發(fā)布時(shí)間：2017-12-23 04:26

  本文關(guān)鍵詞：半干旱羊草草原土壤氮素轉(zhuǎn)化與關(guān)鍵微生物特性研究　出處：《中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：長(zhǎng)期不合理利用導(dǎo)致我國(guó)半干旱羊草草原生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分大量輸出,草地植被退化、土壤貧瘠、生產(chǎn)力低下的現(xiàn)象普遍存在。施肥和切根是改良和維持草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的重要管理措施。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,從基因水平研究土壤微生物主要功能類群在土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中的作用,為評(píng)價(jià)土壤氮素循環(huán)提供了新途徑。本試驗(yàn)于2014和2015年在河北省張家口市塞北管理區(qū)羊草草原,圍繞施肥和切根對(duì)草地土壤氮素形態(tài)及轉(zhuǎn)化特征的影響,研究了土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中氨氧化細(xì)菌、氨氧化古菌、固氮菌和反硝化菌功能基因豐度以及氨氧化細(xì)菌和古菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)施肥和切根的響應(yīng)規(guī)律,探討了管理措施影響草地土壤氮素轉(zhuǎn)化的途徑與機(jī)理,并結(jié)合土壤呼吸,酶活性以及土壤理化性質(zhì)和植被特征幾個(gè)層面,評(píng)價(jià)了管理措施對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響。主要研究結(jié)果如下:1.管理措施影響草地土壤氮素轉(zhuǎn)化。施氮肥后,草地5、6、7月土壤硝化、礦化作用強(qiáng)烈;切根樣地6、7月土壤硝化和礦化作用顯著強(qiáng)于對(duì)照樣地。氮磷配施(N1P、N2P)樣地土壤銨態(tài)氮含量顯著低于相應(yīng)的氮肥單施(N1、N2)樣地(p0.05);高氮肥(N2、N2P)樣地土壤硝態(tài)氮含量高于其他施肥和切根樣地(N1、N1P、P、WC)處理,增加了硝酸鹽淋溶損失和污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。2.土壤氮素轉(zhuǎn)化關(guān)鍵微生物功能基因豐度受管理措施的影響。氨氧化細(xì)菌AOB-amoA和固氮菌nifH基因拷貝數(shù)對(duì)施肥反應(yīng)敏感,尤其氮磷配施使兩者顯著提高(p0.05)。切根對(duì)氨氧化古菌AOB-amoA基因拷貝數(shù)無顯著影響(p0.05),使AOA-amoA基因拷貝數(shù)提高了53.91%,nifH基因拷貝數(shù)降低了43.99%。施肥和切根對(duì)反硝化菌nirK基因拷貝數(shù)沒有明顯的影響。土壤氮轉(zhuǎn)化功能基因拷貝數(shù)與土壤因子的偏相關(guān)分析表明,影響AOA-amo A基因拷貝數(shù)的主要因素為土壤pH(r=0.74,p=0.155)和全氮含量(r=0.70,p=0.170);影響AOB-amo A基因拷貝數(shù)的因素眾多,主要為:累計(jì)礦化量(r=0.94,p0.05)、全氮含量(r=0.96,p0.01)、硝態(tài)氮含量(r=-0.92,p0.05)、C:N(r=-0.88,p0.05)、N:P(r=-0.95,p0.05)、水分含量(r=-0.93,p0.05)、施氮量(r=-0.89,p0.05)和施磷量(r=-0.91,p0.05);影響nifH基因拷貝數(shù)的主要因素為壤累計(jì)礦化量(r=0.76,p=0.072)和全磷含量(r=-0.92,p0.05);影響nirK基因拷貝數(shù)的主要因素為累計(jì)硝化量(r=0.88,p0.05)和有機(jī)質(zhì)含量(r=-0.92,p0.05)。3.管理措施改變了土壤氨氧化古菌(AOA)與氨氧化細(xì)菌(AOB)群落結(jié)構(gòu)。研究區(qū)草地土壤氨氧化微生物AOA群落組成以泉古菌門(Crenarchaeota)為優(yōu)勢(shì)類群,AOB以變形菌門(Proteobacteria)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。切根對(duì)草地土壤氨氧化微生物有顯著的影響。切根增加了AOA群落的豐富度指數(shù),表明切根有利于AOA群落的生長(zhǎng);但切根使AOB群落變形菌門豐度指數(shù)顯著降低。施氮肥尤其是高氮磷配施使土壤AOB物種豐富度指數(shù)顯著提高(p0.05)。通過土壤氨氧化微生物群落與土壤理化性質(zhì)的冗余分析發(fā)現(xiàn),影響土壤AOB群落結(jié)構(gòu)的主要因素為土壤有機(jī)質(zhì)(p=0.004)和氮肥施入量(p=0.038);影響土壤AOA群落的最主要因子土壤pH(p=0.044),其次為磷肥施入量和土壤全磷含量。4.管理措施影響草地植被群落和種群特征。施肥使克氏針茅頻度平均增加了43.1%(p0.05),而切根使其頻度平均降低了43.8%(p0.05)。磷肥單施提高了南牡蒿頻度,但高氮單施使其頻度顯著降低(p0.05),而切根使導(dǎo)致其頻度平均降低了24.2%。單施磷肥導(dǎo)致羊草頻度降低,而施氮肥和切根對(duì)其頻度無顯著影響。氮肥施入顯著提高了草叢高度(p0.05),但單施磷肥對(duì)草叢高度無顯著影響。高氮磷混施使得羊草草地淺層地下生物量下降30%以上。氮肥施入顯著提高了雜類草的生物量(p0.05),但對(duì)羊草和南牡蒿地上生物量無顯著影響。施氮肥增加植物體氮含量,而施磷肥和切根則對(duì)其無顯著影響。氮磷肥混施增加了南牡蒿和羊草的磷含量,切根對(duì)針茅和雜類草磷含量無顯著影響。氮磷配施提高了羊草、針茅和南牡蒿的N:P。5.管理措改變了土壤呼吸、酶活性以及理化性質(zhì)。施氮肥使草地土壤全氮的含量平均提高了20.9%。氮磷混施可提高草地土壤全磷含量,但單施磷肥對(duì)土壤全磷含量沒有影響。草地土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率均未受到施肥和切根處理顯著影響。施肥和切根處理草地生長(zhǎng)季土壤呼吸速率表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì),其中最高值在9月初出現(xiàn),最低值出現(xiàn)在10月中旬。高氮施入后草地土壤呼吸速率增加,生長(zhǎng)季月排放量最大值為108.01 g CO2/m2,最小值為44.50 g CO2/m2。土壤溫度是影響草地土壤呼吸速率的主要因素,土壤呼吸速率與土壤溫度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.5943,p=0.031)。切根處理顯著提高了土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性,但高氮肥施入使土壤脲酶活性降低。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S812.2

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本文編號(hào)：1322435