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国内土壤科研进展(2019年第15期)|研究

土壤观察 3天前

 

新疆生地所在干旱区农田冻融期土壤N2O产排机理研究中获进展;版纳植物园揭示长期降雨减少对西双版纳热带雨林土壤呼吸的影响机制;南京土壤所在微生物研究的样品保存策略方面取得进展。

来源:根据中国科学院、土壤与农业可持续发展国家重点实验网站近期相关报道整理

 

新疆生地所在干旱区农田冻融期土壤N2O产排机理研究中获进展

 

农业生态系统是温室气体N2O排放的主要来源之一。一些研究表明高寒地区农田在冻融期的土壤N2O排放占全年排放量的30%-50%以上,主要机理包括:物理释放机制:在土壤冻结阶段,N2O仍可在深层土壤中产生且被阻遏在冰冻层下并不断积累,在初春阶段,随土壤融化N2O释放;新产生机制:在春季土壤融化过程中表层土壤温湿度增加,土壤厌氧微生物尤其是反硝化菌(包括narG、nirS、nirK、nosZ等)的数量和活性增加,促进反硝化作用和N2O产排。目前,关于干旱区滴灌农田在土壤冻融期N2O产排过程及微生物机制的研究处于空白阶段。

 

中国科学院新疆生态与地理研究所研究员高霄鹏团队针对干旱区滴灌棉田设置不同氮肥处理,利用静态箱-气象色谱法监测不同处理下土壤在冻融期的N2O排放,同时利用自主设计的采样装置连续测定土壤剖面不同深度的N2O浓度,应用定量PCR等生物学手段测定土壤氮转化微生物(硝化菌和反硝化菌)对不同处理和采样时期的响应。

 

研究结果表明,滴灌棉田土壤冻融期的N2O排放占全年排放的近40%,主要以反硝化作用下的新产生机制为主;干旱区农田在越冬期土壤温湿度低,不利于N2O产生和冰冻层的形成,因此物理释放机制可忽略不计;土壤融化阶段的反硝化强度和N2O排放主要与土壤温度和土壤孔隙含水率(WFPS)的增加有关,而与narG、nirS、nirK、nosZ等反硝化菌的丰度变化无显著相关;棉田生育期氮肥处理对冻融期N2O排放影响不大,主要与长期滴灌耕作造成硝态氮在表层土壤的较高累积有关。

 

相关研究以Presence of spring-thaw N2O emissions are not linked to functional gene abundance in a drip-fertigated cropped soil in arid northwestern China 为题发表于Science of the Total Environment。

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新疆生地所在干旱区农田冻融期土壤N2O产排机理研究中获进展

 

版纳植物园揭示长期降雨减少对西双版纳热带雨林土壤呼吸的影响机制

 

据气候模型的预测结果,亚洲东南部今后遭受干旱的程度和频度将加剧。而长期干旱对土壤呼吸及其自养异养组分的影响当前还知之甚少。为探究这一科学问题,理解长期干旱影响土壤呼吸组分的生物化学机制,中国科学院西双版纳热带植物园全球变化研究组博士研究生周立国在研究员张一平的指导下,利用该组设置在热带雨林中的水分控制实验的多年连续观测数据,开展了自养呼吸(autotrophic respiration)和异养呼吸(heterotrophic respiration)对长期降雨减少的响应研究。结果表明,降雨减少(减水50%)的第7年和第8年,自养呼吸呈现减弱(-36%);而伴随着植物细根生物量的减少(36%),异养呼吸出现增加(29%),并且土壤可利用无机氮(active inorganic N)也出现增加(31%)。

 

研究表明,微生物群落组成(磷脂脂肪酸)(group-specific phospholipid fatty acid)可以解释土壤呼吸空间异质性的17%-59%(R2),而可溶性有机碳(dissolved organic carbon)、微生物碳(microbial biomass carbon)、微生物氮(microbial biomass nitrogen)、铵态氮(ammonium nitrogen)并不能解释自养异养呼吸的季节和年际变化。土壤温度、土壤水分、凋落物量共同决定着森林土壤呼吸的动态。该研究提升了热带北缘雨林长期干旱与生态系统土壤过程关系的认知,为增强气候模型预测干旱与土壤过程的可靠性提供了有力支持。

 

该研究结果以Soil respiration after six years of continuous drought stress in the tropical rainforest in Southwest China 为题在线发表在国际期刊《土壤生物学与生物化学》(Soil Biology and Biochemistry)上。

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土壤二氧化碳通量,年均(2017: a, 2018: d),干季 (2017: b, 2018: e),雨季 (2017: c, 2018: f)。* 显著性 P < 0.05, ** 显著性 P < 0.01, n = 4

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土壤微生物群落结构和土壤环境、理化因子的冗余度分析 (RDA)。(a) 2018年4月;(b) 2018年7月,红线和蓝线分别代表环境因子和磷脂脂肪酸。

 

南京土壤所在微生物研究的样品保存策略方面取得进展

 

自然风干是公认的土壤样品保存方法,在农业环境与地球科学研究中具有广泛应用,但其生物学研究却存在较大争议。主要原因是:学术界一般认为,风干土壤能较好地保存并反映土壤物理化学属性的空间变异规律,但风干会导致生物微环境发生剧烈变化,不能反映真实原位环境中生物的功能意义。针对这一难题,南京土壤所微生物研究课题组巧妙利用长期定位实验平台和地质油气资源形成规律,联合美国、英国、意大利、日本和国内研究团队,发现自然风干土壤可用于甲烷和氨氧化功能微生物研究,为海量微生物资源发掘和功能调控研究的样品保存提供了重要依据。

