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Mechanism of nitrification inhibitor on nitrogen-transformation bacteria in vegetable soil

硝化抑制剂对蔬菜土硝化和反硝化细菌的影响



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 21 期摇 摇 2012 年 11 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
白洋淀富营养化湖泊湿地厌氧氨氧化菌的分布及对氮循环的影响 王衫允,祝贵兵,曲冬梅,等 (6591)………
造纸废水灌溉对滨海退化盐碱湿地土壤酶活性的响应 夏孟婧,苗颖,陆兆华,等 (6599)………………………
图们江下游湿地生态系统健康评价 朱卫红,郭艳丽,孙摇 鹏,等 (6609)…………………………………………
适应白洋淀湿地健康评价的 IBI方法 陈摇 展,林摇 波,尚摇 鹤,等 (6619)………………………………………
基于 MODIS的洞庭湖湿地面积对水文的响应 梁摇 婕,蔡摇 青,郭生练,等 (6628)……………………………
崇明东滩湿地不同潮汐带入侵植物互花米草根际细菌的多样性 章振亚,丁陈利,肖摇 明 (6636)……………
中国东部亚热带地区树轮 啄13C方位变化的谐波分析 赵兴云,李宝惠,王摇 建,等 (6647)……………………
甘肃臭草型退化草地优势种群空间格局及其关联性 高福元,赵成章 (6661)……………………………………
川西亚高山 /高山森林土壤氧化还原酶活性及其对季节性冻融的响应 谭摇 波,吴福忠,杨万勤,等 (6670)…
模拟分类经营对小兴安岭林区森林生物量的影响 邓华卫,布仁仓,刘晓梅,等 (6679)…………………………
苹果三维树冠的净光合速率分布模拟 高照全,赵晨霞,张显川,等 (6688)………………………………………
拟茎点霉 B3 与有机肥配施对连作草莓生长的影响 郝玉敏,戴传超,戴志东,等 (6695)………………………
落叶松林土壤可溶性碳、氮和官能团特征的时空变化及与土壤理化性质的关系
苏冬雪,王文杰,邱摇 岭,等 (6705)
………………………………
……………………………………………………………………………
人工固沙区与流沙区准噶尔无叶豆种群数量特征与空间格局对比研究
张永宽,陶摇 冶,刘会良,等 (6715)
…………………………………………
……………………………………………………………………………
山地河流浅滩深潭生境大型底栖动物群落比较研究———以重庆开县东河为例
王摇 强,袁兴中,刘摇 红 (6726)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
荣成俚岛人工鱼礁区游泳动物群落特征及其与主要环境因子的关系 吴忠鑫,张摇 磊,张秀梅,等 (6737)……
北黄海秋、冬季浮游动物多样性及年间变化 杨摇 青,王真良,樊景凤,等 (6747)………………………………
鄂尔多斯市土地利用生态安全格局构建 蒙吉军,朱利凯,杨摇 倩,等 (6755)……………………………………
村落文化林与非文化林多尺度物种多样性加性分配 高摇 虹,陈圣宾,欧阳志云 (6767)………………………
不同生计方式农户的环境感知———以甘南高原为例 赵雪雁 (6776)……………………………………………
两种预测模型在地下水动态中的比较与应用 张摇 霞,李占斌,张振文,等 (6788)………………………………
四川黄龙沟少花鹤顶兰繁殖成功特征 黄宝强,寇摇 勇,安德军 (6795)…………………………………………
硝化抑制剂对蔬菜土硝化和反硝化细菌的影响 杨摇 扬,孟德龙,秦红灵,等 (6803)……………………………
新疆两典型微咸水湖水体免培养古菌多样性 邓丽娟,娄摇 恺,曾摇 军,等 (6811)………………………………
白洋淀异养鞭毛虫群落特征及其与环境因子的相关性 赵玉娟,李凤超,张摇 强,等 (6819)……………………
双酚 A对萼花臂尾轮虫毒性及生活史的影响 陆正和,赵宝坤,杨家新 (6828)…………………………………
孵化温度对双斑锦蛇初生幼体行为和呼吸代谢的影响 曹梦洁,祝摇 思,蔡若茹,等 (6836)……………………
黄玛草蛉捕食米蛾卵的功能反应与数值反应 李水泉,黄寿山,韩诗畴,等 (6842)………………………………
互惠鄄寄生耦合系统的稳定性 高摇 磊,杨摇 燕,贺军州,等 (6848)………………………………………………
超微七味白术散对肠道微生物及酶活性的影响 谭周进,吴摇 海,刘富林,等 (6856)……………………………
专论与综述
氮沉降对森林生态系统碳吸存的影响 陈摇 浩,莫江明,张摇 炜,等 (6864)………………………………………
全球 CO2水平升高对浮游植物生理和生态影响的研究进展 赵旭辉,孔繁翔,谢薇薇,等 (6880)………………
跨界自然保护区———实现生物多样性保护的新手段 石龙宇,李摇 杜,陈摇 蕾,等 (6892)………………………
研究简报
会同和朱亭 11 年生杉木林能量积累与分配 康文星,熊振湘,何介南,等 (6901)………………………………
退化草地阿尔泰针茅生殖株丛与非生殖株丛的空间格局 任摇 珩,赵成章,高福元,等 (6909)…………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*326*zh*P* ¥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄11
封面图说: 白洋淀是华北地区最大的淡水湖泊湿地。 淀区内沟壕纵横交织错落,村庄、苇地、园田星罗棋布,在水文、水化学、生
物地球化学循环以及生物多样性等方面,具有非常复杂的异质性。 随着上游城镇污废水、农田径流进入水域,淀区
