长期施肥下稻麦轮作体系土壤团聚体碳氮转化特征

发布时间：2020-04-10 11:19

【摘要】：有机培肥是稻麦轮作体系作物增产的主要措施,也是农田可持续利用的重要保证。团聚体作为土壤最基本的结构单元,是土壤肥力的物质基础,也是土壤碳氮转化的主要场所。理解有机培肥下土壤团聚体碳氮转化特征是科学施肥的基础。本论文以稻麦轮作体系有机培肥长期定位试验为基础,利用交叉极化-魔角旋转固态~(13)C核磁共振技术(CP/MAS ~(13)C-NMR)、磷脂脂肪酸分析(PLFA)、定量PCR(qPCR)、末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)、454高通量测序等现代分子生态学技术,研究不同粒径团聚体碳氮分布、腐殖质结构特征、与碳氮转化相关的胞外酶活性、微生物群落结构分异特征、参与土壤氨氧化及纤维素分解过程的功能微生物多样性,从而阐明长期施肥下稻麦轮作体系土壤团聚体碳氮转化特征。论文取得的主要进展如下:(1)长期施肥下土壤团聚体碳氮分布。土壤团聚体可分为大团聚体(2000μm)、粗砂(2000-200μm)、细砂(200-63μm)、粉粒(63-2μm)和粘粒(2-0.1μm)5个粒径。长期施肥影响了黄棕壤性水稻土土壤团聚体组成,麦季土壤以粉粒和大团聚体为主,稻季以粗砂和粉粒为主,细砂含量在两季均最低。与单施化肥相比,有机无机肥料配施显著降低了两季大团聚体的比例,提高了粗砂粒径的比例,改善了土壤结构。团聚体效应对土壤碳氮分布影响显著,其中细砂粒径的有机碳、全氮含量及碳氮比显著高于其他粒径,此外,土壤有机碳和碳氮比均呈大粒径团聚体(63μm)大于粉粘粒(63-0.1μm)的规律;麦季全氮在粗砂中较高,稻季则在粘粒中含量较高。施用有机肥普遍显著提高了两季耕层和各团聚体土壤有机碳、全氮含量,降低了土壤碳氮比。(2)长期施肥下土壤团聚体酶活性变化。土壤胞外酶活性随团聚体粒径、施肥措施变化显著,且与土壤有机碳、全氮、碳氮比显著相关。十种胞外酶磷酸酯酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、酚氧化酶和过氧化物酶中,除磷酸酯酶和硫酸酯酶外,其余胞外酶均在细砂土壤中活性最高。此外,除麦季粗砂磷酸酯酶、硫酸酯酶、乙酰氨基葡糖苷酶、β-木糖苷酶和稻季硫酸酯酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡糖苷酶外,有机无机配施较单施化肥处理显著提高了其余土壤团聚体各胞外酶活性。(3)长期施肥下土壤团聚体微生物群落结构特征。施肥效应和粒径效应对土壤微生物群落结构影响显著,两季磷脂脂肪酸总量均呈现大粒径团聚体(63μm)大于粉粘粒的规律(63-0.1μm),以粉粒中最低;施用有机肥提高了两季耕层及各土壤团聚体的磷脂脂肪酸总量。麦季200μm粒径土壤具有较低的革兰氏阳性菌:阴性菌和较高的真菌:细菌比值。研究发现,影响麦季土壤团聚体微生物群落结构的重要因子是全氮、碳氮比、磷酸酯酶、硫酸酯酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶活性,而稻季是有机碳、全氮、土壤碳氮比、α-葡萄糖苷酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和酚氧化酶活性。(4)长期施肥下土壤团聚体氨氧化微生物分异特征。团聚体粒径和施肥措施对土壤硝化潜势和氨氧化微生物群落影响显著,土壤碳氮含量及其转化相关的酶活性对其群落结构的变异解释达40%。与不施肥相比,有机无机配施处理显著提高了耕层土壤及各粒径团聚体的硝化潜势,其氨氧化细菌丰度显著高于单施化肥处理。稻季土壤的氨氧化微生物数量高于麦季,施肥处理降低了土壤氨氧化古菌:氨氧化细菌比值,且以粘粒中最高。尽管氨氧化古菌数量高出氨氧化细菌数倍,氨氧化细菌群落结构对施肥及团聚体粒径的响应更为敏感。高通量测序结果显示氨氧化古菌主导类群大多归属于奇古菌I.1b类群(Thaumarchaeota Group I.1b),氨氧化细菌的主导类群大多归属于亚硝化螺菌属(Nitrosospira Cluster 3a)。(5)长期施肥下土壤团聚体纤维素分解酶基因多样性。参与纤维素转化的真菌糖苷水解酶cbhI基因和细菌糖苷水解酶GH48基因丰度随团聚体粒径和施肥处理变异显著,于细砂中最高,粘粒中最低,且在有机肥的施用下普遍增加。对纤维素分解标记基因丰度与土壤腐殖质结构进行相关分析发现,纤维素分解基因在腐殖化程度较低的粒径中(63μm)较为丰富,这些组分的土壤胡敏酸芳香度高、脂化度低、烷基碳:氧烷基碳比值相对较低,而在腐殖化程度较高的粒径(63-0.1μm)中纤维素分解基因丰度较低。总之,有机无机配施显著降低了2000μm团聚体的比例,提高了2000-200μm团聚体比例,大粒径团聚体(63μm)的碳氮含量、碳氮水解酶活性、磷脂脂肪酸总量、氨氧化细菌丰度以及纤维素分解相关基因丰度普遍高于小粒径团聚体(63-0.1μm),有机培肥处理各粒径以上指标普遍高于单施化肥,显示其促进了土壤团聚体碳氮转化,有利于土壤肥力提升。
【图文】：

