农业生态环境-土壤微生物合辑Agro-ecosystem & Environment—Soil microbe
长期秸秆还田是提高农田土壤有机碳储量的重要碳源，秸秆焚烧还田在我国南方也屡见不鲜。然而，长期稻草管理对土壤有机碳组分、酶活性及其相互关系的影响，以及其影响是否存在季节差异却尚未明确。我们基于2009年开始建立的长期定位试验平台，通过设置3个N、P、K等养分输入(包括秸秆/灰分和化学养分)的处理：秸秆不还田(CK)、秸秆还田(SR)和秸秆焚烧还田(SBR)，探讨长期秸秆还田条件对南方双季稻田土壤有机碳组分及土壤酶活性的影响。结果表明，与CK相比，长期秸秆还田有利于提高早稻产量(P=0.057)，并显著增加早晚稻田土壤的总有机碳（TOC）和微生物量碳(MBC)含量。而稻草焚烧还田对TOC无显著影响，但降低了早稻轻组有机碳（LFOC）和晚稻易氧化有机碳(EOC)含量，而显著增加了可溶性有机碳（DOC），且显著降低了土壤pH。我们研究还表明，长期秸秆还田条件下，MBC是评估双季稻系统土壤有机碳变化最敏感的指标；此外，SBR和SR对土壤酶活性的影响早晚稻稻田土壤呈现相反趋势，进而导致土壤有机碳组分含量存在季节差异，尤其是改变了土壤DOC含量，而早晚稻DOC与β-木糖苷酶均呈正相关。可见，秸秆还田较秸秆焚烧还田更有利于土壤有机碳组分的固持与提高，但其对晚稻土壤酶活性的负作用有待进一步研究。
目前人们对原生动物转移磷酸盐和改善玉米生长的能力还知之甚少。本文旨在探讨Colpoda cucullus能否通过转移磷来提高玉米的磷素水平。在根箱的外室土壤中接种纤毛虫C.cucullus，并添加KH232PO4、磷矿粉（RP）、普钙（SP）或磷酸铵（AP），然后在内室种植玉米。结果表明，接种C.cucullus的玉米植株32P放射性显著高于对照。此外，接种C.cucullus后玉米干物质显著增加了25.07%，氮磷钾含量增加了1～36% (P<0.05)。接种纤毛虫后，根箱内室土壤速效磷也提高了30%以上（P<0.05）。由此推测，磷素可能由接种的C.cucullus从外室运输到内室，然后被玉米植株吸收。
自2014年起建立了转cry1Ab基因水稻（GM）及其对照非转基因水稻（M）的田间试验。分别利用16S rRNA基因的Illumina MiSeq 高通量测序及amoA, nirS和 nirK基因的实时定量PCR，分析了田间试验第五年稻田土壤细菌群落和驱动氮素转化的功能基因丰度的变化。结果显示：转基因水稻GM的土壤细菌群落的a多样性指数，包括物种丰富度指数Chao1、香农多样性指数Shannon和辛普森多样性指数Simpson，在水稻各个生育期内均与非转基因水稻M间没有差异。但是基于unweighted UniFrac距离的主坐标分析(Principal coordinates analysis，PCoA)和非度量多维尺度分析(Nonmetric Multidimensional scaling，NMDS)显示，转基因水稻GM的细菌群落与非转基因水稻M在水稻各个生育期内均存在分布差异。且基于unweighted UniFrac距离的ADONIS和ANOSIM分析结果表明上述GM与M的细菌群落分布差异都达到显著性水平(P<0.05)。GM土壤中酸杆菌门 Acidobacteria和M土壤中拟杆菌门Bacteroidetes相对丰度的增加可导致其细菌群落的差异。同时，高通量测序的基因功能预测结果显示，在水稻成熟期转基因水稻GM土壤中一些功能基因丰度提高，如与淀粉、氨基酸和氮代谢相关的基因。此外，转基因水稻GM土壤中的氨氧化细菌amoA基因、氨氧化古菌amoA基因及反硝化细菌nirK基因的丰度均显著增加(P<0.05 或 0.01)。总之，转cry1Ab基因水稻对土壤细菌群落组成和微生物功能基因丰度均存在影响。
