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基于QMEC分析的青藏高原不同类型冰川前缘地土壤微生物功能潜力

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环境科学 2023年第1期44卷 512-519页

作者：张洁洁 Anders Priemé 陈显轲周汉昌张沁唯庄绪亮秦翔庄国强马安周中国科学院生态环境研究中心北京100085 中国科学院大学中丹学院北京101400 中国-丹麦科研教育中心北京101400 Department of Biology University of CopenhagenUniversitetsparken 15DK-2100CopenhagenDenmark Center for Permafrost(CENPERM) University of CopenhagenØster Voldgade 10DK-1350CopenhagenDenmark 中国科学院大学资源与环境学院北京101408 中国科学院青藏高原研究所北京100101 中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室祁连山冰川与生态环境综合观测研究站兰州730000

微生物通过多种功能代谢过程主导着因气候变暖裸露的冰川前缘地土壤元素的地球化学循环.以青藏高原的海洋型冰川、亚大陆型冰川和极大陆型冰川的前缘地土壤为研究对象,分析不同类型冰川前缘地土壤的微生物功能特征.依次选择玉龙冰川、... 详细信息

微生物通过多种功能代谢过程主导着因气候变暖裸露的冰川前缘地土壤元素的地球化学循环.以青藏高原的海洋型冰川、亚大陆型冰川和极大陆型冰川的前缘地土壤为研究对象,分析不同类型冰川前缘地土壤的微生物功能特征.依次选择玉龙冰川、天山乌鲁木齐1号冰川和老虎沟12号冰川作为三类冰川的典型代表,采用高通量功能基因芯片(QMEC)检测土壤微生物的功能基因特征.结果表明,在三类冰川前缘地土壤中,半纤维素降解基因和还原型乙酰辅酶A途径相关的碳固定基因丰度最高,三者主要的氮功能基因和氨化作用有关,磷、硫功能基因则主要与有机磷矿化过程和硫氧化过程相关.其中,水热条件较好的海洋型冰川的微生物功能基因的种类与丰度最高,其次为环境较为干燥的极大陆型冰川.三类冰川前缘地土壤的微生物功能基因结构的显著差异,证实了地理环境差异对微生物功能特征的影响,也为不同类型冰川前缘地土壤微生物的功能及其介导的元素地球化学循环研究提供了基础.

关键词：青藏高原冰川类型前缘地土壤微生物功能基因高通量功能基因芯片(QMEC)

烟-稻轮作不同施肥土壤N_(2)O排放对水分的响应

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农业环境科学学报 2023年第7期42卷 1655-1665页

作者：赵伟东郭宝玲郑祥洲汤水荣孟磊张玉树海南大学热带作物学院海口570228 福建省农业科学院土壤肥料研究所/福建省植物营养与肥料重点实验室福州350013

为研究水-旱轮作条件中土壤氧化亚氮(N_(2)O)排放对不同施肥处理的响应,本文以亚热带地区长期不同施肥定位试验(烟-稻轮作)土壤为研究对象,设置60%持水量(WHC)+不施肥(UCK)、60%WHC+推荐施肥(UNPK)、60%WHC+高氮施肥(UNhPK)、60%WHC+推... 详细信息

