长期施肥对土壤产甲烷和氨氧化微生物的影响

【摘要】：土壤微生物是气候和土壤环境的敏感指示者,另一方面土壤质量的改变也会对土壤微生物产生重要影响。施肥是农田土壤重要的日常管理措施,它能有效改善土壤营养元素的利用率、有机质含量、阳离子交换率(CEC)、持水量(WHC)、 pH和Eh等,从而对土壤微生物群落产生影响。红壤是一种典型的亚热带土壤,广泛分布于我国的东南部地区(长江以南,云贵高原以东),覆盖陆地面积113万平方公里,约占我国陆地总面积的11.8%,供养的人口总数达到国家人口总数的22.5%。红壤的风化和淋溶作用强烈,低pH和N、P供应不足是其显著特点。研究长期施肥对红壤碳氮转化功能微生物及其功能的影响,可为农业生产中科学施肥、提高作物产量和环境保护提供理论依据。 本研究以不同施肥、地下水位管理稻田红壤为研究对象,通过分析磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)研究了不同施肥、地下水位管理对土壤微生物多样性的影响。试验地设置了6种处理：高地下水位化肥(HCF)、低地下水位化肥(LCF)、高地下水位常量有机肥(HNOM)、低地下水位常量有机肥(LNOM)、高地下水位高量有机肥(HHOM)和低地下水位高量有机肥(LHOM)。从供试土壤样品中共检测出44种PLFA类型,其中32种细菌PLFA,3种真菌PLFA和3种放线菌PLFA。不同施肥、地下水位管理土壤总PLFA量无显著差异(p0.05)。不同处理土样的细菌和G-菌PLFA量存在差异,LHOM处理最高,而HNOM处理最低,且两个处理间差异显著(p0.05),不同处理土样的真菌和放线菌PLFA量无显著差异。不同施肥土壤处理的厌氧菌PLFA/好氧菌PLFA的比值存在差异,施化肥的处理均低于施有机肥的处理,其中LCF与LHOM这两个处理的厌氧菌与好氧菌PLFA含量的比值差异显著(p0.05)。双因素方差分析显示,地下水位高低显著影响了各处理土壤PLFA类型、总PLFA含量、细菌PLFA含量,而施肥和地下水位的协同作用显著影响了真菌PLFA含量。 本文还采用荧光定量PCR及PCR-DGGE等现代分子生态学手段、研究了不同施肥、地下水位管理及添加硝酸盐对土壤产甲烷古菌群落和及产甲烷功能的影响。HHOM的产甲烷速率显著最高(p0.05),而施无机肥土壤(HCF和LCF)产甲烷速率显著最低(p0.05),施高量有机肥土壤(HHOM和LHOM)产甲烷速率显著高于施无机肥土壤(p0.05)。HNOM处理的产甲烷古菌16SrRNA基因丰度比其他处理显著较高(p0.05),且其他处理产甲烷古菌16SrRNA基因丰度无显著差异(p0.05)。分析显示,施肥显著影响了土壤产甲烷速率,显著改变了土壤产甲烷群落丰度和组成：地下水位高低没有显著影响土壤产甲烷速率,但显著改变了土壤产甲烷群落丰度和组成。添加硝酸盐培养后,不同施肥、地下水位管理土壤产甲烷速率均有所降低,其中LNOM、HHOM和LHOM土壤产甲烷速率显著降低(p0.05),施用化肥土壤产甲烷速率接近为零。添加硝酸盐培养显著降低了土壤产甲烷古菌16S rRNA基因拷贝数(p0.05)。 本研究采用荧光定量PCR和PCR-DGGE等方法对不同施肥土壤AOA (Ammonia oxidizing archaea)和AOB (Ammonia oxidizing bacteria)的丰度和组成进行了分析。选取江西鹰潭红壤站长期定位施肥玉米地为试验地,该试验地设置有不施肥对照(CK)、施氮肥(N)、施氮磷钾肥(NPK)、施有机肥(OM)、施有机肥同时施氮磷钾肥(NPK+OM)等施肥处理。结果显示,长期施用有机肥后,土壤中古菌和细菌amoA基因的丰度均显著增加。施用有机肥的土壤中AOA的香农指数和丰富度指数最高,施无机肥其次,不施肥对照最低。而AOB仅丰富度指数是施有机肥处理高于不施肥对照。可见,相比于AOB群落结构,施肥对AOA群落结构影响更大。系统发育分析显示不同施肥处理中,大部分AOA的序列属于1.1b thaumarchaea,仅有1条序列属于1.1a-associated thaumarchaea。 【关键词】：红壤 甲烷产生速率 微生物多样性 产甲烷古菌 氨氧化古菌 氨氧化细菌 DGGE qPCR PLFA