 

课题组依托中科院江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站,基于20余年的稻麦轮作野外观测平台,通过先进的分子生物学技术,发现与对照不施肥处理(CK)的新鲜土壤相比,22年长期施用化肥(NPK)或化肥配施有机肥(NPK/OM)显著改变了氨氧化细菌(AOB)的群落组成,但对氨氧化古菌(AOA)没有明显影响,阐明了长期施肥下细菌AOB驱动中性水稻土氮肥氧化的规律(Soil Sci Soc Am J . 2011. 75: 1431)。在此基础上,课题组将新鲜土壤风干,得到了一致规律,表明自然风干的土壤样品,也能很好地反映长期人为活动对氨氧化细菌AOB的影响规律(Biol Fert Soils. 2019. 55: 419)。这一成果也为美国、英国和意大利以及国内野外定位试验站土壤生物学样品保存策略提供了参考。

 

进一步比较了旱地和稻作农田,发现与新鲜土壤相比,自然风干处理导致氨氧化古菌AOA和细菌AOB的数量显著降低,但是,新鲜和风干条件下,两种类型土壤的微生物数量变化规律基本一致,表明风干处理后,土壤微生物数量仍然能够反映不同类型样品之间的差异,可用于微生物学研究(微生物学报 2012. 52: 894)。在此基础上,比较研究了中国生态系统研究网络中10个森林台站历史风干土壤样品及其微生物复苏能力,利用高通量测序氨氧化细菌AOB和古菌AOA的关键功能基因amoA,结合实时荧光定量PCR和DGGE指纹图谱技术,发现加水复苏后,土壤AOA和AOB的群落组成无明显变化。表明风干保存的土壤样品可用于后续微生物分离培养及下游遗传代谢研究(微生物学报. 2014. 54: 1311)。

 

甲烷氧化微生物被认为是油气藏勘探指示微生物,并与氨氧化微生物具有高度相近的系统发育关系。课题组针对油气藏和非油气藏上方的土壤剖面,系统比较了新鲜、自然风干和冷冻干燥3种处理下甲烷氧化细菌对油气藏形成的适应规律,发现与新鲜土壤相比,尽管自然风干和冷冻干燥显著降低了甲烷氧化细菌pmoA基因数量,但是,油气藏上方土壤剖面依然检测到了大量的甲烷氧化细菌pmoA基因。表明风干土壤可用于油气资源勘探指示微生物的检测(土壤 .2013. 45: 129-134)。进一步选择了日本、中国和非洲典型样品,利用原位RNA活性检测和高通量测序技术,也得到了类似规律(土壤学报 2017. 54: 191;Front. Microbiol. 2017. 7:1101. doi: 10.3389/fmicb.2016.01101)。

 

这些研究表明风干土壤可用于氨氧化和甲烷氧化微生物学研究,为进一步发掘重要功能微生物资源及其应用提供了科学依据。研究工作得到了中科院战略性先导科技专项(XDB15040000),国家自然科学基金(41530857, 41501267, 41471208)和土壤与农业可持续发展国家重点实验室等项目的资助。

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长期施肥对氨氧化细菌和古菌群落结构的影响

 

相关文章:

 

Sultan N, Zhao J, Zheng Y, Cai YF, Faheem M, Peng XL, Wang WD, Jia ZJ. Stable isotope probing of active methane oxidizers in rice field soils from cold regions. Biology and Fertility of Soils, 2019, 55(3): 243-250

 

Jia Z, Hu X, Xia W, Fornara D, Nannipieri P, Tiedje J (2019). Community shift of microbial ammonia oxidizers in air-dried rice soils after 22 years of nitrogen fertilization. Biology and Fertility of Soils 55: 419-424.

 

Wu Y, Lu L, Wang B, Lin X, Zhu J, Cai Z et al (2011). Long-Term Field Fertilization Significantly Alters Community Structure of Ammonia-Oxidizing Bacteria rather than Archaea in a Paddy Soil. Soil Sci Soc Am J 75: 1431-1439.

 

Zhou X, Fornara D, Ikenaga M, Akagi I, Zhang R, Jia Z (2016). The resilience of microbial community under drying and rewetting cycles of three forest soils. Frontiers in Microbiology 7.

 

包丽君, 贾仲君, BAO L, Zhongjun J (2017). 模拟干湿交替对水稻土古菌群落结构的影响

 

Response of soil archaea communities to drying and rewetting cycles in paddy soil. 土壤学报 54: 191-203.

 

郭赟, 吴宇澄, 林先贵, 钟文辉, 丁维新, 朱建国 et al (2012). 3次连续重复提取DNA能较好反映土壤微生物丰度. 微生物学报 52: 894-901.

 

王皖蒙, 许科伟, 任春, 杨帆, 李定龙, 贾仲君 (2013). 基于实时荧光定量PCR技术的油气微生物勘探样品保存研究. 土壤 45: 129-134.

 

周雪, 黄蓉, 宋歌, 潘贤章, 贾仲君 (2014). 风干土壤中氨氧化微生物的恢复. 微生物学报 54: 1311-1322

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点击次数:  更新时间:2019-08-21 13:49:44  【打印此页】  【关闭

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