利用Biolog-Eco平板研究氮肥减半配施有机肥对燕麦田土壤微生物群落代谢和多样性的影响。试验由5个处理组成：CK，不施肥；U1，90 kg ha–1 N的尿素；U2，45 kg ha–1 N的尿素；U2OM1，45 kg ha–1 N的尿素配施90 kg ha–1 N的羊粪有机肥；U2OM2，45 kg ha–1 N的尿素配施45 kg ha–1 N的羊粪有机肥。每个处理重复3次。试验于2018年和2019年在山西省平鲁县进行。结果表明，两年氮肥减半配施有机肥均有利于提高燕麦田土壤微生物群落对氨基酸，胺类，糖类，酸酸类和聚合物类碳源的利用。且对土壤微生物群落丰富度，优势度和均匀度也有显著促进作用。对氨基酸、胺类和酸酸类的利用以及对土壤微生物群落均匀度的影响随有机肥量增加而增强。双标图分析表明胺类和氨基酸是土壤微生物群落利用的主要碳源。2年结果均显示总氮量达135 kg ha–1，即45 kg ha–1 N的尿素配施90 kg ha–1 N的羊粪有机肥，燕麦产量最高。氮肥减半配施合适量的有机肥显著提高土壤微生物群落功能多样性。胺类和氨基酸类碳源可以作为总碳源的代表用于未来燕麦田土壤微生物群落对碳源利用的研究中。
土壤线虫群落能指示土壤食物网结构与功能，对短期秸秆还田等农业管理措施比较敏感。但目前关于不同肥力条件下长期秸秆还田对线虫群落的影响研究较少。基于13年长期秸秆还田试验，本研究通过分析线虫群落结构、食物网指数、代谢足迹，评价了低肥力（不施肥化肥）和高肥力条件下（长期施用化肥）秸秆还田对土壤食物网结构和功能的影响。试验设置4个处理，分别为低肥力条件下秸秆不还田处理和还田处理，高肥力条件下秸秆不还田处理和还田处理。2018年在小麦和水稻收获后取样，取样深度20 cm。结果表明：低肥力条件下，与不还田处理相比，秸秆还田处理线虫总丰度、食细菌线虫丰度、植物寄生线虫丰度、杂食-捕食线虫丰度及占线虫总丰度的比例分别比不还田处理高73.06%，89.29%，95.31%，238.98%和114.61%，高肥力条件下则分别高16.23%，2.23%，19.01%，141.38%和90.23%。在不考虑取样时间和肥力条件下，与不还田处理相比，秸秆还田提高了线虫群落仙农-维纳指数和成熟度指数，表明秸秆还田提高了线虫群落多样性和稳定性。此外，秸秆还田对线虫群落富集指数、富集足迹、食细菌线虫和食真菌线虫代谢足迹影响不显著，但显著提高了植物寄生线虫代谢足迹和结构足迹，低肥力条件下提高了97.27%和305.39% ，高肥力条件下提高了11.29%和149.56%，对结构指数的影响尽管在统计上不显著，但呈现出上升的趋势，这表明秸秆还田对线虫群落的自下而上调节能力较弱，而自上而下调节能力较强。总之，长期秸秆还田主要通过自上而下效应调节线虫群落，提高了线虫群落丰度，改变了线虫群落结构，且在低肥力条件下作用更强。
我们利用宏基因组技术研究了玉米种植模式、土壤性质和地理位置对中国4个玉米主产区土壤原核生物群落的影响。在本研究所有土壤样品中，α-变形菌纲、γ-变形菌纲、β-变形菌纲、芽单胞菌纲、酸杆菌纲和放线菌纲是共同优势原核生物类群。非度量多维尺度法分析发现，原核生物群落划分4个组，且与4个玉米种植区相吻合。冗余分析表明，土壤性质(尤其是pH)、地理位置和种植模式共同影响土壤原核生物群落多样性，而地理位置（纬度）、pH和种植模式影响土壤原核生物功能基因。4个玉米生产区土壤原核生物某些代谢途径中的功能基因丰度差异显著，如微生物-微生物相互作用、芳香化合物降解、原核生物固碳途径和微生物在不同环境中代谢等。总之，土壤pH、种植制度和地理位置三者共同影响了我国4个玉米主产区土壤原核生物群落和功能基因。研究结果有助于深入了解大尺度农业生态系统中土壤原核生物群落的组成和基因功能。
Azospirillum brasilense与Pseudomonas fluorescens是应用广泛的植物根际促生菌。目前Azospirillum brasilense与Pseudomonas fluorescens对稻田土壤氮循环和水稻生长发育的影响尚不清楚。本研究通过两年田间试验（2016-2017）解析了Azospirillum brasilense与Pseudomonas fluorescens对水稻根际土壤氮素转化和供氮能力的影响，明确了Azospirillum brasilense与Pseudomonas fluorescens在稻田肥料减施增效中的作用。微生物接种包括4个处理，分别为生理盐水接种（对照，M0），水稻幼苗接种Azospirillum brasilense（Mb），水稻幼苗接种Pseudomonas fluorescens（Mp），水稻幼苗接种Azospirillum brasilense与Pseudomonas fluorescens的混合物（Mbp）。