为研究水-旱轮作条件中土壤氧化亚氮(N_(2)O)排放对不同施肥处理的响应,本文以亚热带地区长期不同施肥定位试验(烟-稻轮作)土壤为研究对象,设置60%持水量(WHC)+不施肥(UCK)、60%WHC+推荐施肥(UNPK)、60%WHC+高氮施肥(UNhPK)、60%WHC+推荐施肥配施秸秆(UNPKS)、淹水+不施肥(FCK)、淹水+推荐施肥(FNPK)、淹水+高氮施肥(FNhPK)、淹水+推荐施肥配施秸秆(FNPKS)共8个处理,开展室内培养试验,测定土壤N_(2)O排放及微生物相关功能基因丰度变化,探讨不同施肥土壤N_(2)O排放与相关功能基因丰度对水分的响应规律。结果表明:与CK处理相比,其他施肥处理均显著降低土壤pH,NPKS显著增加土壤有机质(SOM)和全氮(TN)含量;与NPK处理相比,NhPK和NPKS均显著降低土壤碳氮比(C/N)。60%WHC和淹水条件各施肥处理N_(2)O累积排放量分别为0.56~1.44 mg·kg^(-1)和14.89~20.70 mg·kg^(-1)。与60%WHC条件相比,淹水显著促进各施肥处理N_(2)O排放。60%WHC条件下,与UNPK处理相比,UNPKS处理显著降低N_(2)O排放。两种不同水分条件下,N_(2)O累积排放量与铵态氮(NH+4-N)含量均呈负相关,与硝态氮(NO-3-N)含量均呈正相关。相比于UCK处理,UNPK和UNhPK显著提高AOA基因拷贝数,UNPK显著提高AOB基因拷贝数;UNhPK显著降低nirK、nirS和nosZ基因拷贝数,UNPKS显著降低nirS基因拷贝数。相比于FCK处理,FNPK、FNhPK、FNPKS均显著提高AOA和AOB基因拷贝数,均显著降低nirS的基因拷贝数。淹水各施肥处理AOA、AOB基因拷贝数和(nirK+nirS)/nosZ比值分别为60%WHC各施肥处理的1.80~2.49倍、1.19~2.19倍和1.25~1.42倍,与60%WHC相比,淹水促进硝化菌硝化作用和反硝化作用的强度,导致大量N_(2)O排放;UNPKS处理的(nirK+nirS)/nosZ比值比UNPK低21%,相比于UNPK处理,UNPKS处理降低土壤反硝化作用,减少N_(2)O排放。研究表明,淹水条件增加了土壤N_(2)O排放,但减弱了施肥对N_(2)O排放的影响;低水分条件下化学肥料配施秸秆可以显著减少N_(2)O排放。

关键词： N_(2)O排放培养试验长期施肥微生物功能基因水旱轮作

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氮添加对西南亚高山针叶林不同深度土壤甲烷吸收潜力的影响

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山地学报 2023年第3期41卷 386-398页

作者：刘新雨敖静王涛常瑞英中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所中国科学院大学

森林土壤是重要的大气CH4汇，氮添加可能增加、抑制或不影响森林土壤CH4吸收。亚高山针叶林是中国西南森林的主体，针对氮添加对亚高山针叶林土壤CH4吸收影响的研究并不充分。本研究依托贡嘎山亚高山针叶林开展氮沉降(氮添加)试验，结... 详细信息

森林土壤是重要的大气CH4汇，氮添加可能增加、抑制或不影响森林土壤CH4吸收。亚高山针叶林是中国西南森林的主体，针对氮添加对亚高山针叶林土壤CH4吸收影响的研究并不充分。本研究依托贡嘎山亚高山针叶林开展氮沉降(氮添加)试验，结合室内微宇宙实验及微生物功能基因分析，测定不同深度土壤在标准实验条件下的CH4吸收速率，明确亚高山针叶林不同深度土壤CH4吸收潜力对氮添加的差异性响应规律及CH4氧化功能基因的调控作用。结果显示：(1)同一氮添加处理下，土壤CH4吸收速率由大到小为矿质层0～5 cm、矿质层5～10 cm、有机层，氮添加未改变土壤CH4吸收潜力的剖面垂直分布规律。(2)氮添加对有机层CH4吸收速率无显著影响(P>0.05),但促进了矿质层土壤的CH4吸收速率。低氮和高氮添加分别促进矿质层0～5 cm土壤CH4吸收142%和58%,促进5～10 cm土壤CH4吸收2550%和650%。(3)CH4氧化功能基因丰度是调控不同土层CH4吸收速率的重要因素，而较高的铵态氮浓度会改变功能基因丰度与CH4吸收速率的相关关系。本研究深化了氮添加对西南典型亚高山森林土壤CH4吸收影响的认识，可为大气氮沉降背景下区域森林土壤CH4汇的准确核算提供科学依据。

