【摘要】：蓄水坑灌法作為一種在北方干旱、半干旱地區(qū)進(jìn)行推廣的新型節(jié)水灌溉方法,目前已經(jīng)針對(duì)土壤氮素分布規(guī)律,灌溉水分遷移規(guī)律等做了大量研究。結(jié)果顯示蓄水坑灌能顯著提高土壤氮肥利用率、果品品質(zhì)及產(chǎn)量,且大量研究表明上述指標(biāo)的提高與土壤水氮運(yùn)移轉(zhuǎn)化及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化有很大關(guān)系。而蓄水坑灌法尚未從微生態(tài)環(huán)境變化角度開(kāi)展此項(xiàng)研究,故本研究對(duì)蓄水坑灌不同體系溫度條件下土壤水分及氮素空間分布特征,水氮熱耦合作用下土壤微生物量碳、微生物量氮、土壤酶的空間分布特征進(jìn)行了深入分析,并采用PLFA分析方法對(duì)微生物數(shù)量、組成、分布進(jìn)行了探究,同時(shí)利用Illumina Miseq高通量測(cè)序法從分子水平定量分析了不同灌溉處理下根際土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的組成、豐度、遺傳多樣性,采用聚類分析、PCA主成分分析、RDA冗余分析、Heatmap熱點(diǎn)圖分析等手段,對(duì)不同處理樣本微生物的群落組成、變化與環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行了深入探究,研究結(jié)論如下:(1)通過(guò)對(duì)蓄水坑灌不同體系溫度下水分分布特征研究,得出入滲初期土壤水分徑向遷移速率顯著高于垂向遷移速率,隨時(shí)間推移徑向與垂向遷移速率逐漸降低;隨溫度升高土壤中水分的遷移速率逐漸加快,且徑向水分遷移距離增量與垂向水分遷移距離增量均隨時(shí)間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系;再分布階段不同時(shí)間點(diǎn)的二維含水率等值線形狀呈近似“鴨梨狀”;隨著時(shí)間的推移各溫度條件下徑向河垂向遷移距離均逐漸增大,并表現(xiàn)出蓄水坑壁附近土壤水分向遠(yuǎn)離蓄水坑壁區(qū)域再分布、濕潤(rùn)土體內(nèi)含水率分布逐漸均一的現(xiàn)象,且溫度的升高能加快土壤水分的再分布速率。(2)為明確氮素遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理,對(duì)不同體系溫度下氮素分布特征進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示體系溫度升高不僅能加快尿素水解反應(yīng)的速率,同時(shí)可促進(jìn)硝化反應(yīng)進(jìn)程、抑制銨態(tài)氮的積累;當(dāng)溫度為25℃~35℃時(shí),15d左右基本可完成尿素的水解過(guò)程;但體系溫度的升高對(duì)銨態(tài)氮的徑向遷移速率無(wú)顯著影響;低溫條件下土壤的硝化作用較弱,隨溫度的升高土壤硝化作用逐漸增強(qiáng),硝化反應(yīng)最適溫度為25℃~35℃;且當(dāng)土壤中含水率過(guò)高時(shí),將抑制其硝化反應(yīng)進(jìn)程。(3)結(jié)合蓄水坑灌水氮分布特征,進(jìn)一步開(kāi)展了水氮熱耦合作用下土壤微生物量碳、氮遷移轉(zhuǎn)化特征研究,結(jié)果表明蓄水坑灌垂向空間各處理的微生物量碳(SMBC)、微生物量氮(SMBN)含量隨土層的加深而下降,相比地面灌溉,蓄水坑灌下SMBC、SMBN含量下降緩慢;徑向空間各處理的SMBC、SMBN含量表現(xiàn)為地面灌溉(G4處理)隨距樹(shù)干距離的增加而降低,最高值出現(xiàn)在距樹(shù)干20cm處;蓄水坑灌(G1、G2、G3處理)0-30cm土層內(nèi)SMBC、SMBN含量隨距樹(shù)干距離的增加先升高后降低,距樹(shù)干35cm處的最高,距樹(shù)干50cm處的最低,30-70cm及70-100cm土層內(nèi)隨距樹(shù)干距離的增加而升高,最高值出現(xiàn)在距樹(shù)干50cm處。