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.pdf

1、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(guò)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(guò)程中氨氧化細(xì)菌、氨

2、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

3、量顯著低于相應(yīng)的氮肥單施（N1、N2）樣地（p<0.05）；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（p<0.05）。切根對(duì)氨氧化古菌AOB-amoA基因拷貝數(shù)無(wú)顯著影響（p>0.05）

4、，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(méi)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-amoA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-amoA基因拷貝數(shù)的因素眾多，主要為：累計(jì)礦化量（r=0.94，p<0.05）、全氮含量（r=0.96，p

5、<0.01）、硝態(tài)氮含量（r=-0.92，p<0.05）、C:N（r=-0.88，p<0.05）、N:P（r=-0.95，p<0.05）、水分含量（r=-0.93，p<0.05）、施氮量（r=-0.89，p<0.05）和施磷量（r=-0.91，p<0.05）；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，p<0.05）；影響nirK基因拷貝數(shù)的主要因素為累計(jì)硝化量（r=0.8

6、8，p<0.05）和有機(jī)質(zhì)含量（r=-0.92，p<0.05）。
　　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

7、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（p<0.05）。通過(guò)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%（p＜0.05），而切根

8、使其頻度平均降低了43.8%（p＜0.05）。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（p＜0.05），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(wú)顯著影響。氮肥施入顯著提高了草叢高度（p＜0.05），但單施磷肥對(duì)草叢高度無(wú)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（p<0.05），但對(duì)羊草和南牡蒿地上生物量無(wú)顯著影響。施氮肥增

9、加植物體氮含量，而施磷肥和切根則對(duì)其無(wú)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(wú)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(méi)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)