小麦秸秆碳在低肥力土壤中的转化及其对土壤微生物群落结构的影响

发布时间：2020-03-23 05:08

【摘要】：近年来,由于人类对耕地的不合理利用,导致土壤有机碳含量减少,对高产和稳产产生了不利影响,为增加土壤有机碳含量和避免秸秆焚烧引起的环境污染问题,国家提倡秸秆还田,目前,不少学者对秸秆还田进行了一系列研究,但是对低肥力土壤中,秸秆碳在土壤碳库中的转化与转移的研究,以及秸秆添加后对微生物群落结构的影响较少,鉴于此,本文选取不同施肥水平的低产田土壤,以小麦秸秆为研究对象,采用稳定性同位素示踪技术,跟踪标记~(13)C-小麦秸秆在土壤各有机碳库间的分配,探究秸秆碳对土壤碳库的贡献比例;同时,采用高通量测序和BIOLOG分析技术,探明还田秸秆碳转化过程对土壤微生物群落结构及活性的影响,结合土壤理化性质,通过生态学统计分析方法解析在秸秆碳转化过程中,引起土壤关键微生物结构变化的主控因子。通过研究,主要得到以下结论:(1)小麦秸秆添加至不同施肥水平的低肥力土壤中后,SOC含量增加28.90%~33.30%,其中秸秆碳对SOC的贡献为34.07%~45.20%,对不施肥水平土壤贡献最高(38.49%~45.20%)。小麦秸秆添加7 d后,δ~(13)C-SOC迅速增加,是秸秆碳快速转化阶段;7~14 d,δ~(13)C-SOC缓慢增加至最大值,进入秸秆碳缓慢转化阶段;14~30 d以后,δ~(13)C-SOC略有下降,δ~(13)C-POC持续增加,此时秸秆碳向POC转化增强;30 d后,秸秆碳转化基本进入停滞阶段。(2)小麦秸秆添加至试验用低肥土壤7 d内,秸秆有机碳迅速进入土壤各有机碳库,相较而言更易分配进入到土壤MBC(13.69%~14.69%),其次是POC(2.93%~4.06%)和DOC(1.24%1.99%);随着秸秆腐解的进行,秸秆碳转化进入土壤活性和缓性有机碳库的比例有所下降,试验末期(180 d),秸秆碳转化分配至各有机碳库的比例依次为POC(4.68%~7.72%)、MBC(4.00%~5.37%)、DOC(0.12%~0.16%);不同施肥水平下,秸秆添加后的土壤有机碳库含量间差异不大,但秸秆碳的转化分配存在较大差异。不施肥或低施肥水平处理组土壤δ~(13)C-SOC、δ~(13)C-MBC和δ~(13)C-POC值均显著高于高施肥水平,表明秸秆添加对低施肥土壤有机碳库的增加贡献相对更高;(3)秸秆添加后,土壤pH显著下降。其中,高施肥水平土壤pH降低尤为显著。秸秆添加还显著增加了土壤TN、AN、AP和AK的含量。土壤TN和AN含量在不施肥水平土壤中增加较多;土壤AP和AK含量在秸秆添加后受施肥水平影响较小;(4)试验用土壤主要细菌为Firmicutes(厚壁杆菌门),Proteobacteria(变形菌门)、Actinobacteria(放线菌门),Chloroflexi(绿弯菌门),Acidobacteria(酸杆菌门),Bacteroidetes(拟杆菌)、Planctomycetes(浮霉菌门),Gemmatimonadetes(芽单胞菌门),其中,参与秸秆碳转化的细菌主要包括Proteobacteria、Acidobacteria、Bacteroidetes和Chloroflexi;土壤中主要的真菌为Ascomycota(子囊菌门)、Zygomycota(接合菌门)、Basidiomycota(担子菌门),主要参与秸秆碳转化的真菌为Ascomycota和Zygomycota;秸秆添加可显著提高低肥土壤微生物的碳源代谢活性,主要表现为对羧酸、氨基酸和多聚物的利用率的增加。秸秆添加后14 d,微生物碳源代谢多样性达最大。(5)秸秆添加显著改变了土壤理化特性,进而对土壤微生物群落结构产生影响。冗余分析结果表明,秸秆碳转化过程中,有机质、碱解氮、速效钾和pH是影响土壤细菌群落结构的显著因子;有机质、碱解氮和速效钾是影响土壤真菌群落结构的显著因子。
【图文】：

秸秆,相对丰度,细菌,秸秆还田

teroidetes 在试验期间呈现上升趋势，其相对丰度较无秸秆处理的丰度明显增加，说秆腐解过程中其为优势种群；赵军在研究中发现，秸秆还田和猪粪有机肥配施后处理在门的水平其细菌丰度存在差异，但优势群落结构类似，为 Proteobacteria、dobacteria、Bacteroidetes 和 Chloroflexi(赵军 2016)，研究表明，秸秆还田土壤中主细菌有 Proteobacteria、 Chlorobia、 Verrucomicrobia、Chloroflexi、Firmicutes 和inobacteria 等(TakanoriTanahashi et al. 2005, Qiao et al. 2013)，，研究发现秸秆添加可提物生长所必需的元素，作物根部器官生长旺盛，分泌物较多，相应地提高了根系的活性，使得土壤细菌更加活跃，显示出旺盛的生命力，进而改变了与根际效应关系的 Proteobacteria、Acidobacteri 等(Long et al. 2010； Ding et al. 2013)，促进了相对的增加，与本试验研究结果一致。研究发现 Bacteroidetes 中的 Sphingomonas(鞘氨菌)具有纤维素分解和几丁质分解能力，Actinobacteria 能够促进土壤中动植物残体烂, 在秸秆还田后秸秆的腐解过程中起到重要作用, 同时在自然界氮素循环中也有的作用(Lauber et al. 2008)。

细菌群落,平土,肥水,秸秆

图 4-2 秸秆添加对不同肥水平土壤细菌群落结构的影响re 4-2 Effect of straw addition on bacterial community structure at different fertilizer level同施肥水平土壤不同时间细菌群落结构差异显著性分析发现，在秸秆添加0d 时，不同施肥水平土壤中细菌群落结构之间存在显著差异。其中，秸秆Chloroflexi、Gemmatimonas、Parcubacteria、Verrucomicrobia、Nitrospira 在壤中的丰度明显大于 M、L 两种施肥水平的土壤中的丰度，造成这种现象高施肥水平土壤中含氮量较高，而 Nitrospira 可利用无机氮源进行硝化作用菌，导致 Nitrospira 在高施肥水平土壤中相对丰度增高；Gemmatimonas 主，高施肥水平土壤中，14d 时土壤含磷量较高，导致 Gemmatimonas 相对种水平的高；30d 时，Saccharibacteria 在中等施肥水平土壤中丰度高于水平的土壤的丰度；180d 时，Planctomycetes 在不施肥水平土壤中较 H、平土壤中的丰度高，Parcubacteria、Bacteroidetes 在高施肥水平土壤中的丰L 两种施肥水平土壤中的丰度，研究发现，Planctomycetes 属于寡营养型肥力水平土壤中相对丰度较高。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S141

【参考文献】