富营养化日益加剧。 复杂的水环境特点、高度的景观异质性和良好的生物多样性,使得该地区成为探索规模性厌氧
氨氧化反应的良好研究地点(详见本期第 6591—6598 页)。
彩图提供: 王为东博士摇 中国科学院生态环境研究中心摇 E鄄mail: wdwangh@ yahoo. com
第 32 卷第 21 期
2012 年 11 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 21
Nov. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目( 40771115 );中国科学院创新团队项目(KZCX2鄄YW鄄T07);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KSCX2鄄
EW鄄G鄄16)
收稿日期:2011鄄09鄄23; 摇 摇 修订日期:2012鄄01鄄10
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: wenxuewei@ isa. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201109231399
杨扬,孟德龙,秦红灵,吴敏娜,朱亦君,魏文学.硝化抑制剂对蔬菜土硝化和反硝化细菌的影响.生态学报,2012,32(21):6803鄄6810.
Yang Y, Meng D L, Qin H L, Wu M N, Zhu Y J, Wei W X. Mechanism of nitrification inhibitor on nitrogen鄄transformation bacteria in vegetable soil. Acta
Ecologica Sinica,2012,32(21):6803鄄6810.
硝化抑制剂对蔬菜土硝化和反硝化细菌的影响
杨摇 扬1,2,3,4,孟德龙1,3,4,秦红灵1,3,吴敏娜1,3,5,朱亦君1,3,魏文学1,3,*
1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室,长沙摇 410125;
2. 天津市国土资源和房屋管理研究中心,天津摇 300041;3. 中国科学院桃源农业生态试验站,湖南摇 415700;
4. 中国科学院研究生院,北京摇 100049;5. 新乡医学院,新乡摇 450003)
摘要:土壤 N素循环主要是微生物驱动的转化过程,然而对其的驱动与调控机理了解还很不够。 选取长沙黄兴镇蔬菜基地两
种蔬菜土研究硝化抑制剂(DCD)对 N素转化过程及功能微生物的影响。 试验通过室内土壤培养,处理为单施尿素(CK)和尿
素与硝化抑制剂双氰胺配合施用(DCD),重复 3 次。 在培养过程中系统监测了土壤中 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N含量变化,同时采用荧光
定量 PCR(real鄄time PCR)方法研究硝化抑制剂对土壤中氮素转化功能基因丰度的影响。 结果表明:在培养过程中 DCD处理使
两个供试土壤的 NH+4 浓度稳定在较高水平,而 NO
-
3 浓度则明显低于对照;施用 DCD导致土壤中硝化基因 amoA丰度显著减少,
而对 16S rRNA和反硝化基因 nirK丰度没有产生明显影响。 因此,DCD在菜地土壤中主要通过抑制氨氧化细菌的繁衍来抑制
硝化作用。
关键词:硝化; DCD; 蔬菜土; amoA基因
Mechanism of nitrification inhibitor on nitrogen鄄transformation bacteria
in vegetable soil
YANG Yang1,2,3,4, MENG Denglong1,3,4, QIN Hongling1,3, WU Minna1,3,5, ZHU Yiju1,3, WEI Wenxue1,3,*
1 Key Laboratory of Agro鄄ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha
410125, China
2 Tianjin Land & Resources & Housing Management Research Centre, Tianjin 300041, China
3 Taoyuan Station of Agro鄄ecology Research, Chinese Academy of Sciences, Hunan 415700, China
4 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
5 Xinxiang Medical University, Xinxiang 450003, China
Abstract: Nitrogen (N) loss via nitrate ( NO-3 ) leaching from soil is one of the major contributors to environmental
degradation. Vegetable soil is characterized by intensive fertilization with low nitrogen usage efficiency as a result of NO-3
leaching. Nitrification and de-nitrification are the most important processes in NO-3 formation and transformation, and are
driven by functional microorganism in soil. The use of nitrification inhibitors, such as DCD, may play a key role in
mitigating N loss.
