長期施肥和溫度對酸性旱地土壤硝化微生物和總細(xì)菌群落的影響.pdf

1、我國酸性土壤總面積高達(dá)2×108hm2，約占全國土壤面積的23％，其中一半以上土壤為農(nóng)業(yè)土壤或具有潛在的農(nóng)業(yè)價值，隨著人類對土地利用效率和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的需求增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)伴隨著大量肥料的投入，但經(jīng)濟(jì)作物對氮肥的利用率卻普遍低于40％，氮肥的過量投入導(dǎo)致土壤氮循環(huán)失衡，加劇了土壤酸化，降低了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。硝化作用是土壤氮循環(huán)的重要過程，由硝化微生物驅(qū)動，其中氨氧化過程是硝化作用的限速步驟。然而，氨氧化微生物在酸性條件下對土壤硝化作用的影響

2、尚存爭議，土壤硝化作用強(qiáng)度及氨氧化微生物對其的相對貢獻(xiàn)受多個環(huán)境因子的綜合調(diào)控，長期施肥酸性旱地土壤的土壤硝化作用及其功能微生物的季節(jié)演變尚不明確，此外，長期施用無機(jī)肥和有機(jī)肥對酸性旱地土壤總微生物群落多樣性影響也不盡相同。
　　因此本研究選用江西進(jìn)賢紅壤研究所長期定位施肥30年酸性旱地土壤為研究材料，選用(1)不施肥(CK)、(2)施氮磷鉀無機(jī)肥(NPK)、(3)施腐熟豬糞有機(jī)肥(OM)三種處理，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室微域培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)與原位土壤

3、分析實(shí)驗(yàn)，通過添加硝化抑制劑的短期培養(yǎng)并聯(lián)用定量PCR(Quantitative PCR，qPCR)、變性梯度凝膠電泳（Denaturing Gradient Gel Electrophoresis，DGGE）及Illumina MiSeq高通量測序等分子生態(tài)學(xué)技術(shù)，分析培養(yǎng)過程中發(fā)揮硝化活性的、且占據(jù)活性優(yōu)勢的硝化微生物類群，探究自養(yǎng)硝化微生物群落及活性特征并認(rèn)知其與土壤理化因子間的關(guān)系，明確長期施肥酸性旱地土壤硝化活性的季節(jié)演變特征

4、以及酸性旱地土壤中氨氧化古菌（Ammonia-oxidizing archaea，AOA）和細(xì)菌（Ammonia-oxidizing bacteria，AOB）在不同培養(yǎng)溫度下對氨氧化過程的相對貢獻(xiàn)，研究長期施無機(jī)肥和有機(jī)肥對酸性旱地土壤中總微生物群落多樣性的影響，比較二者影響的異同，分析影響群落變化的主要環(huán)境因子。
　　結(jié)果顯示，施肥對土壤理化性質(zhì)有顯著影響，供試土壤自養(yǎng)硝化作用占總硝化速率的73.60％～85.32％，施肥顯著

5、提升土壤自養(yǎng)硝化活性，其中施有機(jī)肥提升效果更為明顯;OM土壤氨AOA和AOB amoA基因絕對豐度及16S rRNA基因相對豐度顯著上升，而CK和NPK土壤僅AOA相對豐度顯著上升，即3種土壤AOA均有明顯活性（主要類群為Nitrososphaera，＞99.30％），而AOB僅在OM土壤有活性（主要類群為Nitrosospira，＞99.99％），另外還發(fā)現(xiàn)OM土壤中亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)有較強(qiáng)活性（主要類群為Nitrospira

6、，＞96.69％）;逐步回歸分析顯示自養(yǎng)硝化活性與總氮含量顯著正相關(guān)，AOA和AOB amoA基因豐度分別受有機(jī)碳含量和pH的顯著影響，Nitrososphaera相對豐度與NO3--N含量顯著正相關(guān)，而Nitrosospira和Nitrospira相對豐度則與C/N顯著負(fù)相關(guān)。在4℃～23℃土壤硝化活性較低，CK、NPK和OM土壤的最高土壤硝化速率分別為2.29mg·(kg·d)-1、6.00mg·(kg·d)-1和11.58mg·(

7、kg·d)-1，而在夏季23℃～35℃土壤硝化活性最高，三種土壤的最高土壤硝化速率分別為5.19mg·(kg·d)-1、7.62mg·(kg·d)-1和14.25mg·(kg·d)-1。CK、NPK和OM土壤中AOB貢獻(xiàn)的自養(yǎng)硝化作用分別在28℃、18℃和18℃達(dá)到峰值，AOA貢獻(xiàn)的自養(yǎng)硝化作用均在35℃達(dá)到峰值。隨著溫度的上升，AOA對自養(yǎng)硝化作用的貢獻(xiàn)逐漸上升并占據(jù)主導(dǎo)，施無機(jī)肥和有機(jī)肥未改變土壤AOA的對溫度的響應(yīng)，但AOB活性最

8、高溫度顯著降低。C8H14作為土壤硝化抑制劑其抑制效果與施加濃度正相關(guān)，選用0.5％的添加濃度作為區(qū)分CK和NPK土壤中AOA和AOB對土壤硝化作用的相對貢獻(xiàn)時效果最佳。相較于長期施化肥，長期施有機(jī)肥顯著改變了酸性紅壤的細(xì)菌群落組成和多樣性。ABT（Aggregated Boosted Tree）分析發(fā)現(xiàn)土壤pH是細(xì)菌群落的總重要的環(huán)境因子。此外，施有機(jī)肥顯著改變了例如代謝和遺傳基因信息處理等代謝途徑和功能基因的相對豐度。結(jié)果顯示施有機(jī)