云和梯田不同海拔土壤微生物多样性及硝化作用差异研究

发布时间：2020-07-15 09:05

【摘要】：土壤中蕴含着种类极其丰富的微生物,其在元素生物地球化学循环过程调控和生态系统功能维持方面起到了关键作用。对土壤微生物空间分布格局及其形成机制的认识,将有助于人们对陆地生态系统的保护、管理和调控,以应对气候变暖等重大的全球性环境问题。硝化微生物主导的硝化作用作为氮循环的重要组成部分,对提高氮肥利用率有重要影响。针对海拔和温度对土壤硝化过程的影响研究,可以帮助我们更好地了解气候变化对土壤硝化过程及硝化微生物的影响,从而为合理施肥、提高氮肥利用率提供科学依据。因此,本文以中国东部最大的梯田—云和梯田为研究对象,分别对自然土壤和水稻土中细菌、古菌、真菌的多样性及群落组成沿海拔分布模式进行了研究,同时探讨了不同海拔土壤硝化速率和活性硝化微生物的差异以及升温对土壤硝化作用的影响,主要结果如下:(1)两类土壤中细菌多样性及群落组成沿海拔分布模式。自然土壤和水稻土中细菌群落组成差异显著,水稻土中细菌群落间的连结性低于自然土壤,应对环境干扰的反应也不如自然土迅速。两种类型土壤细菌群落组成的海拔差异均非常明显。自然土壤中,细菌多样性随海拔呈单调递减模式,土壤C/N 比是细菌多样性和群落组成的主要驱动因子。而水稻土中,细菌多样性随海拔呈单峰模式,在500米处多样性最高,解磷细菌相对丰度与有效磷含量呈极显著的正相关关系(r=0.800,P0.001),细菌多样性和群落组成主要与土壤有效磷含量呈显著相关关系,说明解磷菌对整个细菌群落有重要影响。在两类土壤中,细菌群落组成主要由当代环境因子(土壤属性)驱动,同时海拔和地理距离的作用也不容忽视。(2)两类土壤中古菌多样性及群落组成沿海拔分布模式。水稻土中古菌群落间的连结性高于自然土壤,其应对外界干扰的反应也更迅速。自然土壤和水稻土中古菌优势物种分别为:硝化作用相关的Nitrososphaeria纲和产甲烷相关的Methanomicrobia纲。两类土壤中古菌a多样性均随海拔升高而升高,并与土壤理化因子有显著相关关系。自然土壤中,硝态氮含量是土壤古菌群落组成的主要驱动因子,而水稻土中,古菌多样性和群落组成主要与土壤有效磷含量显著相关。(3)两类土壤中真菌多样性及群落组成沿海拔分布模式。与自然土壤相比,水稻土中子囊菌门相对丰度升高,而担子菌门相对丰度降低,真菌网络结构更简单。自然土壤中真菌多样性随海拔升高而递减,并与土壤有机质、铵态氮等呈显著负相关关系,而与硝态氮呈显著正相关关系。水稻土中真菌多样性亦呈现出单调递减的海拔分布模式,且与土壤硝态氮含量、阳离子交换量及机械组成有明显的相关性。自然土壤中,C/N比是真菌群落组成的关键驱动因子,而水稻土壤中,真菌群落组成主要受海拔高度影响。(4)不同海拔土壤硝化速率及活性硝化微生物的差异。土壤硝化速率随海拔升高而增大,伴随着氨氧化细菌(AOB)的显著增加,而氨氧化古菌(AOA)丰度在培养结束时显著下降。经过56天的培养,活性AOB丰度和标记程度均远远高于AOA和亚硝酸盐氧化细菌(NOB),首次通过稳定性同位素核酸探针技术(DNA-SIP)证明了细菌氨氧化在酸性水稻土中的重要作用。活性氨氧化微生物主要由Group 1.1a-associated AOA和Nitrosospira cluster 3 AOB组成,而活性亚硝酸盐氧化菌在不同土壤中由不同的Nitrospira NOB组成,其生态位分异主要由土壤理化性质决定。土壤理化性质(pH、有效磷、土壤氧化还原能力(OXC))对土壤活性硝化群落有重要影响,土壤硝化速率的差异主要由活性微生物相对丰度及群落组成差异造成的。(5)升温对土壤硝化速率及活性硝化微生物的影响。温度越高,土壤硝化速率越强,各温度下硝酸根的产生均伴随着AOB的显著增加,而AOA丰度在培养结束时显著下降。AOA和AOB的生长对温度的响应不同,随着温度升高,氨氧化的主导类群由AOA变为AOB,13C标记的主要NOB由Nitrospira moscoviensis变为Nitrospirajaponica。升温对土壤硝化作用有直接和间接的影响,主要通过改变AOA和AOB的丰度以及AOA和NOB群落结构实现的,而AOB在高温条件下较稳定,,群落结构没有显著变化。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154.3
【图文】：

梯田生态系统,中氮肥,投入量,农田生态系统

图１－１梯田生态系统图（何立羽等，２０１７）逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｅｒｒａｃｅ邋ａｇｒｏ－ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ邋ｍａｐ邋（Ｈｅ邋ｅｔ邋ａｌ，邋２０１７）逡逑国际粮农组织数据显示，２０１４年我国农田生态系统中氮肥投入量约占总输入量的３０％，高达２３９４万吨。铵态氮是农业氮肥的主要成分，在

百度,海拔,变化图,微生物多样性

１．４．１．３逦海拔逡逑海拔梯度在一定程度上是纬度梯度的缩影，温度和降水量随海拔升高变化明逡逑显（图１－２），由于动植物多样性枿温度降低而降低（ＲａｈｂｅｋｅｔａＬ，邋１９９５），因此逡逑生物地理学家们猜测其物种丰富度也随海拔呈递减趋，但研究发现动植物多样性逡逑随海拔呈现多种模式，有单调递减、单调增加或者单峰模式（Ｒａｈｂｅｋｅｔａｌ．，２００５；逡逑Ａｌｅｘａｎｄｅｒ，邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１１；邋Ｋｏｚａｋ邋ａｎｄ邋Ｗｉｅｎｓ，邋２０１０）。针对微生物多样性海拔分布的研逡逑究随着分子生物学技术和统计学方法的发展才得以广泛开展，但并没有统一的结逡逑论，不同区域、不同种类微生物多样性沿海拔呈现下降、无趋势、单调增长、单逡逑峰和下凹分布趋势（Ｓｉｎｇｈ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１２，邋２０１３；邋Ｓｈｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１

氮素循环,氮循环,硝化作用

逦营养元素（夏围围，２０１４）。氮循环是元素生物地球化学循环的核心之一，在土逡逑壤生态系统中，氮循环包括土壤微生物驱动的固氮作用、氨化作用、硝化作用和逡逑反硝化作用四个主要过程（图１－３）。大气中的惰性Ｎ２经固氮作用转变为活性氨逡逑（ｎｈ３），再由硝化作用转变为硝酸根（ｎｏ３ｏ，最后再经反硝化作用将Ｎ0３？转变逡逑为１＾２或其他氮氧化物重新进入大气，构成一次简单的氮循环。在农田土壤生态逡逑系统中，氮循环还能够对其他物质和养分的循环过程产生重要影响（Ｄａｅｂｅｌｅｒｅｔ逡逑ａｌ．，２０１４）0逡逑硝化作用作为全球氮循环的重要组成成分，能够将施入土壤中的铵态氮转化逡逑成植物易于吸收利用的硝态氮

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