反硝化作用是湖岸带有效去除氮素的关键氮循环过程,受到植物、土壤理化性质及微生物等因素的影响.为探究湖岸带不同植物对土壤反硝化作用的影响,通过调查测定野芷湖湖岸带 9 种常见植物的根际与非根际土壤的反硝化功能基因丰度和反硝化潜势,分析其与土壤理化性质的关系,阐明植物种类影响反硝化作用的机制.研究结果表明:(1)种植植物会改变湖岸带土壤的理化指标,植物根际土的硝态氮(NN)、铵态氮(AN)、总碳(TC)、总氮(TN)和可溶性有机碳(DOC)含量等显著高于非根际土,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的TC、DOC、TN、NN显著高于其他物种,桂树的根际和非根际土的pH均显著低于其他物种;(2)植物根际土的微生物反硝化功能基因(narG、napA、nirS、nirK和nosZ)丰度显著高于非根际土,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的基因丰度显著高于其他物种,pH、TN、NN和DOC等对反硝化功能基因丰度影响较大;(3)根际土的反硝化潜势显著高于非根际土,其中柳树、桂树、黄素馨根际土的反硝化潜势显著高于其他物种,黄素馨非根际土的反硝化潜势也较高,pH、DOC、TN以及napA、nirS、norB基因丰度等对土壤的反硝化潜势具有显著影响.本研究说明植物根际微环境更有利于反硝化微生物的生长与繁殖,湖岸带种植植物时可考虑不同的常绿和落叶乔木、灌木、草本植物的合理配置来提高湖岸带的氮素截留能力,以减少由过量氮素进入水生生态系统导致的面源污染.

对不同林龄杉木人工林(5、8、21、27 和40 年生)土壤硝化与反硝化过程及功能微生物丰度进行研究.结果表明:土壤净硝化速率随林龄的增加波动变化,8、27 年生杉木人工林土壤净硝化速率显著低于 5、21 和40 年生.27 年生杉木人工林土壤氨氧化古菌(AOA)amoA基因丰度显著低于40 年生,其他林龄AOA amoA基因丰度之间无显著差异.不同林龄杉木人工林的氨氧化细菌(AOB)amoA基因丰度、反硝化功能基因丰度以及反硝化潜势均无显著差异.逐步回归分析表明,土壤氨氧化微生物AOA amoA基因丰度受土壤理化性质的影响不显著,土壤总碳和土壤pH是影响AOB丰度的重要因子.反硝化功能基因narG、nirK及nosZ随土壤pH的增加而增加,编码亚硝酸盐还原酶(NIR)的功能基因(nirK、nirS)受土壤总碳的影响.林龄可通过影响AOA amoA基因丰度影响土壤净硝化速率.林龄直接作用于反硝化潜势,或间接影响土壤微生物生物量碳、土壤pH及反硝化功能基因丰度(narG和nirK),进而影响反硝化潜势.相较于反硝化过程,土壤硝化作用及AOA amoA基因丰度对杉木林分发育更加敏感,可适当延长轮伐期以降低土壤硝化作用造成的氮流失风险.

采用土壤细菌16S rDNA高通量测序方法研究了大兴安岭汗马自然保护区落叶松林不同演替阶段的土壤细菌群落结构和功能.结果表明:不同演替阶段落叶松林土壤细菌优势门为变形菌门、酸杆菌门、疣微菌门、拟杆菌门、放线菌门、浮霉菌门和绿弯菌门,随着演替的进行,酸杆菌门相对丰度逐渐增加,绿弯菌门相对丰度逐渐减少,优势门相对丰度在不同演替阶段不同.细菌群落α多样性在不同演替阶段间无显著差异,但其群落结构分别在落叶松幼龄林与中龄林、幼龄林与过熟林、近熟林与成熟林之间存在显著差异.土壤氧化还原电位、土壤pH和有效磷是影响细菌群落结构的主要环境因素,其中土壤氧化还原电位对微生物群落结构影响最大.随着演替的进行,细菌参与的固氮作用、反硝化作用、氨氧化作用、木质素降解作用呈逐渐减弱的趋势,硫酸盐异化还原作用呈先降后升的趋势,碳固定作用呈先升后降的趋势,碱性磷酸酶没有明显的变化规律,影响土壤功能的主要因素有土壤有效磷和氧化还原电位等.