Investigations were conducted on the inhibitory effect of DCD to the functional microorganisms among the processes of
nitrification and de鄄nitrification, and the relationship between DCD and nitrogen transformation. In this research, two kinds
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of vegetable soils were selected from Huangxing country, Changsha, reflecting long鄄term (about 20 years) and short鄄term
vegetable cropping (1 year) . Each sample was a mixture of 5 cores(0—20cm top soil) randomly taken in the same field.
Two treatments for each soil sample were conducted: CK treatment (urea at 0. 2g N / kg), and DCD treatment (urea at 0郾 2g
N / kg with DCD 0. 02g / g ), each treatment with 3 replicates. The pots were incubated for 64 days at 25益, and
systematically measured NH+4 and NO
-
3 concentrations. According to the dynamics of NH
+
4 transformation, three soil samples
were taken at the 3 rd, 7 th and 64 th days, which represented the increasing, peak and decreasing status of NH+4 concentration.
The abundances of nitrifying gene amoA and denitrifying gene nirK were analyzed by Real鄄time PCR,.
Results indicated that NH+4 concentrations of DCD treatments increased 248% and 225% compared to the CK treatment
in the long鄄term and short term vegetable soils, respectively. NO-3 concentrations of DCD treatments decreased 31% and
20% compared to the CK treatment in the long鄄term and short鄄term vegetable soils separately. Furthermore, NH+4
concentration of DCD treated short term soil decreased slightly while long term soil remained the same level, suggesting that
DCD had a better effect on long-term vegetable soil. The abundances of 16S rRNA gene and nirK gene had no significant
difference between two treatments. However, the amoA gene abundance of DCD treatment for the long-term vegetable soil
and the short-term vegetable soil had significantly decreased compared to the CK treatment, 61% and 48% respectively on
the 3 rd day, 71% and 54% respectively on the 7 th day, but no differences were observed between two treatments after 64
days incubation. There was extremely significant correlation between NO-3 concentration and the amoA gene abundance.
The results showed that the process of nitrification could be inhibited by DCD through restraining the growth of
nitrifying bacteria. In addition, intensive application of inorganic fertilizer accelerated N element cycle in soil through the
shift of composition and abundance of nitrogen鄄transformation functional microorganism. Thus, it might be better to use
DCD together with suitable amount of fertilizer to improve nitrogen fertilizer usage efficiency and reduce nitrate loss.
Key Words: nitrification; DCD; vegetable soil; amoA
氮肥是农业生产中施用最广的肥料之一,我国氮肥用量大但利用率低,平均利用率不到 35% ,远低于发
达国家[1]。 由于氮肥使用不合理引发的环境富营养化、地下水硝酸盐超标等问题频发。 另外,氮肥的大量施
用还导致温室气体 N2O 大量排放而加重全球气候变化。 因此,对土壤氮素循环过程及调控机理研究一直受
到国内外广泛重视。
