長期施肥下根際碳氮轉(zhuǎn)化與微生物多樣性研究.pdf

1、根際碳氮循環(huán)對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及植物養(yǎng)分有效性具有重要影響。利用肥料長期定位試驗(yàn)可確切認(rèn)識不同施肥制度下根際微生物參與土壤碳氮轉(zhuǎn)化的機(jī)制，其闡明施肥的效應(yīng)是短期試驗(yàn)所不能比擬。本論文以華北石灰性潮土長達(dá)36年的肥料長期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用變性梯度凝膠電泳(DGGE)、磷脂脂肪酸分析(PLFA)、穩(wěn)定同位素探針(SIP)、定量PCR、454高通量測序、Illumina MiSeq測序等現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)技術(shù)，結(jié)合大田與盆栽試驗(yàn)，研究長期施用有機(jī)肥

2、料和無機(jī)肥料下作物（小麥和玉米）根際微生物群落結(jié)構(gòu)與酶學(xué)特性、根際碳沉積轉(zhuǎn)化過程、根際氨氧化過程、以及根際反硝化過程。論文取得的主要進(jìn)展如下:
　　1.長期施肥下作物產(chǎn)量與根際養(yǎng)分的變化特征。小麥和玉米根際pH顯著低于非根際土壤，而全量、速效養(yǎng)分（NO3--N除外）含量高于非根際土壤。施用化肥或有機(jī)肥均可以顯著提高作物產(chǎn)量，其中小麥產(chǎn)量較CK提高344％～521％，玉米產(chǎn)量較CK提高63％～68％;然而有機(jī)肥不僅具有增產(chǎn)效應(yīng)，還能

3、夠增加根際有機(jī)碳和全氮含量，對培肥地力貢獻(xiàn)較大。
　　2.長期施肥下根際微生物量與胞外酶活性的消長規(guī)律。小麥根際土壤微生物量碳、氮和磷分別是非根際土壤的1.9、2.5和1.8倍，而微生物量碳/氮比值顯著低于非根際土壤，表明更多的氮素被暫時(shí)固定在根際微生物體內(nèi)，成為小麥氮素營養(yǎng)的潛在來源之一;化肥對根際微生物量影響不大，相反，有機(jī)肥處理下根際微生物量氮、磷提高85.8％～178.3％。作物根系對土壤酶具有明顯的激發(fā)效應(yīng)，根際11種胞

4、外酶活性較非根際平均增加87％;長期施用有機(jī)肥提高了石灰性潮土α-葡萄苷酶、β-木糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡糖苷酶、磷酸酯酶和脲酶活性;然而，化肥對根際中大部分胞外酶活性具有抑制作用。
　　3.長期施肥下根際微生物群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機(jī)制。根際土壤PLFA總量較非根際平均增加84％，而G+/G-、細(xì)菌/真菌和放線菌/真菌比值均低于非根際土壤。長期施用有機(jī)肥顯著提高了土壤PLFA總量，其含量是CK的1.7～2.0

5、倍，微生物群落結(jié)構(gòu)也顯著不同于化肥處理。根際土壤中，G+/G-比值受有機(jī)肥影響較大，增幅為34.3％～36.9％，而細(xì)菌、真菌和放線菌豐度在化肥和有機(jī)肥處理間差異不顯著。有機(jī)碳、氮素和pH是影響PLFA總量和群落結(jié)構(gòu)變異的重要因子。DGGE測序分析表明變形菌(Proteobacteria)是石灰性潮土的優(yōu)勢菌群之一，且有機(jī)肥促進(jìn)變形菌的生長。
　　4.長期施肥下根際碳沉積的分解過程。小麥根際碳沉積分解轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的細(xì)菌類

6、群為變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門（Actinobacteria），二者占整個(gè)13C-根系分泌物標(biāo)記微生物組的70％;而根際酸桿菌(Acidobacteria)、綠彎菌(Chloroflexi)、厚壁菌(Firmicutes)、擬桿菌(Bacteroidetes)主要參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解。施用32年有機(jī)肥后，石灰性潮土細(xì)菌多樣性顯著增加;而化肥處理選擇性地刺激了少數(shù)微生物的生長，例如放線菌和硝化螺菌(Nitrospi

7、rae)，導(dǎo)致土壤微生物多樣性降低。
　　5.長期施肥下根際氮素的氨氧化過程。不同施肥處理下小麥、玉米根際土壤硝化潛勢在1.5～3.1 tg NO3--N g-1 h-1之間，較非根際平均增加42.7％;研究表明，石灰性潮土氨氧化過程主要由氨氧化細(xì)菌(AOB)主導(dǎo)，而不是氨氧化古菌(AOA)，盡管后者在數(shù)量上是前者的10倍。施用氮肥對根際氨氧化過程影響較大，顯著改變了AOB群落結(jié)構(gòu)，有利于亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）第

8、3和4簇多樣性的增加;而有機(jī)肥顯著增加AOA數(shù)量，平均增幅為113.2％，對土壤硝化潛勢和AOB數(shù)量的影響小于化肥處理。
　　6.長期施肥下根際氮素的反硝化過程。小麥根系內(nèi)部存在一個(gè)獨(dú)特的反硝化過程。施肥后根系內(nèi)生反硝化菌數(shù)量豐富，nirK、nirS和nosZ基因數(shù)量均能達(dá)到1.0×109 copiesg-1 dwroot以上，且N2O/(N2O+N2)比值高于土壤部分。MiSeq測序結(jié)果表明，根系中nirK型、nirS型和nos

9、Z型反硝化內(nèi)生菌群落組成更加簡單，多樣性更低，其中79％集中分布在假單胞菌目、黃單胞菌目、伯克氏菌目、根瘤菌目和紅細(xì)菌目?；驶蛴袡C(jī)肥均顯著降低了根系nirK/nirS比值，提高了根系N2O釋放比例。
　　總之，長期單施化肥提高了石灰性潮土根際放線菌、硝化螺菌數(shù)量，尤其促進(jìn)了AOB生長，加速銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，但降低了土壤微生物多樣性及根際胞外酶活性;而長期配施有機(jī)肥可增加根際綠彎菌、擬桿菌及厚壁菌數(shù)量，增加氨氧化古菌及反硝化基因