以稳定性氯化铵为氮源,采用室内培养的方法,研究0.20、0.50、1.00gN·kg-1干土3种浓度的稳定性铵态氮肥在黑土、褐土中的氮素转化特征.结果表明:在褐土中,随着氯化铵添加量的增加,土壤中发生硝化作用的时间逐渐推迟,添加0.20、0.50gN ·kg-1干土处理开始发生明显硝化反应的时间分别为第3、7天,在高浓度氮量(1.00 g N·kg-1干土)添加下硝化作用受到明显抑制;在黑土中,各浓度氮量添加处理开始发生硝化反应的时间相同,均为第3天,且随着添加量的增加,硝化作用潜势逐渐减弱.只加铵态氮肥的处理中,添加0.20g N·kg-1干土的氯化铵氮肥在褐土和黑土中的硝化反应时间分别可维持3周和2周左右;添加0.50gN· kg-1干土的氯化铵氮肥在褐土和黑土中的硝化反应时间分别可维持4周和3周左右.与单施氯化铵相比,黑土和褐土在0.20、0.50 g N·kg-1干土添加浓度下,按纯氮量的1.0％添加3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)、4.0％添加二氰二胺(DCD)均能显著抑制硝化作用,降低硝态氮的含量,抑制硝化作用潜势.综上,在褐土中,随着氯化铵添加浓度增加,土壤硝化作用受到抑制效果大于黑土.在0.20、0.50gN· kg-1干土外源铵态氮时,添加抑制剂可以显著抑制铵态氮的硝化作用.因此室内硝化抑制剂培养试验时,建议铵态氮添加量不超过1.00 g N·kg-1干土,以0.50 g N·kg-1干土效果最好.

通过水稻盆栽试验,分别于水稻分蘖期和孕穗期采集根际与非根际土壤,利用末端限制性片段长度多态技术(T-RFLP)和实时荧光定量PCR(qPCR)技术探究水稻生长对根际反硝化作用和反硝化微生物的影响.结果表明:分蘖期根际土壤的反硝化势显著低于非根际土壤,而孕穗期根际与非根际土壤的反硝化势没有显著性差异.但分蘖期和孕穗期根际土壤中含narG和nosZ基因的微生物数量均显著高于非根际土壤,其中含nosZ基因的反硝化微生物的群落组成结构和多样性对根际环境响应更敏感.说明虽然水稻根系生长会刺激反硝化微生物的生长繁殖,但抑制了根际土壤中一些反硝化微生物的活性,从而降低了根际土壤的反硝化潜势.

作为植物通过趋同进化方式适应高海拔极端生境的典型代表之一,高山垫状植物普遍发生于不同科、属的植物种类间,且因其垫状特化结构对土壤环境具有显著影响而备受关注.为深入阐述垫状植物不同代表种类和同一垫状植物不同空间内土壤微生物群落及功能类群的变化特点,选取云南西北部白马雪山高山流石滩生境内滇西北点地梅(Androsace delavayi)、团状福禄草(Arenaria polytrichoides)和粗糙红景天(Rhodiola coccinea var.scabrida)3种具有相似地上垫状形态和不同地下根系类型的垫状植物代表类群为研究对象,采用高通量测序技术,比较分析垫状植物茎际(地上垫状结构内部)、边缘(地上垫状结构边缘)、根际和裸地4种空间位置的土壤微生物群落.结果 显示:(1)微生物群落丰富度(观测物种数)和多样性(香农指数)在不同垫状植物相同空间位置间的差异显著,而在同一垫状植物不同空间的差异不显著,其中粗糙红景天的4种空间中的微生物群落丰富度最高,而滇西北点地梅根际微生物群落丰富度和多样性最低;(2)土壤pH值和植物根长与微生物群落多样性呈显著相关(Pearson相关分析);(3)不同物种相同空间位置和同一物种不同空间位置中微生物群落的组成、优势类群和功能类群均差异显著,但其中与氮循环相关的类群(如硝化细菌,反硝化细菌,还原硝酸盐类群等)在每一个样本的土壤群落组成上都占了较高的比例,潜在指示了微生物对垫状植物养分吸收的可能协助作用.本研究证实垫状植物微生物群落具有显著物种差异性和空间异质性的特点,为进一步认知和理解高山流石滩极端环境中植物与微生物的共生关系及其生态适应意义和功能提供了新的研究资料与证据.

甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)是重要的温室气体,增温潜势极强,因此研究温室气体CH4和N2O的减排对全球碳氮循环具有重要意义.在介绍甲烷厌氧氧化(AOM)的主要过程基础上,重点综述了3种反硝化型甲烷厌氧氧化反应(NO3-/NO2-、N2O)驱动AOM的途径、相关微生物及其影响因素.NO3-驱动型AOM主要是由Candidatus Methanoperedens nitroreducens通过甲基辅酶M还原酶(Mcr)进行的反向产甲烷途径;NO2-驱动型AOM则为Candidatus Methylomirabilis oxyfera通过甲烷单加氧酶(pMMO)进行的内需氧型甲烷氧化途径.关于NO3-/NO2驱动AOM的影响因素研究主要为环境特性、土壤深度、植被类型、甲烷、电子受体等,其中对于M.nitroreducens影响的研究较少.除此之外,最新发现还存在N2O耦合的CH4厌氧氧化途径,且该途径是通过在N2O的存在下产生的内需氧型甲烷氧化途径进行的,类似于M.oxyfera的细菌可能参与了N2O驱动的AOM过程.目前NO3-/NO2-驱动型AOM途径的影响因素需进行更加深入的研究与探讨;最新研究发现的N2O驱动型AOM途径的相关微生物、机制、氧化潜势、影响因素有待继续深入研究.

研究不同土地利用方式下氮循环相关微生物在不同土壤剖面的分布,可为认识和理解土壤氮转化过程提供科学依据.土壤氨氧化微生物和反硝化微生物在调节氮肥利用率、硝态氮淋溶和氧化亚氮(N20)排放等方面有着重要作用.以北京郊区农田和林地两种土地利用方式为研究对象,分析土壤氨氧化潜势和亚硝酸盐氧化潜势在0-100 cm 土壤剖面上的季节分布(春季和秋季),并通过实时荧光定量PCR方法表征土壤氨氧化和反硝化微生物的时空分布特征.结果表明,农田土壤氨氧化潜势、亚硝酸盐氧化潜势、氨氧化微生物和反硝化微生物丰度均显著高于林地土壤,且随土壤深度增加而显著降低.除氨氧化古菌amoA基因丰度在不同季节间无显著差异外,春季土壤氨氧化细菌(amoA基因)、反硝化微生物nirS、nirK和典型nosZ I基因的丰度均显著高于秋季.土壤有机质、总氮、NH4-N、NO3-N含量与氨氧化微生物和反硝化微生物的功能基因丰度显著相关.综上,不同土地利用方式下土壤氮循环相关微生物的丰度与土壤氮素的可利用性和转化过程紧密相关,研究结果对土壤氮素利用和养分管理提供了重要的参考依据.

为阐明干旱区绿洲不同开垦年限农田土壤硝化、反硝化活性及其影响机制,选取河西走廊典型荒漠绿洲边缘不同开垦年限(15、30、50、80、100、150年)农田及未开垦沙地(开垦年限为0年)为研究对象,对比分析表层(0-20 cm)土壤硝化反硝化过程差异及其与环境因子的关系.结果表明,土壤硝化潜势和反硝化潜势均随开垦年限的增加呈先增加后降低的趋势,土壤硝化潜势和反硝化潜势最大值分别出现在开垦80年农田(101.4 μg g-1 d-1)和开垦100年农田(0.93 μg g-1 d-1),且未开垦沙地土壤硝化潜势和反硝化潜势均显著低于开垦农田(P＜0.05).相关分析表明土壤硝化潜势和反硝化潜势均与土壤养分、土壤含水量及土壤粒径组成呈显著相关(P＜0.05).土壤硝化反硝化潜势与环境因子间的回归分析表明,环境变量分别解释了硝化潜势和反硝化潜势变化的69.7％和75.7％.其中总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、pH、土壤含水量(SM)和砂粒含量是土壤硝化潜势变化的关键,而有机质含量(SOM)、硝氮(NO3--N)、pH和黏粒含量是土壤反硝化潜势变化的关键.可见,耕种可显著改善土壤性状,提高土壤水分及养分含量,提高土壤硝化、反硝化能力.

我国亚热带地区大气氮沉降量逐年上升,对森林土壤生物地球化学循环造成严重影响.本研究设置了对照(不添加氮)、低氮(40 kg·hm-2·a-1)和高氮(80 kg·hm-2·a-1)处理,分析了亚热带米槠天然林土壤反硝化功能基因丰度和N2O 排放潜势对氮沉降的响应.结果表明:高氮处理显著降低土壤N2O排放潜势.长期(8年)氮沉降对nirS、nirK、nosZ Ⅰ和nosZ Ⅱ基因丰度均无显著影响,但nosZ Ⅰ丰度均显著高于nosZ Ⅱ丰度,表明nosZ Ⅰ在酸性森林土壤中占主导.与对照相比,高氮处理显著降低(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZⅡ)值.(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZ Ⅱ)值与土壤pH值呈显著正相关.长期高氮沉降可能通过降低土壤pH值使得土壤(nirK+nirS)/(nosZ Ⅰ+nosZ Ⅱ)值下降,从而降低森林土壤N2O排放潜势.