氮肥施用水平包括4个处理，分别为0 kg N hm-2（N0）)，90 kg N hm-2（N90），180 kg N hm-2（N180），270 kg N hm-2 （N270）。结果表明，与M0相比，Mbp与Mp处理显著增强了水稻根际土壤氨化作用强度，高氮条件下提升作用更显著。与M0相比，Mbp与Mb处理显著增强了水稻根际土壤固氮酶活性，低氮条件下提升作用更显著。接种用的Azospirillum brasilense与Pseudomonas fluorescens不参与水稻根际土壤的硝化和反硝化过程。根际促生菌与氮肥的交互作用对土壤呼吸速率与微生物量氮有显著影响。在Mbp处理中，N90、N180、N270处理的土壤供氮能力与水稻产量无显著差异。水稻幼苗接种Azospirillum brasilense与Pseudomonas fluorescens的混合物，可将该地区氮肥施用量降至90 kg N hm-2。
一方面，中国亚热带红壤区水稻土母质和肥力水平多变；另一方面，细菌多样性和群落组成在土壤生态系统过程和功能中发挥关键作用。但是水稻土的母质和肥力对细菌多样性和群落组成的影响如何仍不清楚，不同母质和肥力水平条件下驱动水稻土细菌多样性、群落组成和特异微生物种群变化的关键因素尚不明确。因此，本研究采集亚热带红壤区具有不同母质（第四纪红黏土或第三纪红砂岩）和不同肥力水平（高肥力或低肥力）的典型样地水稻土样品，通过454高通量测序测定细菌16S rRNA基因的V4−V5区，分析细菌多样性指数和群落组成变化。采用two-way ANOVA和two-way PERMANOVA探明母质和肥力对细菌多样性和群落组成的影响；主坐标分析（PCoA）、冗余分析（RDA）和多元回归树分析（MRT）明确细菌群落的变化，以及驱动该变化的关键土壤因子；共现网络分析阐明属水平特异细菌种群和关键土壤因子的关系；宏基因组差异分析工具（STAMP）确定不同土壤样品间差异物种。结果显示，母质和肥力对水稻土细菌多样性指数变化的贡献相似。但是肥力水平对细菌群落组成的影响要远大于母质。土壤因子，特别是土壤质地与细菌多样性指数密切相关。RDA分析发现土壤有机碳（SOC）是影响细菌群落组成的首要因素，并且25.5 g kg−1有机碳含量是驱动高肥力和低肥力土壤细菌群落组成分异的关键阈值。共现网络分析暗示高肥力水平下，由于土壤环境的改善，细菌趋向于合作关系，并且富营养型细菌占主导地位。STAMP分析发现高肥力水稻土中Massilia和Rhodanobacter等富营养型细菌大量富集；而低肥力土壤中Anaerolinea等贫营养型细菌占主导。研究结果表明，不同母质和肥力水稻土中，土壤质地影响细菌多样性指数变化；而养分水平，特别是有机碳水平决定细菌群落组成的变化。
根际微生物群及其中的解磷细菌在维持集约化农业系统的可持续性和生产力方面具有重要潜力。施肥制度能够影响土壤微生物群落，然而目前仍不清楚土壤中哪些群落的变化会影响有益菌群在根际的富集。本研究基于曲周实验站的一个长期定位实验，该实验始于1993年，含有堆肥、生物堆肥、化肥或不施肥的四个不同处理。利用选择性培养法、16S rRNA基因的Illumina测序，比较了不同处理下玉米根际总细菌和解磷细菌的多样性和群落结构的动态。研究结果显示：玉米的发育期是影响根际细菌和解磷细菌种群结构的主要因子，分别能够解释29%和13%的变异，作用高于不同的施肥。施用堆肥或生物堆肥的土壤中副球菌属的相对丰度显著高于施用化肥或不施肥处理。在根际富集的属中，海洋芽胞杆菌属、芽孢杆菌属、无色杆菌属、剑菌属、 副球菌属、Ramlibacter和藤黄单胞菌属的相对丰度与其在土壤中的相对丰度呈正相关。解磷细菌中剑菌属、芽孢杆菌属和链霉菌属的相对丰度也表现出上述规律。综上所述，尽管玉米发育期是影响根际微生物群的主要因素，但施肥制度或也能够影响根际有益微生物群，如芽孢杆菌属和剑菌属。
