添加秸秆后土壤有机质积累与微生物群落演替的关系研究

发布时间：2020-06-01 23:52

【摘要】：秸秆还田对于土壤养分循环及土壤有机质的提高有重要意义,微生物对秸秆的分解转化、土壤有机质的积累起到决定性作用。添加秸秆和水分条件的改变,都会引起微生物群落发生相应的变化,土壤-微生物-有机物料作为物质循环和能量流动的统一体,相互影响和制约,共同决定土壤的养分水平。因此,本试验通过室内模拟的方法,首先收集了来自全国15个省的32个土壤样品,比较其在添加等量秸秆后,在不同土壤水分条件下有机质的积累和土壤微生物相关指标的变化;其次,采集学校附近长期耕种的旱地紫色土和水稻田土壤,比较两种土壤在不同水分条件下其有机质对添加秸秆的响应,并进一步采用DNA高通量测序的方法,揭示不同土壤在分解秸秆过程中微生物群落的演替与有机质积累的的相应关系。得到如下主要研究结论:1、添加秸秆后,土壤有机质含量相对变化率与其初始SOM含量呈显著负相关关系(p0.05)。土壤-秸秆混合体系培养90天后,32个土样的有机质含量呈现不同的增减情况。好气条件下有机质除HLJ-1外均增加,增加范围为1.34g/kg~17.39g/kg;淹水条件下有87.5%的土样有机质含量增加,12.5%的土样有机质含量减少,变化范围为-12.02g/kg~9.34g/kg。在两种不同水分条件下,添加秸秆处理的土壤可培养微生物的数量、土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)含量、土壤纤维素酶活性以都较未添加秸秆的原土壤样品增加且存在显著差异,增加量均表现为好气淹水条件。其中L组其中可培养微生物各群落增加幅度为真核微生物细菌放线菌,H组的为放线菌真核微生物细菌;好气条件下,H组、L组的微生物量碳(MBC)增加量分别为128.79mg/kg、97.86mg/kg,纤维素酶活性增加量分别为211.47ug/g、173.11ug/g;淹水条件下:H组、L组的微生物量碳(MBC)增加量分别为74.11mg/kg、63.06mg/kg,纤维素酶活性增加量分别为146.28ug/g、73.89ug/g。表明快速的微生物积累和活跃的纤维素酶活有利于土壤有机质的积累;好气条件下,H组、L组有机质积累量为14.54g/kg、5.83g/kg;淹水条件下,H组、L组有机质增加量为2.77g/kg、-5.26g/kg,表明好气较淹水更有利于有机质积累。2、为了了解耕种方式对添加秸秆后土壤有机质积累的影响,本研究分别采集学校附近长期耕种农地相邻水稻土(记为P组)及旱地紫色土(D组)土样,进一步实施90天好气和淹水试验。每组包括2个处理,好气为D1、P1,淹水为D2、P2。D组初始有机质含量低于P组65.41%。在培养的90天内,两组有机质均呈先下降后上升的趋势,培养结束时,D组有机质增平均增加量为P组的1.55倍。表明低初始有机质含量,反而有利于外源有机物质的输入与固定。D组、P组微生物量碳变化趋势一致,呈先上升后下降的趋势;培养周期各天P组的均高于D组的。在第3天达到峰值。峰值时P组微生物量碳为D组的2.34倍,与其初始含量达到显著差异(p0.05);培养至结束,D组微生物量碳增幅度显著(p0.05)高于P组的。前期(0-14d)纤维素酶活性呈增加趋势,腐解速率较快,随着秸秆中易分解的物质减少,14-90d土壤纤维素酶活性降低。在培养周期的大部分时间里,D组处理纤维素酶活性高于P组的。3、整个培养周期内:D1有机质含量均高于D2的。培养至结束时D1有机质增加量为D2组1.34倍;P1培养初期(0-35d)的有机质的增加快于P2的,但培养后期(35-90d)P1、P2土壤有机质含量逐渐趋于相似。至培养结束,与初始值相比,有机质增加量顺序为D1D2P2P1。土壤呼吸速率与土壤微生物量存在显著正相关关系,90天培养期内,土壤微生物量碳及土壤呼吸速率顺序为:P2P1D1D2。第0-21天时D1呼吸速率高于D2,而21天后,D1土壤呼吸速率与D2趋同;P1土壤呼吸速率在整个培养周期均小于P2的。差别最大时,P1呼吸率仅为P2的84.85%。土壤纤维素酶表现为:D1D2P1P2。表明土壤原有耕种方式影响秸秆分解及土壤有机质的积累。4、选择有代表性时间点(1d、3d、7d、14d、90d)的土壤样品进行DNA高通量测序,结果显示;细菌的多样性方面,P组大于D组。D1、D2在培养期内呈现增加趋势,特别是D2处理的shannon指数持续上升。P1、P2呈减少趋势,P2尤为明显;真菌多样性,P组高于D组,结束时P2显著(p0.05)高于D组。培养期内D1、D2持续减少,P1、P2在培养期内起伏,但至结束,又回到起始水平;细菌丰度,P组高于D组,至结束,P组显著或极显著(p0.01)高于D组。培养期内D1和P1处理表现稳定,D2则持续上升,培养结束时为初始丰度的137%。P2在培养14天后下降,至结束时仅为初始期的75%;真菌丰度,P组高于D组,至结束时P组极显著(p0.01)高于D组。培养期内D组下降明显。培养结束时D1和D2的丰度分别为初始值的64%和60%。P1处理丰度稳定,P2呈下降趋势,至结束时为初始值的86%。上述结果表明P组(水稻土)微生物多样性和丰度高于旱地紫色土,微生物微环境也较后者稳定,水分条件变动的影响小。旱地土壤的真菌在湿润条件下减少明显。5、培养期内土壤微生物群落演替的动态凸显未知肉座菌(Hypocreales)的作用。该子囊菌真菌具有很强的纤维素分解能力。未知肉座菌为D1的优势类群,从培养初期至结束,丰度由17.2%增至74.42%,是D1具有高纤维素酶活的原因。淹水处理(D2)导致肾形虫成为优势类群。P1的初始优势类群袋形虫(Bursaria)为60.43%培养过程中逐渐消失,未知肉座菌,未知粪壳菌、曲霉菌共增占67.32%,P2肾形虫(Colpoda)先增加后减少,第7天时达到峰值,增加至58.79%。至培养结束肾形虫优势变小,P2微生物的优势类群丰度较为相近,表现为另一种肉座菌、未知粪壳菌、未知肉座菌。整个培养期内,细菌微生物群落演替差异的影响并不明显。根据RDA分析微生物群落与有机质变化的关系,结果表明未知肉座菌为D1土壤中有机质积累做出了重要贡献。袋形虫与P1有机质含量呈正相关关系肾形虫对于淹水处理(D2、P2)有机质积累有一定作用。
【图文】：

