北方半干旱区退耕和开垦对土壤细菌和氨氧化微生物的影响

发布时间：2017-06-05 18:13

  本文关键词：北方半干旱区退耕和开垦对土壤细菌和氨氧化微生物的影响，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：过度开垦导致半干旱地区生态系统快速退化,但这一脆弱生态系统的恢复重建则缓慢而困难。土壤生态系统是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的纽带。土地的可持续利用意味着在保证土壤生产力的同时,必须提高土壤生态系统的稳定性和对外界变化的抗干扰能力。土壤微生物通过与团聚体等土壤物理化学因子互作,在维持土壤的抵抗力与恢复力中发挥着重要作用。本研究系统分析了中国北方典型半干旱区退耕还林和草地开垦对土壤及团聚体中细菌和氨氧化微生物的群落数量、结构和多样性的影响,为半干旱脆弱区生态恢复模式的优化和选择提供理论依据。通过实时荧光定量(qPCR)和高通量测序分析16S rRNA基因,系统研究内蒙古武川地区典型退耕方式(自然恢复、种植黑麦草、种植柠条)和不同施肥方式对土壤细菌丰度、群落结构和多样性的影响。结果表明：农田和退耕土壤细菌群落结构有显著差异。退耕土壤细菌丰度较农田高,其中K策略细菌种群的相对丰度增加。而农田土壤,尤其是施用有机肥的土壤中β-和y-Proteobacteria等R策略种群为优势细菌。退耕会改变土壤氮循环相关种群,退耕土壤中固氮微生物群落比例增加,氨氧化细菌和硝化细菌比例降低。为进一步解析半干旱地区土地利用变化对土壤氨氧化微生物的影响,采用qPCR、末端限制性片段长度多态性等方法研究氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)群落结构和多样性。ANOSIM分析表明退耕显著改变AOB群落结构,AOB优势种群由Nitrosospira sp. Nv6-like转变Nitrosospira sp. Nsp2-like,这或与退耕土壤中氮投入减少有关。退耕土壤硝化潜式较农田显著降低。RDA分析表明,土壤硝态氮、磷酸盐含量和土壤含水量是影响AOB群落变化的主要相关因子。在本研究中没有观察到退耕对AOA群落数量和结构的影响。采用湿筛法将土壤分离为不同团聚体,并通过qPCF和变性梯度凝胶电泳,研究新疆伊犁河谷草地开垦对团聚体中AOB、AOA群落数量和结构的影响。结果表明：草地开垦会破坏土壤团聚结构,但有机耕作有利于2000-250μm团聚体数量的增加。与有机农场相比,由于土壤有机质失去团聚体对其的物理保护,常规农场中有机碳和全氮含量显著降低。常规农场土壤中适应低温和高氮的Nitrosospira cluster 1比例增加。草场开垦后,2000-250μm团聚体的AOB和AOA数量显著高于2000 pm团聚体和粉粒粘粒,表明2000-250μm团聚体是农田中适宜AOB和AOA生长的微环境,并可能成为农田土壤氨氧化作用的潜在热点。开垦和退耕是农田和自然生态系统转化的相反方向。开垦十年后,土壤团聚体结构性降低,有机质失去物理保护,而氨氧化细菌数量升高,土壤肥力被消耗。有机肥投入部分补充了开垦所消耗的土壤肥力；退耕十年后,土壤K策略细菌种群增加,土壤硝化潜势降低,但团聚结构和全氮的恢复可能还需要更长时间。这为进一步研究土壤细菌、氨氧化微生物在半干旱区土地利用变化中的作用和地位提供了理论依据。
【关键词】：半干旱区 土地利用变化 细菌 氨氧化微生物 氮循环 团聚体
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S154.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 术语表13-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 土地利用变化对土壤生态的影响15-18
• 1.1.1 土地利用变化对土壤碳氮循环的影响15
• 1.1.2 土地利用变化对土壤物理结构的影响15-17
• 1.1.3 土地利用变化对土壤生物的影响17-18
• 1.2 土壤微生物与土壤生态功能18-24
• 1.2.1 土壤微生物与土壤碳氮循环18-19
• 1.2.2 土壤微生物与土壤结构19-21
• 1.2.3 氨氧化作用是氮循环的中心环节21-23