土壤中 N素转化主要是由微生物驱动的生物反应过程,其中,硝化作用是旱地土壤中氮素循环的主要过
程。 硝化作用包括氨氧化为亚硝酸盐的反应,和亚硝酸盐被氧化成硝酸盐的反应。 氨氧化反应是硝化过程的
限速步骤,关键酶为氨单加氧酶(AMO)。 amoA 基因编码 AMO 的一个亚基[2],是硝化过程的关键功能基因
之一。
对硝化作用过程的研究,前期主要借助分析化学的手段,通过检测土壤 NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N 含量、硝化速率及
气体排放量的变化来反映硝化过程和环境因素变化对硝化反应的影响[3鄄6]。 随着分子生物学技术的迅速发
展,可以对驱动硝化过程的功能微生物进行研究,揭示硝化过程的生物驱动机制。 近年来通过荧光定量
PCR、DNA稳定同位素探针标记等分子生物学技术,发现酸性土壤中含 amoA 基因的氨氧化古菌(AOA)主导
硝化反应[7],但更多研究[8鄄9]认为硝化反应主要是由含 amoA基因的氨氧化细菌(AOB)驱动,尤其是含氮丰富
的土壤[10]。
硝化抑制剂被用于科学研究已经有很长的历史了,它们能显著影响 N素的转化过程,提高土壤中 N固持
量[11鄄12],减少硝酸盐积累[13鄄14],降低 N2O的排放量[15鄄16]。 同时,其被应用于农业生产也使作物长势良好,产
量和品质都明显提高[17鄄18]。 硝化抑制剂的种类很多,有些对氨氧化细菌产生毒性,有些可抑制硝化杆菌属细
菌的活动,还有些可以抑制反硝化作用。 双氰胺(DCD)是其中被广为使用的抑制剂之一,相关研究[19鄄20]认为
DCD抑制纯培养的 Nitrosomonas europaea生长,但并不杀菌。 而近年来,DCD 对土壤生物过程的影响成为研
4086 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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究热点,已探明一些环境因素,如温度[21鄄22]、水分、DCD 施用比率[23]会影响土壤微生物活性,使得 DCD 对硝
化作用的抑制效果受到影响。 Di[8]的研究认为 DCD可显著抑制牧草地土壤 AOB 的数量和活性。 但 DCD对
土壤中 N素转化的功能微生物种群的影响还很少了解。
蔬菜土是我国农业生产中有特点鲜明的一类农田土壤,其生产力高、复种指数大、化肥施用量是粮棉作物
的数倍,而且氮肥利用效率远低于其它作物。 因此,我国蔬菜产地普遍存在农产品硝酸盐超标、地下水硝酸盐
污染、农区水体富营养化严重等突出问题。 然而,对蔬菜土壤的 N素转化过程机理缺乏了解。
本研究采集典型蔬菜土壤,通过分子生物学手段较系统探讨了氮肥在土壤中的转化过程,硝化抑制剂
DCD对 N素循环关键功能微生物的抑制效果及其与 N素转化动态的联系机制。 为蔬菜生产中氮肥合理施用
和提高氮肥利用效率提供重要的理论依据。
1摇 材料与方法
1. 1摇 土壤样品采集
供试土壤采自长沙市黄兴镇蔬菜基地(N28毅07忆45. 7义,E113毅04忆53. 9义),采样时间为 2009 年 10 月 30 日。
选取两种不同种植年限的蔬菜土,分别为高种植年限蔬菜土(20a 以上,记为 L)和低种植年限蔬菜土(1a,记
为 S)。 两种土壤均为浏阳河冲积母质发育的冲积土,前作为水稻。 采用 5 点法采集 0—20 cm 的表层土,混
合到一起后备用。 土壤样品经过风干和过 2 mm筛后备用。 土壤基本理化性质见表 1。
表 1摇 两种不同种植年限的土壤的理化性质
Table 1摇 The physical and chemical properties of the two kind of plant soil samples
高年限土号
Long鄄term vegetable soil
低年限土号
Short鄄term vegetable soil
硝态氮 NO-3 鄄N / (mg / kg) 108. 81依0. 70 114. 75依0. 37
铵态氮 NH+4 鄄N / (mg / kg) 4. 72依0. 74 8. 98依0. 05
速效磷 Olsen-P / (mg / kg) 190. 58依1. 06 77. 32依1. 86
速效钾 Available K / (mg / kg) 160. 09依1. 11 198. 10依2. 99
有机质 Organic matter / (g / kg) 5. 86依0. 75 11. 21依0. 15
pH 5. 92 5. 85
全钾 Total K / (g / kg) 17. 62依2. 79 18. 26依0. 15
全磷 Total P / (g / kg) 2. 53依0. 02 1. 38依0. 01
全氮 Total N / (g / kg) 2. 07 2. 24
全碳 Total C / (g / kg) 11. 05 12. 70
摇 摇 *平均值依标准误差( n=3)
1. 2摇 土壤培养试验
设两个处理,分别是对照处理(CK):施用尿素态氮 0. 2 g / kg 和 DCD 处理(DCD):在 CK 的基础上施用
DCD 0. 02 g / kg土。 然后将土壤含水量调至饱和持水量(WHC)的 60% ,充分混匀后分装到培养钵中,每钵装
土 500 g。 钵口覆盖有针孔的锡箔纸,在 25 益恒温室培养,培养过程中保持土壤水分衡定。 每个处理 24 钵,
分别在培养 1、3、7、14、21、28、42、64d 取土壤样品用于铵态氮、硝态氮和土壤 DNA分析,每个培养时间点取 3
盆土为 3 次重复。
1. 3摇 土壤 DNA提取
根据培养过程中 NH+4 鄄N含量的动态变化特点,选择培养后第 3、7 和 64 天分别代表 NH
+
4 鄄N 含量上升阶
段、高峰阶段和培养后期下降阶段,采集土壤样品进行微生物分子生物学分析。
土壤 DNA提取采用 SDS鄄GITC鄄PEG方法[24]。 用 0. 8%的琼脂糖凝胶电泳检测所提 DNA 片段大小,并用
NanoDrop 核酸蛋白测定仪( ND鄄1000)测定 DNA的浓度及质量。
1. 5摇 荧光定量 PCR
标准曲线的构建参照 Lopez鄄Gutierrez 等[25]和 Henry 等[26]的方法。 分别构建细菌 16S rRNA、amoA、nirK
5086摇 21 期 摇 摇 摇 杨扬摇 等:硝化抑制剂对蔬菜土硝化和反硝化细菌的影响 摇
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基因的质粒标准曲线,标准曲线的范围在 102—108 之间。 扩增效率和拷贝数通过下列公式计算:
扩增效率=10(-1 /斜率) -1
拷贝数 / mL=(6. 02伊1023 拷贝数 /摩尔)伊(质粒浓度 g / mL) / [ 质粒长度(bp)伊 660(道尔顿 /碱基)]
定量 PCR反应体系如下,所用引物见表 2:
(1)amoA摇 5 ng DNA模板, 上下游引物各 100 nmol / L, 5 滋L2X SYBR誖 摇 Premix Ex TaqTM (Takara, 日
本),双蒸水补至 10 滋L。
(2)nirK摇 2. 5 ngDNA模板, 上下游引物各 150 nmol / L, 5 滋L 2伊SYBR誖 摇 Premix Ex Taq TM (Takara 日
本),双蒸水补至 10 滋L。
(3)16S rRNA gene摇 2. 5 ngDNA 模板, 上下游引物各 150 nmol / L, 1 滋L of 10伊 反应缓冲液, 0. 8 滋L of
dNTPs (10 滋mol / L), 0. 25滋L 10伊SYBR誖 Premix Ex Taq TM (Takara 日本), 0. 5 U of HS Taq 酶,双蒸水补至
10 滋L。
定量 PCR反应条件如下:
(1)amoA摇 95 益,30 s;95 益,5 s, 55 益,30 s,72 益,30 s,40 个循环;95 益 15 s,60 益 15 s,95 益 15 s。
(2)nirK摇 95 益,30 s;95 益,5 s,60 益,30 s,40 个循环; 95 益 15 s,60 益 15 s,95 益 15 s。
(3)16S rRNA摇 95 益, 2 m;95 益,15 s,60 益,20 s,72 益,20 s,5 个循环;95 益,15 s,55 益,20 s,72 益,20
s,30 个循环;95 益 15 s,60 益 15 s,95 益 15 s。
表 2摇 定量 PCR引物信息
Table 2摇 Primers for RT鄄PCR
引物
Primer
引物序列 (5忆鄄3忆)
Primer sequence(5忆鄄3忆)
长度
Length
参考文献
Reference
amoA鄄 1F GGGGTTTCTACTGGTGGT 491bp [27]
amoA鄄 2R CCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC
nirK鄄 876F ATYGGCGGVCAYGGCGA 165bp [26]
nirK鄄 1040R GCCTCGATCAGRTTRTGGTT
16S鄄1369F CGGTGAATACGTTCYCGG 123bp [28]
16S鄄1492R GGWTACCTTGTTACGACT
摇 摇 上下游引物分别标注为 F和 R, S=C or G; K=G or T; Y=C or T; V=A, C or G; R=A or G
2摇 结果
2. 1摇 土壤 NH+4 鄄N和 NO
-
3 鄄N动态变化
土壤培养过程中 DCD处理的 NH+4 鄄N含量均显著高于 CK处理(初始阶段除外),其中高种植年限蔬菜土
和低种植年限蔬菜土分别比对照平均增加了 248%和 225 % (图 1)。 培养初始阶段两个供试土壤 CK处理的
NH+4 鄄N含量迅速下降并维持在约 58. 55 mg / kg水平。 然而,施用 DCD后高年限蔬菜土和低年限蔬菜土 NH
+
4 鄄
N分别稳定在 331. 52 mg / kg 和 347. 82 mg / kg。 两个土壤在培养后期也表现出明显的差异,DCD处理的高年
限蔬菜土的 NH+4 鄄N含量始终维持在高含量水平,而低年限蔬菜土则呈下降趋势。
施用 DCD与 CK处理相比,DCD也明显降低了土壤 NO-3 鄄N含量(图 1),其中高种植年限蔬菜土和低种植
年限蔬菜土分别比对照平均降低 31%和 20% 。 培养过程中高种植年限蔬菜土和低种植年限蔬菜土的 CK处
理 NO-3 鄄N含量分别先升高后缓慢下降至 164. 33 mg / kg 和 186. 31 mg / kg;施用 DCD 后两种土壤 NO
-
3 鄄N 含量
缓慢下降,到培养后期高年限蔬菜土的 NO-3 鄄N含量仍呈下降趋势,而低年限蔬菜土则表现为回升势头。 结果
表明 DCD可以有效地抑制了菜地土壤中的硝化过程,对于不同种植年限的蔬菜土而言,DCD 对高种植年限
的蔬菜土的抑制效果更好。
2. 2摇 DCD对硝化和反硝化基因丰度的影响
用荧光定量 PCR技术对 16S rRNA基因、amoA基因、nirK 基因丰度进行定量检测,基因扩增效率分别为
6086 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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图 1摇 两种种植年限的蔬菜土室内培养的铵态氮、硝态氮含量变化
Fig. 1摇 The concentration of nitrate in two types of the vegetable cropping soil
L:CK为高年限土施尿素的对照处理;L:DCD为高年限土尿素与硝化抑制剂 DCD混合施用的处理;S:CK为低年限土施尿素的对照处理;S:
DCD为低年限土尿素与硝化抑制剂 DCD混合施用的处理
95% 、109%和 96% ,标准曲线的 R2 值为 0. 995、0. 993 和 0. 995。
DCD对 amoA基因丰度的影响见图 2,在培养第 3 天,DCD 处理的高种植年限蔬菜土和低种植年限蔬菜
土的 amoA基因拷贝数分别比对照低 61%和 48% 。 在培养第 7 天,差异增大到 71%和 54% 。 在培养的第 64
天,DCD处理与 CK之间无显著差异,低种植年限蔬菜土的 amoA基因拷贝数显著高于高种植年限蔬菜土。
DCD对 16S rRNA和 nirK基因丰度的影响见图 3、图 4,结果表明同一土壤的两个处理之间 16S rRNA 丰
度没有显著差异。 高种植年限蔬菜土同一时间点两处理之间 nirK 基因丰度没有显著差异,低年限土样 nirK
基因定量的操作未获得成功。
以上说明在培养前、中期 DCD对菜地土壤硝化基因(amoA)丰度产生显著影响,但这种影响在培养末期
消失。 DCD对反硝化基因 nirK和 16S rRNA基因丰度没有显著影响。
图 2摇 amoA基因的拷贝数变化情况
摇 Fig. 2 摇 The copy number of amoA gene in two types of the
vegetable cropping soil
图中标注的不同字母间表示差异显著(P<0. 05)
图 3摇 16S rRNA基因的拷贝数变化情况