曲线,细菌,曲线,测序

第 5 章土壤有机质变化与土壤微生物群落演替—高通量测序.1.3 数据处理验数据采用 Excel 2016 和 I-sanger 云平台分别进行数据处理、绘图等.2 结果与分析.2.1 土壤中细菌和真核微生物稀释性曲线随机分别抽取样本中 16S rDNA 和 18S rDNA 序列读数，以种为 OTU 微生物多样性指纵坐标，序列书为横坐标，得到稀释性曲线（图 5-1、5-2）。结果表明：细菌和真核微生物TU 数目最终都趋于平缓，进入平台期，说明测序数据合理，数据量充足，继续测序只会产少量新的 OTU 种类。可以反映样本中绝大多数的微生物信息。同时可知细菌 OUT 多样性著高于真核微生物 OUT 多样性，细菌类群丰度高于真核微生物类群丰度。

曲线,土壤样品,丰富度,细菌多样性

图 5-2 土壤样品真核微生物稀释曲线Fig.5- 2Fungus rarefaction curves in two groups soil5.2.2 土壤中微生物多样性指数和 OTU 丰度如表 5-1,5-2 所示，4 个样品都具有较高的细菌、真核微生物多样性。ACE 和 Chao 指数在生态学中用于估计物种总数，值越高丰度越大，，Shannon 和 Simpson 指数用于估计样本中微生物多样性，其中 Shannon 指数越大，多样性越高，Simpson 指数越大则多样性越低。添加秸秆后对于紫色土：D1 细菌多样性呈增加趋势，第 14 天有所下降，培养结束与初始相比增加幅度较小。D1 的丰富度呈增加趋势，培养至第 7 天的丰富度指数低于初始细菌丰富度；D2 的丰富度及多样性均呈增加趋势，培养结束时细菌多样性及丰富度指标均较初始高。如图 5—3 所示 D1 与 D2 组细菌多样性无显著差异，细菌丰富度存在显著差异，D2 细菌丰富度高于 D1。对于水稻土：P1、P2 整个培养周期细菌多样性及丰富度都呈先增加后减少的趋势，P1 培养结束时与初始相比未增加。如图 5-4 所示,P1、P2 的细菌多样性存在极显著差异，细菌丰富度存在显著差异。D 组及 P 组细菌丰富度存在显著差异（p<0.05），多样性差异不显
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S154.3

【参考文献】