麦季,团聚体,碳氮,黄棕壤

2.2.2 长期施肥下不同粒径团聚体碳氮分布团聚体粒径和施肥两因素及其交互作用对两季土壤SOC、全N、C:N产生了显著的影响（表2.2）。图2.1和图2.2分别显示了麦季和稻季土壤不同粒径团聚体碳氮分布特点，结果表明两季土壤中，细砂粒径的SOC、全N含量及C:N比均显著高于其他粒径土壤（P < 0.05），除细砂外，两季土壤SOC含量及C:N比均呈现大粒径团聚体（>200 μm）大于粉粘粒（63-0.1 μm）的规律；麦季全N含量呈粗砂>粘粒>大团聚体>粉粒的规律，而稻季粘粒的全N含量高于粗砂粒径，因此稻季粘粒的C:N比较麦季更低。施肥，尤其是施用有机肥对土壤肥力的提高达显著水平。与CK相比，NPK处理提高了麦季耕层和除粉粒外各团聚体土壤SOC含量

团聚体,碳氮,黄棕壤,水稻土

2.2.2 长期施肥下不同粒径团聚体碳氮分布团聚体粒径和施肥两因素及其交互作用对两季土壤SOC、全N、C:N产生了显著的影响（表2.2）。图2.1和图2.2分别显示了麦季和稻季土壤不同粒径团聚体碳氮分布特点，结果表明两季土壤中，细砂粒径的SOC、全N含量及C:N比均显著高于其他粒径土壤（P < 0.05），除细砂外，两季土壤SOC含量及C:N比均呈现大粒径团聚体（>200 μm）大于粉粘粒（63-0.1 μm）的规律；麦季全N含量呈粗砂>粘粒>大团聚体>粉粒的规律，，而稻季粘粒的全N含量高于粗砂粒径，因此稻季粘粒的C:N比较麦季更低。施肥，尤其是施用有机肥对土壤肥力的提高达显著水平。与CK相比，NPK处理提高了麦季耕层和除粉粒外各团聚体土壤SOC含量
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S152;S154

【参考文献】