(4)從酶活性變化角度,對(duì)水氮熱耦合作用下蓄水坑灌根際土壤微生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了研究,結(jié)果表明不同灌溉處理的脲酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶活性在垂向空間均表現(xiàn)為地面灌溉(G4處理)下隨深度的增加活性逐漸降低,最高值出現(xiàn)在表土層(0-30cm),蓄水坑灌(G1、G2、G3處理)下隨深度的增加活性先升高后降低,最高值出現(xiàn)在中深層(30-70cm);不同處理下水、氮灌施后伴隨再分布時(shí)間土壤酶(脲酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶)活性均呈現(xiàn)先增大后減小,最后保持平穩(wěn)的變化特征,3d時(shí)達(dá)到最高值,其中脲酶和磷酸酶活性在灌施后1-15d之內(nèi)先升高后下降,15d之后基本維持在一固定水平,轉(zhuǎn)化酶活性則在灌施后1-7d之內(nèi)先升高后下降,7d之后在一穩(wěn)定值內(nèi)輕微波動(dòng)變化;且土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶活性均與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。不同灌溉處理的脲酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶活性在徑向空間均表現(xiàn)為地面灌溉(G4處理)下隨距樹(shù)干距離的增加而降低,最高值出現(xiàn)在20cm處;蓄水坑灌(G1、G2、G3處理)下0-30cm土層內(nèi)隨距樹(shù)干距離的增加先升高后降低,距樹(shù)干35cm處的酶活性最高,50cm處的最低,30-70cm及70-100cm土層內(nèi)隨距樹(shù)干距離的增加而升高,最高值出現(xiàn)在距樹(shù)干50cm處;地面灌溉在表土層(0-30cm)的酶(脲酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶)活性高于蓄水坑灌,蓄水坑灌則在中深層(30-70cm、70-100cm)的酶活性高于地面灌溉,蘋果樹(shù)的根系在中深層分布的多,而中深層較高的脲酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶活性有助于根系對(duì)土壤中氮、碳及磷等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收,對(duì)果樹(shù)的生長(zhǎng)更有利,加之蓄水坑灌直接把水肥灌施在果樹(shù)根部,減少了地表蒸發(fā),有較大的節(jié)水潛力,從土壤酶活性及節(jié)水性角度說(shuō)明蓄水坑灌這一新型灌溉方法的優(yōu)越性之所在。(5)采用PLFA磷酸脂肪酸分析法,深入探究了不同灌溉方式及年限對(duì)土壤微生物數(shù)量及種類分布的影響,發(fā)現(xiàn)蓄水坑灌改變了土壤中微生物的種類,其中地面灌溉(DM)PLFA種類數(shù)為18類,蓄水坑灌1年(XY)PLFA種類數(shù)為17類,蓄水坑灌3年(XS)PLFA種類數(shù)為19類,表明蓄水坑灌改變了原有微生物的生活環(huán)境,部分微生物由于不適應(yīng)新環(huán)境而減少、死亡甚至淘汰,經(jīng)過(guò)三年的馴化,其與新環(huán)境相適應(yīng),大量繁殖甚至衍生出了新的微生物。通過(guò)對(duì)土壤微生物群落分布的分析表明,蓄水坑灌對(duì)革蘭氏陰性菌(G-)含量影響不大,而真菌含量在逐漸升高;細(xì)菌呈現(xiàn)先降后升趨勢(shì),放線菌和革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)則逐漸降低。(6)通過(guò)引入Illumina Miseq高通量測(cè)序法,從分子學(xué)角度探究了蓄水坑灌微生物遺傳多樣性、組成結(jié)構(gòu)差異及其與土壤中水氮等環(huán)境因子的關(guān)系,結(jié)果表明細(xì)菌16S r RNA和真菌18s DNA的基因遺傳多樣性在不同類型的土壤中均存在差異,不同灌溉類型對(duì)根際土壤中細(xì)菌和真菌微生物群落多樣性的影響基本一致,物種豐富度、多樣性和均勻性指數(shù)大小依次為:蓄水坑灌3年(XS)地面灌溉(DM)蓄水坑灌1年(XY);優(yōu)勢(shì)度指數(shù)依次為:蓄水坑灌1年(XY)地面灌溉(DM)蓄水坑灌3年(XS)。