摇 Fig. 3摇 The copy number of 16S rRNA gene in two types of the
vegetable cropping soil
图中标注的不同字母间表示差异显著(P<0. 05)
2. 3摇 N素形态变化与 amoA基因丰度之间的关系
采用 SPSS软件对土壤样品(n = 12)NH+4 鄄N 含量、NO
-
3 鄄N 含量与 amoA 基因丰度之间相关性分析表明:
NO-3 鄄N含量与 amoA基因丰度呈极显著正相关(Pearson 相关性数值为 0. 656)。 这说明,DCD 通过抑制氨氧
化细菌(含有 amoA基因)的繁殖从而抑制了氨氧化过程。
3摇 讨论
蔬菜土壤不同于其他作物土壤,其种植强度大、复种指数高、化肥施用量多,肥料利用率低[29鄄31]。 这种长
期高强度施用化肥导致了土壤养分失衡[32鄄34],由此假设土壤中的氮循环微生物种群结构和组成也因此而发
生了改变,其变化的结果可能加速氮素转化和损失。 这一假设首先通过对连续种植蔬菜 20a以上蔬菜土和新
7086摇 21 期 摇 摇 摇 杨扬摇 等:硝化抑制剂对蔬菜土硝化和反硝化细菌的影响 摇
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图 4摇 nirK基因的拷贝数变化情况
摇 Fig. 4 摇 The copy number of nirK gene in two types of the
vegetable cropping soil
L:CK为高年限土单施尿素的处理;L:DCD 为高年限土尿素与硝
化抑制剂 DCD混合施用处理; 图中标注的字母 a,b,c,d,e,f表示
统计显著性差异(P<0. 05)
蔬菜土的 NH+4 鄄N和 NO
-
3 鄄N含量的动态变化的到了初步
验证,在培养前期前者对施入土壤的氮素转化更快。 硝
化抑制剂 DCD对长期种植蔬菜土壤的抑制效果明显好
于新蔬菜土可以进一步说明,长期种植蔬菜土壤的硝化
微生物优势种群可能更发达和对氮转化的作用力更强,
因此才表现出硝化抑制剂的效果更明显。 Krave 等
人[35]研究发现,施肥使土壤硝化势明显提高,即 NH+4 鄄N
向 NO-3 鄄N的转化能力增强。 对茶园土的研究证明[36],
氮肥的大量施用刺激土壤中硝化微生物数量增加,从而
硝化势增加。
超量累积施肥使蔬菜土壤的微生物生物量以及多
样性均发生了改变[37鄄38]。 雷娟利[39]通过 16S rRNA 的
PCR鄄DGGE、克隆和测序等技术发现,与水稻土相比,高
强度施肥蔬菜土壤中细菌群落结构发生了明显改变,且
这种变化与蔬菜连续种植年限和蔬菜种类密切相关。
但这些结果只能间接地说明长期种植蔬菜对微生物的
影响。 本项研究通过分子生物手段较系统地探讨了土壤氮素转化过程中关键时期细菌 16S rRNA基因、硝化
基因 amoA(氨氧化细菌 AOB中含有)和反硝化基因 nirK等的丰度演变与氮素转化的关系。 表明了在蔬菜土
壤上 DCD主要抑制了氨氧化细菌的繁殖,更重要的是培养前期 DCD对长期种植蔬菜土壤的 amoA 数量的抑
制效果高达 61%—71% ,而对新菜地土壤只有 48%—54% 。 而对氨氧化微生物的抑制效果与 NO-3 浓度呈很
好的相关性。 由此可以推断,建立在大量施用化学肥料基础上的蔬菜种植明显改变了硝化微生物的组成结
构,可能趋向组成单一化和氮素转化高效化。 相关研究也显示,施加化学肥料减少了土壤中细菌群落均匀
度[40]。 陈春兰等[41]对水稻土壤的研究证实,长期使用氮肥降低了水稻土壤中 AOB amoA 基因的多样性,同
时显著的改变了其群落组成。
综上所述,长期种植蔬菜土壤氮素循环加快,氮素损失严重,其主要驱动因子是土壤中氮素转化微生物组
成和丰度发生了改变,结果会加快氮肥的转化和损失。 因此,在蔬菜种植上应该特别重视施用有机肥和测重
平衡施肥。
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0186 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 21 November,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Widespread of anaerobic ammonia oxidation bacteria in an eutrophic freshwater lake wetland and its impact on nitrogen cycle
WANG Shanyun, ZHU Guibing, QU Dongmei, et al (6591)
………
………………………………………………………………………
Responds of soil enzfyme activities of degraded coastal saline wetlands to irrigation with treated paper mill effluent
XIA Mengjing, MIAO Ying, LU Zhaohua, et al (6599)
…………………
……………………………………………………………………………
Wetland ecosystem health assessment of the Tumen River downstream ZHU Weihong,GUO Yanli,SUN Peng,et al (6609)…………
An index of biological integrity:developing the methodology for assessing the health of the Baiyangdian wetland
CHEN Zhan, LIN Bo, SHANG He,et al (6619)
………………………
……………………………………………………………………………………
MODIS鄄based analysis of wetland area responses to hydrological processes in the Dongting Lake
LIANG Jie, CAI Qing, GUO Shenglian, et al (6628)
………………………………………
………………………………………………………………………………
The diversity of invasive plant Spartina Alterniflora rhizosphere bacteria in a tidal salt marshes at Chongming Dongtan in the Yangtze
