物的组成和数量,调节土壤微生物的群落结构和多样性,但磷添加如何影响土壤微生物碳源利用和功能多样性尚不清楚。本研究通过盆栽土培试验,设置2个磷处理[低磷5.7 mg(P)?kg?1和高磷200 mg(P)?kg?1],以生长35 d的玉米根际土壤为研究对象,采用Biolog微平板法,分别在培养后240 h内每隔24 h检测具有31种不同碳源的微孔溶液颜色变化,揭示磷供应对玉米根际微生物碳源利用模式和功能多样性的影响。结果表明:随着培养时间的延长,土壤微生物对土壤碳源的利用呈现增加的趋势,直至碳源消耗殆尽;高磷供应显著增加了玉米根际土壤微生物群落平均颜色变化率(average well color development,AWCD),提高了对糖类及其衍生物、氨基酸和代谢产物的利用,但没有显著提高对脂肪酸和脂类的利用;在培养前72 h内,高磷供应显著增加了玉米根际微生物多样性指数、优势度指数和均匀度指数,但培养72 h后,磷供应对其没有显著的影响。主成分分析结果表明,提取的前3个主成分解释了75.15%的碳源利用,高磷和低磷处理具有显著不同的土壤微生物碳源利用模式。总之,糖类及其衍生物、氨基酸和代谢产物是玉米根际土壤微生物利用的主要碳源,短期磷添加能够显著增加土壤微生物对碳源的利用,在一定程度上能够提高土壤微生物群落功能多样性。     

Changes in soil microbial biomass and functional diversity with a nitrogen gradient in soil columns

Fertilization generates nutrient patches that may impact soil microbial activity. In this study, nitrogen patches were generated by adding ammonium sulfate or urea to soil columns (length 25 cm; internal diameter 7.2 cm). Changes in nitrogen transformation, soil microbial biomass, and microbial functional diversity with the nitrogen gradients were investigated to evaluate the response of microbial activity to chemical fertilizer nutrient patches. After applying of ammonium sulfate or urea, the added nitrogen migrated about 7 cm. Microbial biomass carbon (MBC) was lower in fertilized soil than in the control (CK) treatment at the same soil layers. MBC increased with soil depth while microbial biomass nitrogen (MBN) decreased. BIOLOG analysis indicated that the average well color development (AWCD) and functional diversity indices of the microbial communities were lower in the 1 cm and 2 cm soil layers after application of ammonium sulfate; the highest values were in the 3 cm soil layer. AWCD and Shannon indices from the 1 to 5 cm soil layers were higher than those from other soil layers under urea application. Both principal component analysis and carbon substrate utilization analysis showed significant separation of soil microbial communities among different soil layers under application of ammonium sulfate or urea. Microbial activity was substantially decreased when NH₄⁺-N concentration was higher than 528.5 mg kg⁻¹ (1–3 cm soil layer under ammonium sulfate application) or 536.8 mg kg⁻¹ (1 cm soil layer under urea application). These findings indicated that changes in soil microbial biomass and microbial functional diversity can occur with a nitrogen gradient. The extent of changes depends on the nitrogen concentration and the form of inorganic fertilizer.     

氮素浓度和水分对水稻土硝化作用和微生物特性的影响

为了明确不同氮素浓度和水分对土壤硝化作用和微生物特性的影响,特别是高氮素浓度下的响应特异性,以红壤水稻土为供试土壤,设置4个硫铵用量水平[0(CK)、120 mg(N).kg-1(A1)、600 mg(N).kg-1(A2)、1 200 mg(N).kg-1(A3)],调节土壤水分为饱和持水量(WHC)的40%、60%和80%,研究了短期内不同氮素浓度和不同水分条件下土壤硝化作用、微生物生物量碳和微生物功能多样性的变化。结果表明:在40%、60%和80%WHC水分条件时,硫铵A2、A3浓度处理土壤硝化率和硝化速率普遍较低,硫铵A1浓度处理硝化率和硝化速率随土壤含水量的升高而升高;同含水量时随硫铵用量的升高而显著降低。在40%、60%和80%WHC水分条件时,微生物生物量碳随硫铵浓度的升高而降低;同浓度硫铵用量水平时,微生物生物量碳的变化基本表现为:60%WHC80%WHC40%WHC。分析发现不同水分和硫铵处理之间存在交互作用。BIOLOG分析显示:不同氮素浓度和不同水分处理,60%WHC下A1处理的平均吸光值(AWCD)和Shannon、Simpson、McIntosh指数最大,其次为60%WHC的硫铵CK处理,而不同水分下硫铵A2、A3处理,其AWCD值和Shannon、Simpson、McIntosh多样性指数都较低,进一步说明过量施肥导致微生物活性降低。不同氮素浓度和水分条件下土壤微生物和生化性状不同,过量施用化肥后将有可能造成土壤微生物性状和生化功能衰减。     