這主要由于蓄水坑灌1年(XY)模式下新坑的構(gòu)建破壞了原有土壤結(jié)構(gòu),阻斷了土壤水分、養(yǎng)分、微生物表層橫向毛細(xì)管運(yùn)輸通道;同時(shí)與地面灌溉相比,土壤水分、養(yǎng)分的遷移途徑均產(chǎn)生了很大的改變,從而改變了果樹(shù)根際土壤微環(huán)境,并誘導(dǎo)著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。而伴隨著蓄水坑灌時(shí)間的增加,新的灌溉模式下土壤中水分、養(yǎng)分逐漸向蓄水坑的斜下方遷移,加快了下層土壤的熟化,并重新構(gòu)建了水分、養(yǎng)分、微生物中深層運(yùn)輸通道,故微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性與豐富度也隨著灌溉年限的增加而增加。(7)不同灌溉方式及年限下根際土壤中真菌和細(xì)菌DNA測(cè)序結(jié)果顯示,研究區(qū)微生物土壤群落細(xì)菌主要位于33個(gè)門、397屬。其中細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌門主要包括:Proteobacteria(變形菌門)、Acidobacteria(酸桿菌門)、Actinobacteria(放線菌門)、Chloroflexi(綠彎菌門)、Planctomycetes(浮霉菌門)、Gemmatimonadetes(芽單胞菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)和Nitrospirae(硝化螺旋菌門),其中Proteobacteria變形菌門是最優(yōu)勢(shì)菌門;研究區(qū)微生物土壤群落真菌主要位于28門、86屬,土壤真菌優(yōu)勢(shì)門類主要包括:Ascomycota(子囊菌門)、Basidiomycota(擔(dān)子菌門)和Zygomycota(接合菌門),其中子囊菌門是豐度最大的真菌門。(8)通過(guò)不同灌溉方式及年限下根際土壤微生物組成與差異分析,土壤樣本中微生物的主成分(PCA)分析與聚類分析結(jié)果一致,均表明長(zhǎng)時(shí)間蓄水坑灌溉會(huì)對(duì)土壤中真菌和細(xì)菌的組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;相比地面灌溉,蓄水坑灌改變了土壤中水分、養(yǎng)分運(yùn)輸通道,誘導(dǎo)微生物向30-70cm深層聚集,極大改變了蘋果樹(shù)根際土壤微生態(tài)環(huán)境,致使部分微生物逐漸因不適應(yīng)新環(huán)境而發(fā)生死亡,逐漸被淘汰,同時(shí)馴化其他與新環(huán)境相適應(yīng)的微生物,大量繁殖,造成不同組別微生物組成結(jié)構(gòu)的差異。(9)深入探究了環(huán)境因子與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性,結(jié)果顯示,NO3-N、NH4-N、MC、SMBC和SMBN等環(huán)境因子均對(duì)土壤中微生物群落變化有影響,RDA冗余分析結(jié)果表明蓄水坑灌造成的SMBN和NO3-N變化,是引起土壤微生物真菌群落變化的主要因子;Heatmap圖分析表明,NO3-N的積累主要引起了OTU119(Ascomycota)群落的增加,SMBN的增加則引起了OTU119(Ascomycota)和OTU97(Basidiomycota)的增加。同時(shí)蓄水坑灌造成的NO3-N在土壤中深層積累,也是造成土壤微生物細(xì)菌群落變化的主因,其主要促進(jìn)了OTU809(Actinobacteria)、OTU868(Gemmatimonadetes)、OTU877(Chloroflexi)、OTU1236(Thermotogae)、OTU1035(Thermotogae)等細(xì)菌門類的增長(zhǎng)。論文從微生態(tài)角度對(duì)蓄水坑灌土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性進(jìn)行了探究,得出一些有益結(jié)論,為蓄水坑灌節(jié)水理論的完善提供了理論支持。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S275

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本文編號(hào)：2365801