关键词：氮沉降森林土壤甲烷氧化微生物功能基因贡嘎山

基因芯片数据预处理方法(LnMR和RAln)的评估和比较

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微生物学通报 2015年第5期42卷 817-825页

作者：郑乔舒岳淏伟杨云锋清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室北京100084

【目的】评估并比较两种基因芯片数据预处理方法(Ln MR和RAln)。【方法】以西藏高寒草甸草原夏季放牧实验和中国东部农田土壤移栽与玉米种植交互作用实验的两套基因芯片数据为例,利用等级-丰度曲线、均匀度指数、单因素方差分析、Q-Q图... 详细信息

【目的】评估并比较两种基因芯片数据预处理方法(Ln MR和RAln)。【方法】以西藏高寒草甸草原夏季放牧实验和中国东部农田土壤移栽与玉米种植交互作用实验的两套基因芯片数据为例,利用等级-丰度曲线、均匀度指数、单因素方差分析、Q-Q图、α多样性和响应比等统计方法评估预处理效果。【结果】两种方法均能有效缩小极值和信号差异,改善信号分布,减小随机误差,提高数据正态性,增强实验结果的趋势,使芯片数据更适于进一步统计分析。两种预处理方法各有特点,Ln MR法更适合检测不同处理间微生物结构差异,RAln法可以一定程度上消除基因芯片测定的系统误差。【结论】Ln MR法和RAln法是两种行之有效的基因芯片预处理方法,在实际分析中研究者应根据研究需要合理选择。

关键词：基因芯片数据预处理微生物功能基因微生物生态 Ln MR RAln

种肥混播对夏玉米产量、酶活性和土壤微生物的影响

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中国土壤与肥料 2024年第6期 149-156页

作者：李子双高玮李洪杰周晓琳王学霞杜梦扬陈延华王玉霞倪小会王薇邹国元曹兵德州市农业科学研究院山东德州253015 北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所北京100097 河北农业大学资源与环境科学学院河北保定071001 北京市缓控释肥料工程技术研究中心北京100097

探索夏玉米种子与控释肥混播对夏玉米产量、氮磷钾养分吸收、施肥经济效益、酶活性及土壤微生物的影响,为夏玉米轻简化生产和化肥减施增效提供技术支撑。以夏玉米品种‘郑单958’为材料进行了大田试验,试验设不施氮对照、常规施肥、种... 详细信息

探索夏玉米种子与控释肥混播对夏玉米产量、氮磷钾养分吸收、施肥经济效益、酶活性及土壤微生物的影响,为夏玉米轻简化生产和化肥减施增效提供技术支撑。以夏玉米品种‘郑单958’为材料进行了大田试验,试验设不施氮对照、常规施肥、种子控释肥混播和氮磷钾减量50%控释肥种子混播共4个处理,分析调查了夏玉米产量、氮磷钾吸收、叶片酶活性及根际土壤微生物功能基因。与常规施肥相比,2个控释肥处理的夏玉米产量增加7.7%~22.1%,夏玉米氮、磷、钾吸收量分别增加0.75%~33.3%、16.3%~27.1%、4.78%~36.5%,氮肥吸收利用率提高20.7%~24.6%,氮肥偏生产力提高14~74.1 kg/kg,氮肥农学利用率提高14.1~20.2 kg/kg,夏玉米每公顷净收益(扣除肥料投入)比常规施肥增加9.67%~19.6%。吐丝期根际土壤硝化和反硝化微生物基因数、叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脱氢酶与常规施肥没有显著差异。种肥混播在夏玉米上实现了增产增收,提高了氮磷钾养分吸收量和氮肥利用效率,降低了环境污染风险。

关键词：夏玉米控释肥氮肥利用效率酶活性微生物功能基因

小麦秸秆生物炭稳定土壤中金属镉及微生物群落响应

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化工环保 2023年第2期43卷 200-205页

作者：王莉王忠晨张广毅艾佳鑫徐敏郑州大学水利与土木工程学院河南郑州450001 郑州大学水利与环境国家级实验教学示范中心河南郑州450001

将小麦秸秆生物炭(WSB)投加至镉(Cd)污染土壤中,考察了WSB对土壤中Cd存在形态、土壤理化性质和土壤微生物群落及功能基因的影响。实验结果表明:WSB对土壤弱酸可提取态Cd的去除率为34.20%;添加WSB后,土壤pH由7.68上升至9.07,氨氮含量由70... 详细信息

