我國亞熱帶土壤碳氮轉(zhuǎn)化微生物及其功能研究.pdf

1、我國亞熱帶地區(qū)面積遼闊，占國土面積的21％，是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)酸性土壤在世界上占有獨特的地位，該地區(qū)土壤具有pH低、高度風(fēng)化、氧化勢高等特點。我國亞熱帶地區(qū)土壤碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)與環(huán)境變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等密切相關(guān)，了解碳、氮轉(zhuǎn)化微生物特性及其生態(tài)功能對把握該地區(qū)碳、氮地球生物化學(xué)循環(huán)規(guī)律、發(fā)展該地區(qū)可持續(xù)綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。
　　本研究選取亞熱帶地區(qū)典型水稻種植區(qū)（湖北武漢）稻田土壤為研究對象，測定田間原位和溫室盆栽

2、條件下種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻（以下簡稱Bt水稻）對土壤主要溫室氣體(CH4、CO2和N2O)排放的影響，采用定量PCR(Quantitative PCR,qPCR)、PCR-DGGE等現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)手段測定種植Bt水稻對溫室氣體排放相關(guān)功能微生物的影響，并采用穩(wěn)定同位素核酸標(biāo)記技術(shù)來分析種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻對土壤功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌群落的影響，以了解該地區(qū)C轉(zhuǎn)化微生物群落特征及其功能。主要結(jié)果如下:
　　(1)田間原位和溫室盆栽實驗

3、結(jié)果均顯示種植Bt水稻顯著的、持久的降低了土壤CH4、N2O和CO2排放通量，對產(chǎn)甲烷古菌、甲烷氧化細(xì)菌、產(chǎn)N2O功能微生物、N2O還原功能微生物群落也有顯著影響。種植Bt水稻顯著的、持久的降低了土壤CH4排放通量，對根際產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌群落豐度和組成（香農(nóng)多樣性指數(shù)H'）也有顯著的負(fù)面影響。在S2和S5階段，Bt水稻根際產(chǎn)N2O功能微生物豐度顯著低于Ck水稻(p＜0.05)，在S3階段Bt水稻根際產(chǎn)N2O功能微生物豐度顯著高于

4、Ck水稻(p＜0.05)，而在S1和S4階段，兩種水稻根際產(chǎn)N2O功能微生物豐度無顯著差異(p＞0.05)。在S2階段，Bt水稻根際N2O還原功能微生物豐度顯著低于Ck水稻(p＜0.05)，在S1和S4階段Bt水稻根際N2O還原功能微生物豐度顯著高于Ck水稻(p＜0.05)，而在S3和S5階段，兩種水稻根際N2O還原功能微生物豐度無顯著差異(p＞0.05)。在苗期(S1)和分蘗期(S2)，Bt水稻根際總細(xì)菌豐度顯著低于Ck水稻(p＜0.

5、05);而在曬田期(S3)、灌漿期(S4)和成熟期(S5)，這種顯著差異消失(p＞0.05)。在S3階段，Bt水稻根際總古菌豐度顯著高于Ck水稻(p＜0.05);在其它生長階段，Bt水稻和Ck水稻根際總古菌豐度無顯著差異(p＞0.05)。相關(guān)分析結(jié)果顯示土壤CH4排放通量與產(chǎn)甲烷古菌豐度成顯著正相關(guān)（R2=0.564，p＜0.05）;土壤N2O排放通量與產(chǎn)N2O功能微生物豐度成顯著正相關(guān)(R2=0.564，p＜0.05)。推測:與Ck水

6、稻相比，Bt水稻根系分泌物含量較低，產(chǎn)甲烷微生物、產(chǎn)N2O功能微生物豐度較低，苗期和分蘗期植株生物量較低，土壤氧化還原電位較高等是導(dǎo)致Bt水稻土壤溫室氣體排放通量較低的主要原因。
　　(2)穩(wěn)定同位素核酸標(biāo)記結(jié)果顯示種植Bt水稻顯著降低了功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌群落豐度，但沒有顯著影響功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌群落組成。Bt水稻和Ck水稻分蘗期根際土壤中功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌類群有Ricecluster-(I)(RC-(I))、M

7、ethanosaetaceae、Methanosarcinaceae和Methanobacteriaceae,其中RC-(I)占所有功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌類型的60％～66.7％，為最活躍的產(chǎn)甲烷古菌類群。
　　我們還選取了亞熱帶地區(qū)福建萬木林自然保護(hù)區(qū)典型森林土壤(細(xì)柄阿丁楓，ALG;浙江桂，CIC)及由其轉(zhuǎn)變的農(nóng)業(yè)利用土壤(杉木，CUL;桔園，ORG)為研究對象，采用qPCR、PCR-DGGE等現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)手段測定氨氧化古

8、菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和氨氧化細(xì)菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)群落豐度和組成，研究森林土壤向農(nóng)田十壤轉(zhuǎn)變對土壤氨氧化微生物群落及其氨氧化功能的影響，以表征該地區(qū)N轉(zhuǎn)化微生物群落特征及其功能。主要結(jié)果如下:
　　(1)人為利用和施肥顯著提高了我國亞熱帶地區(qū)土壤氨氧化勢。該地區(qū)森林土壤轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田土壤顯著增加了AOA和AOB的群落豐度，且顯著減小了AOA和A

9、OB豐度比值。DGGE指紋圖譜顯示森林土壤轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田土壤也明顯改變了AOA和AOB群落組成，其中隸屬于Group1.1a-associated lineage的AOA類群(A7～A10)在施肥利用后沒有檢測到，而隸屬于Cluster3a lineage的AOB類群(B6)在施肥利用后也沒有檢測到。
　　(2)添加尿素培養(yǎng)后，天然林(ALG和CIC)土壤AOA豐度顯著增加，AOB豐度無顯著變化;未施肥種植林(CUL)土壤AOA和AO

10、B豐度均顯著增加;而施肥土壤(ORG) AOA和AOB豐度均無顯著變化。添加尿素培養(yǎng)明顯改變了AOA群落結(jié)構(gòu);但沒有顯著改變AOB群落結(jié)構(gòu)。可見，天然林(ALG和CIC)土壤中AOA對添加尿素培養(yǎng)有明顯響應(yīng);種植林土壤(CUL)和施肥土壤(ORG)中AOA和AOB對添加尿素培養(yǎng)有明顯響應(yīng)。因此，我們推斷天然林(ALG和CIC)土壤中AOA對自養(yǎng)氨氧化過程貢獻(xiàn)大，種植林土壤(CUL)和施肥土壤(ORG)中AOA和AOB對自養(yǎng)氨氧化過程均有