發(fā)布時(shí)間：2020-07-05 01:16

【摘要】：長(zhǎng)期過量施氮導(dǎo)致了我國(guó)耕地土壤大面積酸化,對(duì)作物生產(chǎn)產(chǎn)生深刻的影響,并引發(fā)一系列環(huán)境問題。本研究以長(zhǎng)期大量施氮導(dǎo)致不同酸化程度的設(shè)施菜田土壤為研究對(duì)象,采用實(shí)時(shí)定量PCR及高通量測(cè)序技術(shù),研究種植1、3、5、7和9年土壤中硝化及反硝化關(guān)鍵微生物群落結(jié)構(gòu)的演變特征,結(jié)合室內(nèi)硝化勢(shì)反硝化勢(shì)測(cè)定及田間原位觀測(cè)N2O排放規(guī)律,明確各關(guān)鍵微生物類群結(jié)構(gòu)演變后功能的變化。研究結(jié)果對(duì)制定合理的氮肥管理措施,提高氮肥利用率,降低環(huán)境負(fù)面效應(yīng)均具有實(shí)際意義。主要結(jié)果和結(jié)論如下:(1)隨著種植年限的增加,各處理土壤都發(fā)生明顯的酸化,種植1、3、5、7、9年土壤pH分別為7.00、6.33、5.69、4.88和4.31。除了土壤pH下降,土壤酸化也導(dǎo)致土壤其他理化指標(biāo)顯著改變。不同處理土壤全氮、全碳和可溶性有機(jī)碳分別在0.08-0.22%、0.69-1.5%和25.11-110.87 μg-1之間變化,均在種植5年處理含量最低。同時(shí)隨酸化程度增加土壤銨態(tài)氮含量呈不斷上升的趨勢(shì),pH為4.31處理達(dá)到166.11 mg N kg-1,但土壤NH3含量(0.55-9.07 uM)呈不斷下降趨勢(shì)。土壤硝態(tài)氮變化范圍為18.13-618.75 mg N kg-1,種植3年和9年處理顯著高于其他處理。(2)土壤酸化改變了氨氧化微生物的豐度和結(jié)構(gòu)。隨著種植年限和土壤酸度的增加,氨氧化細(xì)菌豐度呈先顯著上升,后急劇下降的趨勢(shì),種植3年處理(pH=6.33)豐度最高,種植5-9年處理(pH5.69)氨氧化細(xì)菌豐度沒有差異但均顯著小于中性處理(pH =7.00)。相比氨氧化細(xì)菌,氨氧化古菌對(duì)土壤pH有較強(qiáng)的適應(yīng)性,各處理氨氧化古菌豐度均顯著高于氨氧化細(xì)菌豐度,分別高出1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。土壤酸化顯著降低氨氧化細(xì)菌的豐度和多樣性,但對(duì)氨氧化古菌并沒有顯著影響,其中土壤pH和NH3含量是影響氨氧化細(xì)菌豐度的主要因素。土壤酸化后顯著影響氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu),但不同種群之間的酸適應(yīng)能力有明顯差別,如氨氧化古菌中OTU1、OTU4和OTU6廣泛分布在各處理中,但OTU3僅在中性處理有較高的相對(duì)豐度。通過典型相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),土壤pH、NH3含量和土壤可溶性有機(jī)碳是影響氨氧化微生物種群分布的主要因素。通過系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)大部分氨氧化細(xì)菌均屬于Mitrosospira屬,氨氧化古菌屬于Nitrosopumius屬、Nitrosotalea屬和Nitrososphaera屬。(3)隨著酸化程度增加,不同種植年限氨氧化細(xì)菌和氨氧化古菌的功能也發(fā)生轉(zhuǎn)變。在種植1-3年處理(pH6.33)中氨氧化細(xì)菌占主導(dǎo)地位,種植1年和3年處理硝化貢獻(xiàn)率分別為59.44%和61.99%;種植5年處理(pH=5.69)氨氧化古菌和氨氧化細(xì)菌地位開始轉(zhuǎn)變,此時(shí)氨氧化細(xì)菌硝化貢獻(xiàn)率達(dá)到63.22%;種植7和9年處理(pH4.88)氨氧化古菌在土壤硝化作用中占絕對(duì)地位,94.72-98.27%硝化作用由氨氧化古菌貢獻(xiàn)。相關(guān)分析表明氨氧化古菌豐度和硝化勢(shì)并無顯著相關(guān)性,但是氨氧化細(xì)菌豐度和硝化勢(shì)呈極顯著正相關(guān)性。(4)土壤酸化顯著降低反硝化微生物的豐度和多樣性,但不同反硝化微生物對(duì)pH的響應(yīng)不同。其中,nirK型反硝化微生物種群豐度隨著酸化程度增加逐漸降低;nirS型反硝化微生物種群豐度在種植3年處理最高,種植7和9年處理(pH4.88)顯著低于中性處理;而nosZ型反硝化微生物對(duì)pH比較敏感,僅在中性處理有較高的種群豐度。對(duì)比nirK型和nirS型反硝化微生物豐度發(fā)現(xiàn),各處理nirS型反硝化微生物豐度均高于nirK型反硝化微生物豐度。由相關(guān)分析可知土壤pH和nirK,nirS及nosZ型硝化微生物種群豐度和多樣性均具有顯著正相關(guān)性。和氨氧化微生物相同,土壤酸化后對(duì)nirK,nirS及nosZ型反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)影響明顯,但各種群都有自己獨(dú)特的生態(tài)位,如nirK型反硝化種群的OTU43、OTU44等僅pH為5.69的處理有較高的相對(duì)豐度。通過典型相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),土壤pH和可溶性有機(jī)碳是影響反硝化微生物種群分布的主要因素。通過系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)大部分nirS,nirK永nosZ基因型反硝化微生物種群均屬于未培養(yǎng)細(xì)菌。(5)土壤酸化顯著降低土壤反硝化勢(shì),增加N2O/(N2O+N2),促進(jìn)N2O排放。由相關(guān)分析可知,nirK型反硝化微生物豐度與土壤反硝化勢(shì)呈極顯著正相關(guān)性,而nosZ型反硝化微生物豐度與N2O/(N2O+N2)呈極顯著負(fù)相關(guān)性;此外反硝化微生物種群多樣性與土壤反硝化勢(shì)呈顯著正相關(guān),但與N2O/(N2O+N2)呈顯著負(fù)相關(guān)性。由田間N2O觀測(cè)發(fā)現(xiàn),各處理N2O累積排放量均顯著高于同期該地區(qū)傳統(tǒng)小麥玉米輪作土壤。通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),N20累積排放量與土壤反硝化勢(shì)并無相關(guān)性,而與土壤硝化勢(shì)呈極顯著正相關(guān)性。(6)此外,種植3年及9年處理土壤硝態(tài)氮含量分別高達(dá)379.59和618.75 mg N kg-1,而二者硝化潛勢(shì)均顯著高于中性處理,此時(shí)的硝酸鹽環(huán)境淋洗風(fēng)險(xiǎn)較大。
【學(xué)位授予單位】：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S154.3;S153
【圖文】：