将小麦秸秆生物炭(WSB)投加至镉(Cd)污染土壤中,考察了WSB对土壤中Cd存在形态、土壤理化性质和土壤微生物群落及功能基因的影响。实验结果表明:WSB对土壤弱酸可提取态Cd的去除率为34.20%;添加WSB后,土壤pH由7.68上升至9.07,氨氮含量由70.12 mg/kg降低至40.76 mg/kg,硝态氮含量由107.21 mg/kg增加至143.85 mg/kg,土壤阳离子交换量(CEC)由14.59 cmol/kg增加至19.93 cmol/kg,土壤有机碳(SOC)含量由7.00%增加至12.23%。土壤微生物群落分析结果表明,添加WSB有利于提高土壤微生物群落的多样性,同时能够促进与土壤碳循环和重金属去除相关的微生物功能基因响应。

关键词：镉污染土壤小麦秸秆生物炭稳定化技术微生物功能基因

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地下水位波动带三氮迁移转化过程研究进展

水文地质工程地质 2021年第2期48卷 27-36页

作者：刘鑫左锐王金生何柱锟李桥北京师范大学水科学研究院北京100875 地下水污染控制与修复教育部工程研究中心北京100875

三氮是我国地下水中典型污染物,其在包气带和含水层中的迁移转化过程受到高度关注。近几年,地下水位波动带中的三氮迁移转化已经成为新的研究领域。在综合运用文献计量分析法,定量分析相关研究趋势的基础上,系统总结地下水位波动带形成... 详细信息

三氮是我国地下水中典型污染物,其在包气带和含水层中的迁移转化过程受到高度关注。近几年,地下水位波动带中的三氮迁移转化已经成为新的研究领域。在综合运用文献计量分析法,定量分析相关研究趋势的基础上,系统总结地下水位波动带形成及特点,梳理波动带中三氮迁移转化过程及生物地球化学过程最新研究表述及成果,并对今后可能的研究热点和方向进行了展望。现有研究表明:水位波动带中环境指标如土壤含水率、氧化还原电位、溶解氧和有机质含量均表现出一定的分带性规律,微生物菌群结构和功能基因更多样化,并呈现一定的分布特征。随着地下水位波动,包气带中的三氮易浸溶进入地下水并发生迁移。地下水位上升,硝化作用减弱,反硝化作用增强;地下水位下降,硝化作用增强,反硝化作用减弱。为完善水位波动带三氮迁移转化过程研究,应进一步关注:(1)将水化学演化分析与分子生物学高通量测序方法相结合,深入探究水位波动带三氮转化与微生物作用机理;(2)除关注硝化、反硝化作用外,增加异化还原、同化还原和厌氧氨氧化等作用过程的研究;(3)细化分析更多情境、更多影响因素的水位波动过程,识别水位波动带三氮转化的关键影响要素。

关键词：地下水位波动带三氮迁移转化微生物功能基因

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不同形态氮素对紫花苜蓿-土壤反馈的影响

不同形态氮素对紫花苜蓿-土壤反馈的影响

作者：王玉强扬州大学

学位级别：硕士

外源氮输入影响“植物-土壤”系统的反馈作用,进而影响生态系统的结构、功能及过程。植物-土壤反馈由多个层面组成,如根面、根际、个体、群落或更大的时空尺度,研究不同形态氮素输入对植物-土壤反馈的影响,有助于夯实生态系统中地上-地... 详细信息