微生物是秸秆的分解者，气候条件和秸秆化学组成影响微生物的生长及其群落组成，并终影响秸秆分解。然而，对我国东北地区秸秆分解过程中的细菌演化特征并不清楚。为了阐明东北地区秸秆分解过程中细菌群体演化特征及其影响因子，我们于2014年10月份将玉米秸秆包埋入田间土壤，在随后的2年中不定期取样并分析秸秆生物量及其中细菌群落组成变化。秸秆埋入土壤5、12和24月后，其生物量积累损失率分别为起始量的18、69和77%；秸秆氮磷养分释放表现出与生物量相似的变化，而秸秆钾素1个月后释放了总量的79%。秸秆细菌丰度和群落组成多样性在埋入土壤后迅速增加，于9或20月后达到最高值。秸秆前期分解主要受环境温度和秸秆化学组成调控，后期主要受秸秆化学组成影响。细菌Actinobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes门主导秸秆分解前期的群落组成，而Chloroflexi、Acidobacteria和Saccharibacteria门的丰度在分解后期逐步增加。总之，我国东北地区秸秆还田后的分解速率主要受环境温度和秸秆化学组成调控，秸秆分解过程中细菌群落从前期的富营养型群落主导向后期的贫营养型群落主导演化。
研究表明氮肥深施能够减少稻田中氮素淋失、提高氮肥利用率；然而，我们对于稻田土壤微生物，特别是微生物中的丰富物种和稀有物种对于氮肥深施的响应知之甚少，而这一过程对于我们理解农业生态系统的生物多样性和功能至关重要。在本研究中，我们利用二代测序技术和生态模型理论，研究了不同氮肥施用条件下水稻根际土壤中丰富和稀有类群在水稻生长4个阶段的多样性模式及其组装机制。结果显示，在水稻根际土壤中丰富物种和稀有物种具有不同的分布模式：丰富物种广泛存在于各样品中，而稀有物种不是普遍存在的。随机过程在丰富菌群和稀有菌群的群落构建过程中均起着主导作用，其中扩散限制在丰富菌群中起着更重要的作用，而漂移等非主导过程在稀有菌群中起着更重要的作用。扩散限制对氮肥深施下丰富物种和稀有物种的影响高于不施氮肥和传统撒施；然而均值扩散对不施氮肥和传统撒施下稀有物种的影响高于氮肥深施处理。网络分析表明，与稀有物种相比，丰富物种相互之间连接紧密且占据网络的中心位置。尽管如此，大部分的关键物种由稀有物种组成，它们可能在维系网络稳定过程中发挥重要作用。总之，我们的研究结果突出了氮肥深施下根际土壤中丰富菌群和稀有菌群生态机制和共发生模式。
以往关于脱硫石膏改良盐碱土壤的效果研究，大多评测其对土壤理化性质的影响。然而，脱硫石膏对土壤微生物指标的影响研究鲜见报道，尤其是在其施用多年之后。为探究脱硫石膏改良盐碱土壤的长期效应，在内蒙古托克托县采集了轻度、中度和重度(碱化度分别为6.1-20%、20-30%和30-78.4%)3种碱化区施用脱硫石膏17年后的剖面(0-40 cm)土样，分析了土壤有机碳、养分、微生物量和酶活性的变化情况。结果表明：与对照(不施用脱硫石膏)处理相比，3种碱化区施用脱硫石膏处理0-20 cm和20-40 cm土壤有机碳含量平均值分别增加了18%和35%，0-20 cm土壤速效钾含量平均值增加了51%，20-40 cm土壤微生物量碳和微生物量氮含量平均值也分别增加了69%和194%。除了重度碱化区外，脱硫石膏处理0-40 cm土壤脲酶活性显著高于对照处理。此外，脱硫石膏处理显著提高了3种碱化区20-40 cm土壤碱性磷酸酶活性，但其对0-20 cm土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性的作用效果参差不齐。皮尔逊相关分析结果显示，土壤肥力和生物活性的提高归功于脱硫石膏施用后降低了土壤电导率、pH和碱化度。由此可见，施用脱硫石膏对土壤肥力和生物活性有积极的影响，有助于土壤生态系统的可持续发展，是一种切实可行的碱土改良方法。
根结线虫在世界范围内给农作物造成了巨大的产量损失。畜禽粪便可导致严重的环境污染，给农业环境造成极大负担。为了解决这两个问题，我们开发了一种利用亮斑扁角水虻幼虫和枯草芽胞杆菌BSF-CL联合将鸡粪转化为鸡粪有机肥的方法，然后将鸡粪有机肥与多粘类芽胞杆菌KM2501-1充分混合，最终浓度为1.5×108 CFU g-1。通过盆栽和大田试验，研究了KM2501-1微生物有机肥防治根结线虫的效果。盆栽试验中，施用KM2501-1微生物有机肥作为基肥或熏蒸剂，40 g/盆，对根结病的抑制率分别为61.76%和69.05%。KM2501-1微生物有机肥在田间试验中以1 Kg m-2作为熏蒸剂施用，可促进番茄植株生长，抑制根结线虫病49.97%，减少土壤根结线虫二期幼虫88.68%。在盆栽和田间试验中，KM2501-1微生物有机肥对根结线虫的控制效果均优于市售生物有机肥。研究结果表明，这种共转化工艺能有效地将鸡粪转化为高附加值的幼虫生物量和KM2501-1微生物有机肥，作为新的线虫控制剂具有潜在的应用前景。