River estuary ZHANG Zhengya, DING Chengli, XIAO Ming (6636)………………………………………………………………
Analyzing the azimuth distribution of tree ring 啄13C in subtropical regions of eastern China using the harmonic analysis
ZHAO Xingyun, LI Baohui,WANG Jian, et al (6647)
………………
……………………………………………………………………………
In the process of grassland degradation the spatial pattern and spatial association of dominant species
GAO Fuyuan, ZHAO Chengzhang (6661)
…………………………………
……………………………………………………………………………………………
Activities of soil oxidordeuctase and their response to seasonal freeze鄄thaw in the subalpine / alpine forests of western Sichuan
TAN Bo, WU Fuzhong, YANG Wanqin, et al (6670)
………
………………………………………………………………………………
Simulating the effects of forestry classified management on forest biomass in Xiao Xing忆an Mountains
DENG Huawei, BU Rencang,LIU Xiaomei, et al (6679)
…………………………………
…………………………………………………………………………
The simulation of three鄄dimensional canopy net photosynthetic rate of apple tree
GAO Zhaoquan,ZHAO Chenxia, ZHANG Xianchuan, et al (6688)
………………………………………………………
………………………………………………………………
The effect of Phomopsis B3 and organic fertilizer used together during continuous cropping of strawberry (Fragaria ananassa Duch)
HAO Yumin, DAI Chuanchao, DAI Zhidong, et al (6695)

…………………………………………………………………………
Temporal and spatial variations of DOC, DON and their function group characteristics in larch plantations and possible relations
with other physical鄄chemical properties SU Dongxue,WANG Wenjie,QIU Ling,et al (6705)……………………………………
Comparisons of quantitative characteristics and spatial distribution patterns of Eremosparton songoricum populations in an artificial
sand fixed area and a natural bare sand area in the Gurbantunggut Desert, Northwestern China
ZHANG Yongkuan, TAO Ye, LIU Huiliang, et al (6715)
…………………………………
…………………………………………………………………………
Comparison study on macroinvertebrate assemblage of riffles and pools:a case study of Dong River in Kaixian County of Chongqing,
China WANG Qiang,YUAN Xingzhong,LIU Hong (6726)…………………………………………………………………………
Nekton community structure and its relationship with main environmental variables in Lidao artificial reef zones of Rongcheng
WU Zhongxin,ZHANG Lei,ZHANG Xiumei,et al (6737)
………
…………………………………………………………………………
Zooplankton diversity and its variation in the Northern Yellow Sea in the autumn and winter of 1959, 1982 and 2009
YANG Qing, WANG Zhenliang, FAN Jingfeng, et al (6747)
………………
………………………………………………………………………
Building ecological security pattern based on land use:a case study of Ordos, Northern China
MENG Jijun,ZHU Likai,YANG Qianet al (6755)
…………………………………………
…………………………………………………………………………………
Additive partition of species diversity across multiple spatial scales in community culturally protected forests and non鄄culturally
protected forests GAO Hong, CHEN Shengbin, OUYANG Zhiyun (6767)…………………………………………………………
