长期不同施肥下旱地红壤细菌群落结构特征及驱动因子的探究

发布时间：2019-03-20 16:10

【摘要】：红壤是一种天然的酸性铝铁土。在最近的几十年中,高强度的农耕和不合理的施肥措施加速了土壤酸化和破坏了土壤微生物群落结构,进而导致耕地质量下降。土壤是地球生物圈中微生物种类和多样性最高的生态环境,微生物在地球生物化学循环中发挥着不可或缺的作用。在农田生态系统中,土壤微生物在养分循环、土壤结构的保持和污染物的消除等方面发挥重要作用,且与土壤肥力和作物产量密切相关。本实验通过454高通量测序技术和GeoChip功能基因芯片检测技术对湖南祁阳红壤旱地长期定位点的不同施肥处理进行细菌群落结构和功能基因特征研究,同时分析了酸化土壤改良处理对土壤微生物区系的影响,初步探究了土壤细菌群落形成的驱动因子,得到以下结果:1、长期不同施肥措施对土壤理化性质的影响不同。不施肥的对照处理(CK)、磷钾化肥处理(PK)和撂荒处理(Fallow)的土壤仍保持红壤正常pH范围(5.0～5.6),长期有机肥处理(M和NPKM)能显著提高土壤pH(pH6.0),长期施用含氮化肥但不配施有机肥(N、NP、NK、NPK和NPKS)会显著降低土壤pH(pH4.3)。长期施用含氮化肥但不配施有机肥的土壤速效养分及有机质均低于其他施肥处理,并且土壤的微生物生物量碳,土壤酶活和细菌多样性也都显著低于其他处理,表明长期施用含氮化肥但不配施有机肥会降低耕地质量。2、石灰和有机肥处理都能显著提高酸化土壤pH,均可以用于改良酸化土壤。石灰改良处理在改善土壤pH方面比有机肥更加迅速有效,但石灰改良处理对土壤养分含量的影响较小。短期石灰改良仅提供部分盐基离子(Ca~(2+)),而短期有机肥改良处理能增加土壤有机质含量,速效养分和酶活性,但对土壤总养分含量影响不大。另外,两种改良方式对土壤微生物群落结构也有不同的影响。有机肥改良处理的土壤中富营养细菌类群相对丰度显著增加,而贫营养细菌类群在NPK和石灰改良处理的土壤中仍是主要类群。不同细菌类群与土壤养分之间的相关性也表明,富营养细菌类群的丰度与土壤养分呈正相关,而贫营养细菌类群丰度与土壤养分呈负相关。因此贫营养类群与富营养类群可以用于表征土壤肥力状况。石灰和有机肥改良都各有其优势,因此在酸化土壤中,石灰可快速改善土壤pH,同时辅之以使用有机肥来达到持续的效果。3、根据随机矩阵理论构建土壤细菌群落生态网络,比较发现未酸化土壤(HPP)和酸化土壤(Ac)之间仅有8.67%(32)的OTU是共有的,而Ac与石灰改良土壤(Qlime)之间有27.04%(83)的OTU是共有的,并且他们之间的网络相关指数有显著性差异。尽管三者之间的组成结构都显著不同,Proteobacteria仍是主要的类群,其次是Acidobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi 和 Gemmatimonadetes 等。HPP中比Ac中含有更多的正相关关系,表明HPP中含有更多相互合作的OTU,而Ac可能包含更多相互竞争的OTU。另外石灰改良是针对酸化土壤(Ac)的处理,其中的正相关关系增加了,表明Qlime中的相互合作的OTU可能增加了,因此石灰改良对土壤微生物群落有一定的积极作用。不同OTU的拓扑结构作用反映了不同的OTU在群落中可能的重要地位,HPP中存在更多的generalists表明其细菌群落是一个更加稳定的群落。在所有类型的generalists中,所有的module hubs与土壤理化因子显著相关,而所有的connectors与土壤理化因子没有显著性关系。总之,从网络组成和结构来看,HPP具有一个更如高效的且有组织性的生态网络。根据不同的土壤状态下的细菌群落结构推测:connectors在土壤细菌群落结构中是普遍存在的,与土壤理化性质无显著相关性;module hubs是细菌群落结构中的关键类群,与土壤理化性质显著相关,其数量是区分农田土壤肥力高低的重要指标。因此connectors和module hubs可以作为指示土壤肥力高低的重要类群。4、为探究细菌群落演变的主要驱动因子,我们选择了长期定位点中的NPK和NPKM处理。将两种处理的土壤伽马射线灭菌后交换接种,培育8个月后测定各土壤理化性质,酶活,微生物量及细菌群落结构。结果显示,同种土壤仅总磷总钾在接种前后没有显著差异,接种NPK 土壤菌悬液的处理土壤酶活性和微生物生物量碳低于接种NPKM 土壤菌悬液的处理。454高通量的结果也表明是土壤性质而不是微生物种子库决定最终的细菌群落结构,如土壤pH是群落演变的主要驱动因子。该实验初步探究了土壤细菌群落演变的驱动因子,对我们今后研究微生物群落演变机理和土壤生态功能提供了理论基础。长期不同施肥土壤细菌群落结构和功能基因组成以及改良方式对土壤细菌群落结构的影响表明富营养细菌类群和贫营养细菌类群的相对丰度可以作为指示和预测土壤肥力高低的微生物指标之一。土壤理化性质是细菌群落演变的驱动因子,因此可以通过合理的施肥方式调节土壤微环境,调控土壤微生物区系向作物高产高效的微生物区系演变。
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【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S154.3

【参考文献】