沼液对河西绿洲葡萄园土壤微生物功能多样性的影响

为探明使用沼液对土壤质量的影响，明确土壤微生物功能多样性对沼液使用量和使用年限的响应，在甘肃祁连葡萄观光园进行等氮量替代和增施沼液处理，采用Biolog方法测定土壤微生物功能多样性。结果表明：（1）100%等氮量沼液处理的土壤微生物群落代谢活性最小，替代33%氮量处理的土壤微生物群落代谢活性最高，连续两年使用沼液的处理间差异大于一年。（2）试验地土壤微生物利用的主要碳源为碳水化合物类，使用沼液能够显著提高土壤微生物对氨基酸类和羧酸类碳源的利用率。连续两年使用沼液条件下，增施沼液处理（133%和167%）效果优于等氮量替代处理。（3）与单施化肥对照相比，使用沼液处理仅在提高土壤微生物均一度指数方面存在优势，且增施沼液处理（133%和167%）效果优于等氮量替代处理。（4）主成分分析表明，沼液使用量和使用年限对土壤微生物碳源利用水平以及代谢多样性的影响有差异，且使用年限增加能使各处理间变异程度增大。（5）碳水化合物类和氨基酸类碳源是引起不同沼液用量处理土壤微生物功能群分异的主要碳源，其中碳水化合物类是使用年限增加后土壤微生物群落变化的敏感碳源。（6）Pearson相关性分析表明，该试验地土壤微生物功能多样性与土壤有机质、碱解氮呈正相关关系，与速效磷、速效钾呈负相关关系。综上，长期使用沼液（尤其是沼液与化肥配施）有利于提高土壤微生物代谢活性和土壤微生物群落功能多样性，且当沼液使用量较大时能达到完全取代化肥的效果。     

Relationship between soil chemical properties and microbial metabolic patterns in intensive greenhouse tomato production systems

ABSTRACT

Intensive greenhouse production involving excessive fertilizer and organic manure application rates may affect soil chemical and biological quality. Soil samples from 50 commercial greenhouses for tomato production in northern China were collected for the evaluation of the status of soil fertility and identification of the soil chemical factor that exerts the strongest influence on microbial functional diversity. The soil total nitrogen content showed high soil fertility and was 68% higher than 1000 mg kg^?1 and 14% higher than 1500 mg kg^?1. Differential soil pH values caused statistically significant shifts in microbial metabolic activity (average well color development, AWCD) and Shannon’s diversity index using Biolog^TM ECO plates assay. The highest soil microbial functional diversity was observed at near neutral pH values. When individual data points were plotted against soil organic matter (SOM), significant positive associations with soil microbial biomass nitrogen and AWCD were observed. The canonical correspondence analysis confirmed that shifts in the soil microbial functional diversity were associated with changes in pH, total nitrogen, and SOM. This study indicated that excessive fertilization changed the community-level physiological profile of the soil microorganisms, and this effect can be a consequence of changes in soil pH under intensive greenhouse management.     

