農(nóng)田土壤中氨氧化細(xì)菌群落多樣性研究進(jìn)展

陳雪麗，王玉峰，王 爽，張 磊，李偉群，王曉軍，谷學(xué)佳

（黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，哈爾濱 150086）

微生物氨氧化是硝化作用的第一步也是限速步驟，在全球氮循環(huán)中是核心過程，具有維持地球生命活動(dòng)的重要作用[1-3]。氨氧化細(xì)菌將氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽作為唯一的能源而進(jìn)行氨氧化作用，廣泛分布于土壤、淡水和海洋等環(huán)境，已經(jīng)成為分子微生物生態(tài)學(xué)的一種理想模式微生物并被廣泛應(yīng)用為指示微生物[1]，其群落組成受氣候條件、土壤的利用方式和植被類型等影響[4-6]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在全球氮循環(huán)中起著重要作用，Jia等認(rèn)為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)每年的氮輸入量大約占全球的25%，其中氮素大多被氧化參與氮循環(huán)過程，而氮的氧化過程主要是氨氧化細(xì)菌起主要作用[7]。隨著研究手段的不斷改進(jìn)，土壤微生物的數(shù)量、種群組成對(duì)不同生態(tài)環(huán)境、不同農(nóng)藝措施[8]的響應(yīng)成為目前研究熱點(diǎn)。本文就土壤類型、施肥制度和栽培方式對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氨氧化細(xì)菌群落的影響進(jìn)行綜述，旨在為減少農(nóng)業(yè)面源污染、建立適合我國各類土壤類型的施肥制度提供依據(jù)和參考。

1 農(nóng)田土壤中氨氧化細(xì)菌的種類

土壤中氨氧化細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和組成受溫度、施肥處理和土壤pH的明顯影響[9-10]。溫度作為一個(gè)環(huán)境因子，可以直接或間接的通過改變土壤濕度、土壤pH和土壤銨的有效性等來影響土壤氨氧化細(xì)菌的活性和組成。Avrahami等研究表明低溫條件下Nitrosospira cluster 1為優(yōu)勢群落，但在長期低肥料處理?xiàng)l件下，一些菌群種類會(huì)缺失，培養(yǎng)6.5～12周的氨氧化細(xì)菌群落組成差異顯著，氨濃度最低0.3%，最高1%[11]。也就是說施肥處理對(duì)氨氧化菌群的影響可能高于溫度對(duì)其影響。然而，施肥處理對(duì)氨氧化細(xì)菌群落組成的影響也存在不同的結(jié)論，Enwall等研究表明肥料處理對(duì)氨氧化細(xì)菌的活性和組成具有明顯的影響，有機(jī)肥處理的氨氧化細(xì)菌群落多樣性最高[12]。然而，也有研究表明不同肥料處理之間氨氧化細(xì)菌群落組成沒有差異[13-14]。Stephen等研究發(fā)現(xiàn)，中性土壤中Nitrosospira cluster 3為優(yōu)勢菌群，在酸性土壤中Nitrosospira cluster 2為優(yōu)勢菌群[15]，同時(shí)，此前在堿性沙壤土壤中發(fā)現(xiàn)存在Nitrosospira cluster 9[16-17]。因此，氨氧化細(xì)菌作為土壤中的功能菌群，不僅受施肥、溫度、土壤類型等因素影響，同時(shí)長期施肥條件下土壤的理化性狀改變也是導(dǎo)致群落組成和群落種類不同的因素。

2 土壤類型對(duì)氨氧化細(xì)菌群落組成的影響

從對(duì)不同類型土壤中氨氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成的研究報(bào)道可以看出，同樣的處理如：無肥對(duì)照（CK）、單施氮肥（N）、氮磷肥（NP）、氮鉀肥（NK）、磷鉀肥（PK）、氮磷鉀肥（NPK）、氮磷鉀+有機(jī)肥（NPK+OM）和裸地，氨氧化細(xì)菌群落多樣性和豐富度在湖南祁陽紅壤旱地[17]、黃土旱塬區(qū)的黏壤質(zhì)黑壚土[18]、石灰性紫色土[19]、黃棕壤性水稻土[20]和草甸暗棕壤旱地[21]土壤上的研究結(jié)果不盡相同。其一致認(rèn)為，有機(jī)肥對(duì)氨氧化細(xì)菌群落組成和物種豐富度起到重要作用，NPK+OM處理的氨氧化細(xì)菌多樣性最高。結(jié)論不同的是，在紅壤旱地[17]的試驗(yàn)結(jié)果表明單施氮肥處理的氨氧化細(xì)菌多樣性最低；黃土旱塬區(qū)的黏壤質(zhì)黑壚土長期定位施肥試驗(yàn)研究表明，長期單施氮肥處理的多樣性指數(shù)和豐富度均高于裸地、磷肥和氮磷共施處理[22]。由此可見，在不同類型土壤上氮肥對(duì)土壤理化性狀、pH值等影響不盡相同，進(jìn)而導(dǎo)致土壤氨氧化細(xì)菌的群落組成和群落多樣性與其他化肥處理相比，得出不同結(jié)論。因此，在討論氮肥和有機(jī)肥對(duì)微生物群落組成的影響時(shí)，土壤類型是不可忽視的因素之一。