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S154.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 文献综述10-23
• 1.1 施肥对土壤壤微生物多样性的影响10-15
• 1.1.1 土壤微生物多样性及研究方法10-13
• 1.1.2 长期定位施肥对红壤微生物多样性的影响13-15
• 1.2 施肥对土壤甲烷排放及产甲烷功能微生物的影响15-20
• 1.2.1 稻田土壤CH_4排放及其影响因素15-18
• 1.2.2 产甲烷功能微生物及其影响因素18-19
• 1.2.3 长期定位施肥对土壤甲烷排放及产甲烷功能微生物的影响19-20
• 1.3 施肥对土壤硝化作用及硝化微生物的影响20-23
• 1.3.1 土壤硝化作用及其功能微生物20-21
• 1.3.2 旱地土壤硝化作用影响因素21-22
• 1.3.3 长期定位施肥对红壤硝化作用及硝化微生物的影响22-23
• 第二章 研究背景和研究内容23-28
• 2.1 研究目的与意义23-24
• 2.2 研究地概况24-26
• 2.2.1 长期定位施肥试验玉米地24-25
• 2.2.2 不同施肥和地下水位管理水稻土25-26
• 2.3 研究内容及技术路线图26-28
• 2.3.1 研究内容和拟解决的科学问题26-27
• 2.3.2 技术路线图27-28
• 第三章 不同施肥、地下水位管理对水稻土微生物多样性的影响28-39
• 3.1 前言28
• 3.2 材料与方法28-30
• 3.2.1 土壤采集28-29
• 3.2.2 土壤的基本理化性质测定29
• 3.2.3 磷脂脂肪酸分析(PLFA)29-30
• 3.3 结果与分析30-37
• 3.3.1 土壤基本理化性质30
• 3.3.2 不同施肥、地下水位管理对水稻土微生物总PLFA的影响30-34
• 3.3.3 不同施肥、地下水位管理对水稻土真菌PLFA/细菌PLFA的影响34-36
• 3.3.4 不同施肥、地下水位管理对水稻土厌氧菌PLFA/好氧菌PLFA的影响36-37
• 3.4 讨论37-38
• 3.5 小结38-39
• 第四章 不同施肥、地下水位管理及添加硝酸盐培养对水稻上产甲烷古菌的影响39-53
• 4.1 前言39-40
• 4.2 材料与方法40-43
• 4.2.1 土样采集40
• 4.2.2 微域设置40
• 4.2.3 CH_4的采集和测定40-41
• 4.2.4 土壤样品的采集及无机氮含量的测定41
• 4.2.5 土壤DNA的提取及分子生态分析41-43
• 4.2.6 数据分析43
• 4.3 结果43-51
• 4.3.1 不同施肥、地下水位及添加硝酸盐培养处理对土壤无机氮含量的影响43-45
• 4.3.2 不同施肥、地下水位及添加硝酸盐培养对土壤产甲烷速率的影响45-46
• 4.3.3 不同施肥、地下水位及添加硝酸盐培养对土壤产甲烷古菌丰度的影响46-47
• 4.3.4 不同施肥、地下水位及添加硝酸盐培养对土壤产甲烷古菌群落组成的影响47-51
• 4.4 讨论51-52
• 4.5 小结52-53
• 第五章 施肥对旱地红壤硝化微生物和群落结构的影响53-66
• 5.1 前言53-54
• 5.2 材料与方法54-58
• 5.2.1 土样采集54
• 5.2.2 研究方法54
• 5.2.3 土壤DNA提取及分子生态分析54-58
• 5.3 结果和分析58-62
• 5.3.1 长期施肥处理土壤pH及养分含量58-59
• 5.3.2 长期施肥对土壤AOB和AOA amoA基因丰度的影响59-60
• 5.3.3 长期施肥对土壤AOB和AOA群落结构的影响60-62
• 5.4 讨论62-64
• 5.5 小结64-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 总结66-67
• 6.2 研究特色和创新点67
• 6.3 研究展望67-68
• 参考文献68-80
• 附录80-81
• 致谢81

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