外源氮输入影响“植物-土壤”系统的反馈作用,进而影响生态系统的结构、功能及过程。植物-土壤反馈由多个层面组成,如根面、根际、个体、群落或更大的时空尺度,研究不同形态氮素输入对植物-土壤反馈的影响,有助于夯实生态系统中地上-地下相互反馈的理论基础,探索合理使用氮肥的方法和途径。紫花苜蓿在我国种植面积广,是保障畜牧业发展的优质牧草资源。本研究以紫花苜蓿为试验材料,设置石英砂盆栽（无土环境）试验、土壤盆栽试验和小区试验,从“植物-土壤”反馈的角度研究不同形态氮素配比对紫花苜蓿氮素吸收利用、土壤氮素转化、土壤酶活性和氮循环功能微生物的影响,分析紫花苜蓿-土壤反馈作用规律,阐述在不同形态氮素配比处理下,紫花苜蓿与土壤中参与氮循环的各要素之间的关系,为生态系统中地上-地下相互反馈作用奠定理论基础,为生态系统合理的氮素管理提供科学依据。主要结果如下:（1）石英砂盆栽试验结果表明:施加硝态氮和铵态氮两种氮素,显著提高了紫花苜蓿株高和地上生物量。与铵态氮相比,施加硝态氮更有利于提高紫花苜蓿的株高,增加地上部分硝态氮含量。而铵态氮有利于紫花苜蓿根系的生长,提高地下生物量,增加地下根中铵态氮的含量。等比例混合施加硝态氮和铵态氮有利于提高紫花苜蓿地上生物量和株高,促进其对不同形态氮素的吸收利用,使其生长效果最好。（2）土壤盆栽试验结果表明:施加硝态氮更有利于促进紫花苜蓿的分枝,提高地上生物量,而铵态氮有利于紫花苜蓿根系的伸长,提高地下生物量。两种形态氮素混合施用时均能显著提高土壤淀粉酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶活性。等比例硝铵配施均能显著提高了土壤氨氧化微生物、固氮微生物和反硝化微生物功能基因的丰度,单施硝态氮对氨氧化微生物功能基因丰度无显著影响。土壤硝态氮、铵态氮和全氮含量与紫花苜蓿的生长有着正反馈的关系。（3）小区试验结果表明:与盆栽试验结果一致,不同施氮处理均提高了紫花苜蓿地上生物量。等比例混合施加硝态氮和铵态氮提高了紫花苜蓿的氮素吸收效率和对氮肥的利用效率。随着紫花苜蓿生长进程的推进和刈割次数增加,土壤中性蛋白酶、脲酶和亚硝酸还原酶活性逐渐降低,而土壤羟胺还原酶活性逐渐增强。单施铵态氮处理对提高硝酸还原酶活性效果最好,硝铵等比例施用均能提高土壤中性蛋白酶、脲酶和羟胺还原酶活性。施加铵态氮有利于提高氨氧化微生物丰度,而单施硝态氮时无显著影响,等比例硝铵配施能不同程度提高土壤氨氧化微生物和反硝化微生物的丰度。（4）外源不同形态氮素的添加在提高紫花苜蓿产量和氮素积累的同时,也改变了土壤微生物功能群的丰度和土壤酶活性,促进了土壤养分的转化进程。土壤微生物功能群的丰度和土壤酶活性与紫花苜蓿生长初期各项指标均呈现出一致的正向增长态势。随着刈割次数的增加,参与土壤中的固氮过程、硝化与反硝化过程的土壤微生物功能群丰度、土壤酶活性出现了波动变化,促进了土壤中不同形态氮素的转化以及紫花苜蓿对氮素的吸收利用。紫花苜蓿与土壤间的正反馈关系维持了植株个体对不同形态氮素响应的稳定性。

关键词：氮素形态植物-土壤反馈土壤酶微生物功能基因氮循环

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稻田土壤中微生物群落对甲基汞积累的影响

稻田土壤中微生物群落对甲基汞积累的影响

作者：周心劝西南大学

学位级别：硕士

重金属汞(Mercury,Hg)是可长距离传输的全球性污染物,具有毒性强,易生物富集等特点。甲基汞(Methylmercury,MeHg)是已知所有Hg形态中毒性最强的有机化合物,可以通过食物链进入生物体内累积并放大,严重危害人类的健康。目前已知Hg矿区居... 详细信息