3 不同施肥制度對(duì)土壤中氨氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

研究表明，大量施入化肥、有機(jī)肥和植物秸稈對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)具有很大影響[17,23-24]。試驗(yàn)證實(shí)，在緩沖能力較低的土壤上，肥料對(duì)氮循環(huán)的影響更為明顯[17,23]。然而，化肥和有機(jī)肥配施通常認(rèn)為是最有效的方式[17,23,25]。Nyberg等研究結(jié)果表明，高溫厭氧消解后的豬糞廢棄物和豬糞提取物降低了土壤的硝化能力，但對(duì)土壤中氨氧化細(xì)菌群落組成沒有影響[14]。辜運(yùn)富等[19]和裴雪霞等[20]研究認(rèn)為有機(jī)肥和無機(jī)肥配施條件下土壤氨氧化細(xì)菌的種群多樣性明顯高于不施肥對(duì)照處理和無機(jī)肥處理。氮肥的施入對(duì)土壤氨氧化細(xì)菌群落的影響結(jié)論不盡相同，程林認(rèn)為長期單施氮肥增加土壤中的銨濃度，從而增加土壤中氨氧化細(xì)菌的多樣性和豐富度，同時(shí)長期種植作物的處理與裸地相比也增加了氨氧化細(xì)菌的多樣性和豐富度。單施磷和氮磷共施使土壤中氨氧化細(xì)菌的多樣性和豐富度都有所降低[22]。而陳春蘭等研究表明，長期單施氮肥使水稻土中亞硝化基因amoA的多樣性降低[26]，同時(shí)Fan等認(rèn)為長期施入化學(xué)肥料導(dǎo)致一些氨氧化細(xì)菌種類的缺失[21]。Shen等研究表明，所有含氮處理的氨氧化細(xì)菌都屬于同一分支，磷鉀配施處理和有機(jī)質(zhì)處理分布在同一分支，與空白對(duì)照形成三個(gè)分支[27]。也就是說，施用氮肥對(duì)土壤氨氧化細(xì)菌群落變化產(chǎn)生顯著影響，有機(jī)肥對(duì)氨氧化細(xì)菌的多樣性和豐富度具有緩解和補(bǔ)充作用，但在各地不同的溫度和環(huán)境條件下得出的結(jié)論也有所不同。

4 種植方式對(duì)土壤中氨氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物多樣性作為土壤肥力的敏感指標(biāo)之一，會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)管理措施產(chǎn)生即時(shí)而準(zhǔn)確的響應(yīng)，宋亞娜等研究證實(shí)不同作物種植體系會(huì)影響作物根際土壤氨氧化細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)、土壤硝化能力，認(rèn)為蠶豆與小麥和玉米間作與小麥和玉米單作或者小麥玉米兩種作物間作可以提高作物產(chǎn)量，同時(shí)，與蠶豆間作可以提高作物根際銨濃度，進(jìn)而促進(jìn)氨氧化細(xì)菌群落的生長，使作物根際氨氧化細(xì)菌多樣性增加，加速根際氮循化，促進(jìn)礦物質(zhì)氮被植物吸收利用[28-29]。

免耕秸稈覆蓋可以有效地增加土壤微生物活性，尤其對(duì)脫氮菌活性增加顯著[30]。孫淑榮等對(duì)玉米連作田土壤微生物區(qū)系組成研究表明，連作導(dǎo)致土壤中細(xì)菌數(shù)量減少，真菌數(shù)量增多[31]。目前，黑龍江省作為我國重要的商品糧基地，糧食作物的連作現(xiàn)象日益嚴(yán)重，水稻連作、玉米連作、大豆連作等。連作導(dǎo)致作物根際土壤酸化[32]、根圈微生態(tài)環(huán)境的變化[33]等，從而形成連作障礙。因此，合理的輪作、間作栽培制度是改善作物根際生態(tài)環(huán)境、構(gòu)建健康土壤的關(guān)鍵所在。

土壤中氨氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成不僅受土壤類型和施肥制度的影響，作物種類也是影響因子之一。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是增加了人為色彩的生態(tài)系統(tǒng)，它既有自身的緩沖和調(diào)節(jié)功能，又受到人為的調(diào)控。農(nóng)田土壤氨氧化微生物群落除了自然界不同氣候環(huán)境包括溫度和降雨等、土壤類型、土壤理化性狀、施肥制度、種植方式的影響外，同一種作物不同品種[34]、生育時(shí)期[35-36]也會(huì)影響作物根際氨氧化細(xì)菌的群落組成和功能，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)。

氨氧化細(xì)菌與土壤中氮素轉(zhuǎn)化及有效利用有直接關(guān)系，同時(shí)對(duì)環(huán)境因素的變化反應(yīng)敏感，是衡量土壤肥力、對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)不可或缺的指標(biāo)。目前，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中各種農(nóng)藝措施、耕作栽培措施、土壤類型、肥料施用以及作物生育期對(duì)土壤氨氧化細(xì)菌群落的影響已有大量研究，但針對(duì)目前氣候變暖、土壤酸化、過量施肥、作物連作、有效間作物缺失等條件下對(duì)土壤氮素有效性、土壤硝化能力以及土壤氨氧化細(xì)菌群落的影響還有待于深入研究探討。如何因地制宜保育土壤中功能菌群，使其在提高肥料有效性、促進(jìn)作物吸收、提高土壤肥力、促進(jìn)碳氮良性循環(huán)中起到積極的作用，是未來值得關(guān)注的問題。

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