圖３－丨不同種植年限土壤硝化勢(shì)逡逑Ｆｉｇ．邋３－１邋Ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋ｕｎｄｅｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｙｅａｒｓ邋ｏｆ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ逡逑種植年限土壤硝化勢(shì)呈先上升再下降最后再上升的趨勢(shì)，且不同差異均達(dá)顯著水ｆ。其中種植３年ｐＨ為６．３３處理土壤硝化勢(shì)最ｇ邋Ｎ邋ｋｇ＿１邋ｄ＇是種植１年中性處理的７．５倍。種植５年ｐＨ為５．６９

邐９逡逑Ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ邋ｐｅｒｉｏｄ邋（ｙｅａｒ）逡逑圖３－４氨氧化古菌與氨氧化細(xì)菌的硝化貢獻(xiàn)率逡逑Ｆｉｇ．邋３－４邋Ｈｉｅ邋ｒｅｌａｔｉｖｅ邋ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＡＯＡ邋ａｎｄ邋ＡＯＩ＾邋ｕｎｄｅｒ邋ｄｉｉＴｅｒｅｎｔ邋ｙｅａｒｓ邋ｏｆ邋ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ逡逑３．２．３氨氧化細(xì)菌及氨氧化古菌ａｗｄ基因［）ＣＲ產(chǎn)物檢測(cè)圖譜逡逑氨氧化細(xì)菌及氨氧化古菌基因ＰＣＲ產(chǎn)物片段長(zhǎng)度分別為４９１邋ｂｐ和６３５邋ｂｐ，逡逑其ＰＣＲ產(chǎn)物檢測(cè)圖譜如圖３－５、３－６，每三個(gè)為同一處理，從右到左分別為種植丨、逡逑３、５、７和邋９年。逡逑圖３－５氨氧化細(xì)菌基因丨產(chǎn)物檢測(cè)圖譜逡逑Ｆｉｇ．邋３－５邋ＰＣＲ邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ邋ｏｉ＇ａｍｏＡ邋ｏｆ邋ＡＯＢ逡逑１９逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2741859