华北平原缺水区保护性耕作技术

针对华北平原缺水地区农田生产效益偏低和地下水严重超采导致的生态环境问题,以建立节水、高产、固碳的华北平原缺水区保护性耕作集成技术为目标,在国家科技支撑计划长期支持下,建立了华北平原历时最长的保护性耕作长期定位试验平台(2001年—),开展了小麦/玉米两熟制保护性耕作理论和关键技术研究,集成了农机农艺结合的高产节水型保护性耕作技术体系,并在河北省进行广泛示范推广。主要结果:1)华北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区保护性耕作具有固碳、减排、节水、提高土壤质量等生态效应。长期保护性耕作具有土壤养分分层表聚现象:0~5 cm土层的土壤C、N、P、K、有机质含量高于5~10 cm土层,旋耕(RT)和免耕(NT1:秸秆直立免耕;NT2:秸秆粉碎免耕;NT3:整秸秆覆盖免耕)处理土壤有机碳(SOC)的层化比率为1.74~2.04,显著高于翻耕处理(CK和CT)的1.37~1.45。保护性耕作的固碳效应与机制:保护性耕作实施9年后不同耕作方式年固碳量(0~30 cm)NT2处理为840 kg·hm~(-2)·a~(-1)、RT处理为780 kg·hm~(-2)·a~(-1)、CT处理为600kg·hm~(-2)·a~(-1),14年后土壤有机碳(0~30 cm)发生了变化,NT2处理为540 kg·hm~(-2)·a~(-1)、RT处理为720 kg·hm~(-2)·a~(-1)、CT处理为710 kg·hm~(-2)·a~(-1);长期免耕减少了土壤的扰动而降低了土壤碳的矿化率,土壤碳的累积主要固定在土壤大团聚体的颗粒有机碳中,固定态碳首先进入活性易分解有机碳库,然后缓慢转入稳定碳库。保护性耕作的减排效应:不同耕作系统全球增温潜力的计算结果表明,免耕是大气增温的碳汇,而其他耕作系统为碳源。NT处理每年农田生态系统净截留碳947~1 070 kg(C)·hm-2;CK、CT和RT每年向大气分别排放等当量碳3 364kg(C)·hm-2、989 kg(C)·hm-2和343 kg(C)·hm-2。保护性耕作的土壤微生物多样性机制:保护性耕作显著提高了土壤中真菌、细菌、氨氧化古菌和亚硝酸还原酶(nir K)基因的反硝化微生物的多样性,但对氨氧化细菌与含nir S基因的反硝化微生物的多样性影响不大。保护性耕作节水保墒的土壤结构与水力学机制:常规耕作对土壤有压实的作用,而保护性耕作改善了土壤结构,有效提高了储水孔隙、导水率、田间持水量和有效水含量,秸秆覆盖又能有效减少土壤蒸发,具有开源与节流双重节水机制。2)建立了趋零蒸发的麦田玉米整秸覆盖全免耕种植模式。在小麦/玉米一年两熟种植区,首次提出了玉米整秸秆覆盖小麦全免耕播种的种植模式,实现了小麦玉米全程全量秸秆机械化覆盖,形成土壤无效蒸发趋于零的保护性耕作体系与方法;研制了实现趋零蒸发的4JS-2型梳压机和2BMF-6型小麦全免耕播种机组,比目前推广的2BMFS-6/12小麦免耕播种机减少作业动力45.2%,降低作业费用33.3%。3)建立了3年一深松(翻)的少免耕-深松轮耕模式,集成了节水高产保护性耕作技术体系。制定了华北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区保护性耕作技术体系等河北省地方标准,与农业、农机部门联合示范,推动了河北省保护性耕作技术的推广和应用。成果在河北平原冬小麦/夏玉米一年两熟区进行了示范推广,社会效益和生态效益显著,2013年获河北省科技进步一等奖。     

长期施肥对栗褐土区土壤-作物系统可持续性的影响

利用长期施肥定位试验开展土壤-作物系统的可持续性评价,可为农田合理施肥和管理提供理论支撑。在黄土丘陵区栗褐土农田进行了26年长期肥料定位试验,设置8个处理,分别是不施肥(CK)、单施氮肥[120.0 kg(N)·hm~(-2),N]、氮[120.0 kg(N)·hm~(-2)]和磷[75 kg(P_2O_5)·hm~(-2)]肥配施(NP)、单施低量有机肥(22 500 kg·hm~(-2),M1)、低量有机肥与氮肥配合施用(M1N)、低量有机肥与氮磷肥配合施用(M1NP)、高量有机肥(45 000 kg·hm~(-2))与氮肥配合施用(M2N)和高量有机肥与氮磷肥配合施用(M2NP)。测定了19项指标,根据三角性面积法计算了土壤养分指数、土壤微生物指数、作物指数和可持续性指数,分析讨论了长期施肥对栗褐土区土壤-作物系统可持续性的影响。结果表明:1)N、M1处理的可持续性指数较CK分别提高27.1%、141.7%,但较临界值(1.30)低53.1%和10.8%;NP处理的可持续性指数虽然较N处理提高62.3%,但仍比临界值(1.30)低23.8%。说明长期单施氮肥、低量有机肥和氮磷配施下土壤-作物系统均不可持续。2)施用无机肥处理(N和NP)的土壤养分指数、土壤微生物指数和作物指数较CK提高7.1%和46.4%、-6.0%和25.4%、40.0%和60.0%;单施低量有机肥(M1)的土壤养分指数、土壤微生物指数和作物指数较CK提高98.2%、41.8%和31.7%。说明施用无机肥有利于作物指数的提升,而施用有机肥有利于土壤养分指数和土壤微生物指数的提升。3)M1N处理的土壤养分指数(1.06)、土壤微生物指数(1.04)、作物指数(1.00)和可持续性指数(1.38)均超过或等于临界值,使土壤-作物系统具有较好的可持续性。4)M1NP、M2N、M2NP处理的土壤养分指数较M1N处理分别提高21.7%、37.7%和72.6%,土壤微生物指数较M1N处理分别提高15.4%、7.7%和18.3%,作物指数与M1N处理相比差异很小,可持续性指数较M1N处理分别提高28.3%、32.6%和68.1%。说明在M1N基础上再增施磷肥或有机肥,可持续性指数可进一步提升是由于土壤养分指数和土壤微生物指数提高的缘故,同时也增加了潜在的环境风险。适量有机肥与无机氮配合施用(M1N)是实现栗褐土区土壤-作物系统可持续生产的较佳施肥模式。