• 1.2.4 土壤微生物的相关研究方法23-24
• 1.3 研究意义和研究内容24-26
• 1.3.1 研究意义24
• 1.3.2 研究内容24-26
• 第二章 材料与方法26-32
• 2.1 内蒙古武川地区概况26
• 2.2 新疆伊犁地区概况26-27
• 2.3 土壤样品采集27
• 2.4 土壤理化性质测定27
• 2.5 土壤团聚体干筛分离27
• 2.6 土壤团聚体湿筛分离27-28
• 2.7 土壤硝化潜势测定28
• 2.8 土壤DNA提取28
• 2.9 细菌16S rRNA基因实时荧光定量测定28
• 2.10 真菌ITS片段、氨氧化微生物amoA基因实时荧光定量测定28-29
• 2.11 细菌群落结构Miseq测序29
• 2.12 氨氧化微生物amoA基因的末端限制性片段长度多态性分析29-30
• 2.13 氨氧化微生物克隆文库的构建、测序和进化树分析30
• 2.14 氨氧化微生物的变性梯度凝胶电泳分析30-31
• 2.15 统计分析31-32
• 第三章 退耕还林对土壤细菌群落多样性的影响32-43
• 3.1 引言32
• 3.2 结果与分析32-39
• 3.2.1 土壤理化性质32-33
• 3.2.2 土壤细菌群落丰度33-35
• 3.2.3 细菌群落α多样性35
• 3.2.4 细菌群落β多样性35-39
• 3.3 讨论39-42
• 3.3.1 退耕对土壤理化性质的影响39-40
• 3.3.2 退耕对细菌群落丰度和多样性的影响40-41
• 3.3.3 退耕对细菌群落结构的影响41
• 3.3.4 退耕对功能细菌的影响41-42
• 3.4 小结42-43
• 第四章 退耕还林对土壤氨氧化微生物群落数量和结构的影响43-53
• 4.1 引言43
• 4.2 结果与分析43-51
• 4.2.1 土壤硝化潜式和氨氧化微生物群落丰度43-44
• 4.2.2 氨氧化微生物群落结构44-51
• 4.3 讨论51-52
• 4.3.1 退耕对氨氧化细菌群落丰度和结构的影响51
• 4.3.2 退耕对氨氧化古菌群落丰度和结构的影响51
• 4.3.3 影响氨氧化微生物的主要环境因子51-52
• 4.4 小结52-53
• 第五章 施肥方式对土壤氮循环相关微生物的影响53-71
• 5.1 引言53
• 5.2 结果与分析53-68
• 5.2.1 土壤理化性质53-54
• 5.2.2 细菌和氨氧化微生物群落丰度54-55
• 5.2.3 细菌群落α多样性55-62
• 5.2.4 细菌群落β多样性62-66
• 5.2.5 氨氧化微生物群落结构66-68
• 5.3 讨论68-70
• 5.3.1 不同施肥方式对细菌群落结构的影响68-69
• 5.3.2 不同施肥方式对功能细菌的影响69-70
• 5.4 小结70-71
• 第六章 草地开垦对土壤团聚体及氨氧化微生物的影响71-88
• 6.1 引言71
• 6.2 结果与分析71-85
• 6.2.1 草地开垦对土壤理化性质的影响71-72
• 6.2.2 草地开垦对土壤容重和含水量的影响72-73
• 6.2.3 草地开垦对土壤湿筛团聚体的影响73-75
• 6.2.4 草地开垦对土壤干筛团聚体的影响75-76
• 6.2.5 草地开垦对土壤湿筛团聚体结合态有机碳的影响76-78
• 6.2.6 草地开垦对土壤湿筛团聚体细菌和真菌群落数量的影响78-80
• 6.2.7 草地开垦对土壤湿筛团聚体全氮的影响80
• 6.2.8 草地开垦对土壤湿筛团聚体氨氧化微生物群落数量的影响80
• 6.2.9 草地开垦对土壤湿筛团聚体氨氧化微生物群落结构的影响80-85
• 6.3 讨论85-87
• 6.3.1 草地开垦对土壤团聚体和土壤碳氮的影响85-86
• 6.3.2 草地开垦对氨氧化微生物群落数量和结构的影响86-87
• 6.4 小结87-88
• 第七章 总结88-90
• 7.1 土壤有机质含量是介导武川地区土地利用变化改变土壤细菌群落的主要环境因子88
• 7.2 土壤pH介导土地利用变化对土壤氨氧化微生物群落的影响88-89
• 7.3 土地利用变化会改变氨氧化微生物生长的微环境89
• 7.4 有待进一步探讨的问题89-90
• 参考文献90-107
• 致谢107-109
• 个人简历109

【共引文献】

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