Environmental perception of farmers of different livelihood strategies: a case of Gannan Plateau ZHAO Xueyan (6776)………………
Application and comparison of two prediction models for groundwater dynamics
ZHANG Xia,LI Zhanbin,ZHANG Zhenwen, et al (6788)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Pollination success of Phaius delavayi in Huanglong Valley, Sichuan HUANG Baoqiang, KOU Yong, AN Dejun (6795)……………
Mechanism of nitrification inhibitor on nitrogen鄄transformation bacteria in vegetable soil
YANG Yang, MENG Denglong, QIN Hongling, et al (6803)
………………………………………………
………………………………………………………………………
Archaea diversity in water of two typical brackish lakes in Xinjiang DENG Lijuan, LOU Kai, ZENG Jun, et al (6811)……………
Abundance and biomass of heterotrophic flagellates in Baiyangdian Lake, as well as their relationship with environmental factors
ZHAO Yujuan,LI Fengchao,ZHANG Qiang,et al (6819)
……
…………………………………………………………………………
Effects of bisphenol A on the toxicity and life history of the rotifer Brachionus calyciflorus
LU Zhenghe, ZHAO Baokun, YANG Jiaxin (6828)
……………………………………………
…………………………………………………………………………………
Effect of incubation temperature on behavior and metabolism in the Chinese cornsnake, Elaphe bimaculata
CAO Mengjie, ZHU Si, CAI Ruoru, et al (6836)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Functional and numerical responses of Mallada besalis feeding on Corcyra cephalonica eggs
LI Shuiquan, HUANG Shoushan, HAN Shichou,et al (6842)
……………………………………………
………………………………………………………………………
Stability analysis of mutualistic鄄parasitic coupled system GAO Lei, YANG Yan, HE Junzhou, et al (6848)…………………………
Effect of ultra鄄micro powder qiweibaishusan on the intestinal microbiota and enzyme activities in mice
TAN Zhoujin,WU Hai,LIU Fulin,et al (6856)
………………………………
……………………………………………………………………………………
Review and Monograph
The effects of nitrogen deposition on forest carbon sequestration:a review
CHEN Hao, MO Jiangming, ZHANG Wei, et al (6864)
………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Effect of enhanced CO2 level on the physiology and ecology of phytoplankton
ZHAO Xuhui, KONG Fanxiang, XIE Weiwei, et al (6880)
…………………………………………………………
………………………………………………………………………
Transboundary protected areas as a means to biodiversity conservation SHI Longyu, LI Du, CHEN Lei, et al (6892)………………
Scientific Note
The energy storage and its distribution in 11鄄year鄄old chinese fir plantations in Huitong and Zhuting
KANG Wenxing,XIONG Zhengxiang,HE Jienan,et al (6901)
…………………………………
………………………………………………………………………
Spatial pattern of sexual plants and vegetative plants of Stipa krylovii population in alpine degraded grassland
REN Heng, ZHAO Chengzhang, GAO Fuyuan, et al (6909)
………………………
………………………………………………………………………
《生态学报》2013 年征订启事
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第 32 卷摇 第 21 期摇 (2012 年 11 月)
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