重金属汞(Mercury,Hg)是可长距离传输的全球性污染物,具有毒性强,易生物富集等特点。甲基汞(Methylmercury,MeHg)是已知所有Hg形态中毒性最强的有机化合物,可以通过食物链进入生物体内累积并放大,严重危害人类的健康。目前已知Hg矿区居民日常食用的稻米是MeHg暴露的主要途径,且水稻土也被证实是陆地生态系统中产生MeHg含量最多的场所之一。因此,如何降低Hg矿区稻米中MeHg的含量已经成为一个亟需解决的问题。然而,水稻土中MeHg的产生与累积机制仍不清楚。本研究以典型Hg矿区水稻土为对象,研究Hg转化相关的微生物功能基因(hgcA、dsrA、dsrB、mcrA、pmoA)分布特征,通过野外调查与室内培养相结合的方法,较系统地开展了水稻土中MeHg积累的微生物学机制研究。首先,采集我国典型Hg矿区的土壤样品,分析Hg矿区土壤中总汞(Total Mercury,THg)、MeHg分布特征,探索影响土壤MeHg积累的关键因素,并筛选出具有较高MeHg含量的水稻土,作为后续培养实验的材料。其次,通过室内添加功能微生物抑制剂培养实验探究水稻土微生物群落对MeHg降解的相对贡献,并探讨水稻土MeHg、Hg甲基化微生物功能基因丰度及细菌群落组成之间的关系。最后,研究典型施肥管理措施对土壤MeHg积累影响,以初步明确施肥对水稻土MeHg积累的影响机制。本研究的结果可为揭示稻田土壤中MeHg积累的主控因子,为稻田土壤MeHg污染修复提供理论依据。主要研究结果如下:(1)本实验采集土壤所在地为我国典型Hg矿区。如贵州Hg矿区的万山(WS)、铜仁(TR)及湖南Hg矿区的齐梁桥(QLQ)、新场乡(XCX)、茶田(CT),共5个区域的旱地土壤和稻田土壤样品共47个。分析了土壤样品中THg和MeHg含量特征,并运用定量PCR的方法检测各土壤样品中Hg甲基化功能基因hgcA的丰度。得出结果表明,土壤中MeHg含量与THg含量呈极显著正相关性(P微生物群落可能对水稻土中MeHg积累具有重要的影响。(2)在探明上述典型Hg矿区土壤中MeHg特征后,选择MeHg浓度较高的湖南桃源水稻土作为后续培养实验的材料。选择两种微生物抑制剂钼酸钠(NaMoO,硫酸盐还原菌抑制剂)及2-溴乙基磺酸钠(Bromoethanesulfonicacid,BES,产甲烷菌抑制剂),通过淹水(Y)的培养实验来研究上述典型微生物对水稻土MeHg积累的影响。此外,通过有氧(H)条件下添加甲烷氧化菌抑制剂(CuCl)培养实验,探究好氧的甲烷氧化菌在水稻土MeHg去除中的潜在作用。淹水的厌氧菌培养实验设置了三个处理,即不添加抑制剂的对照组(CY)、分别添加MoO(M)和BES(B)的处理;有氧添加Cu的培养实验设置了不添加Cu(CH)和添加Cu(Cu)的两个处理。以上各处理均在25℃条件下避光培养,在第0、2、4、7、14、30、60、120、150 d取样,测定土壤MeHg的含量,并检测培养第0、60、120 d土壤样品中甲基化功能基因丰度和细菌群落组成。淹水添加厌氧菌抑制剂的实验结果表明:添加抑制剂的M处理中,MeHg的含量与CY相比均没有显著差异(P>0.05);hgcA丰度在M处理中培养120d时显著低于0,60 d(P基因的丰度呈逐渐降低的趋势,120 d时显著低于0、60 d(P功能基因的丰度(除hgcA外)在60、120 d时显著低于0 d,CH处理则无明显变化;Cu处理样品中变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度均高于CH;在属水平聚类分析发现,Dyella菌属在Cu处理中大量富集,而CH中却没有检测到。(3)在基本探明上述水稻土中MeHg积累的特征后,通过施加氮肥(NHCl、NaNO)培养实验来考察农业管理措施对该水稻土中MeHg积累的影响。设置了淹水(Y)和有氧(H)两种培养条件,各培养条件下均设置不添

关键词：水稻土 MeHg积累微生物抑制剂微生物功能基因施肥细菌群落