生物炭对土壤微生物多样性和群落结构的影响

发布时间：2017-12-09 11:38

  本文关键词：生物炭对土壤微生物多样性和群落结构的影响

  更多相关文章： 生物炭 变性梯度凝胶电泳(DGGE) Miseq高通量测序 土壤微生物多样性 土壤微生物群落结构

【摘要】：微生物是土壤生物化学过程的重要参与者,对土壤肥力的形成具有重要作用。大量研究表明生物质在热裂解过程中其碳骨架结构趋于稳定,孔隙结构愈加发达且吸附性能会显著提升,将其用于土壤改良,在调理土壤理化性质的同时可为微生物提供寄居场所,有利于微生物繁殖,提升土壤微生物活力、丰度、群落结构多样性和功能多样性。为明确在不同土壤类型、不同生物炭用量、不同肥料配置条件下生物炭对土壤微生物种群多样性、结构特征和碳源利用能力的影响,本研究选取不同酸碱性土壤开展了生物炭梯度模拟土培实验、盆栽实验以及玉米大田试验,采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)、Biolog和Miseq高通量测序等技术开展研究。模拟培养实验选用的生物炭为稻壳炭,供试土壤分别为红壤(广东惠州)、棕壤(辽宁沈阳)、盐碱土(辽宁营口),施炭梯度分别为Otha-1、10tha-1、20tha-1和40t ha-1。结果表明：添加生物炭能提高三种土壤微生物量碳含量,盐碱土微生物量氮含量表现为增高趋势,而红壤和棕壤表现为降低趋势。红壤pH的影响随着施炭量的增加而增加,而盐碱土和棕壤则随着施炭量的增加而降低,由此推断生物炭和土壤之间的酸碱性差异决定了改良效果,进而影响土壤微生物群落结构。Alpha多样性分析显示生物炭能影响土壤的群落丰富度和多样性。主成分分析结果显示,生物炭对红壤土微生物群落结构的影响最为显著,其次为盐碱土和棕壤。RDA用于分析环境因子(pH、土壤含水量和微生物量氮)、优势菌群和不同处理间的关系。pH对菌群的影响能力高于微生物量氮和土壤含水量。土壤含水量和微生物量氮成正相关,微生物量氮和pH成负相关,含水量和pH间相关性不显著。添加生物炭提高了红壤、盐碱土和棕壤整体细菌群系的膜转运和氨基酸代谢功能,但同时降低了基因的复制和修复功能。土壤细菌群系结构和丰度的变化可能引发土壤系统功能的改变,添加生物炭可提高硝化螺旋菌门(Nitrospira)的丰度,其主要参与亚硝酸盐的氧化和N循环细菌的活动。厚壁菌门的一些芽孢杆菌(Bacilli)能利用各种碳源,促进植物生长的根际微生物,预防植物疾病。大田试验供试土壤为棕壤,供试作物为玉米,试验设8个处理,分别为：(1)CK1-CK2:不炭化还田+不施化肥；(2)BC-CK2:秸秆炭化还田+不施化肥：(3)CK1-N：单施氮肥；(4)BC-N:秸秆炭化还田+单施氮肥；(5)CK1-PK:施磷钾肥；(6) BC-PK:秸秆炭化还田+施磷钾肥；(7)CK1-NPK:施氮磷钾肥；(8)BC-NPK:秸秆炭化还田+施氮磷钾肥。种植制度为玉米连作,生物炭逐年还田,还田量2.55 t ha-1。试验分别于2014年和2015年9月进行田间采样。试验结果表明,添加生物炭能改善土壤理化性质,可显著提高土壤微生物量碳含量。与碳元素不同,生物炭可提供的氮素养分极其有限,因此生物炭还田对土壤微生物量氮的影响更大比例是来自生物炭对土壤氮素的调控,尤其是高量施用水平下(20t ha-1和40tha-1), C/N提升幅度更大。生物炭调节土壤氮素循环主要通过改变氮素的持留和转化来实现,进而直接或间接影响土壤微生物活性、丰度以及多样性。Alpha多样性分析结果显示,BC-N处理的微生物丰富度最高,而不添加肥料和生物炭的处理CK1-CK2微生物多样性最低。添加生物炭增加了一些功能性菌属的丰度,如慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium),具有固氮作用。厌氧粘细菌(Anaeromyxobacter)对环境中的重金属等污染物具有生物修复功能。伯克氏菌(Burkholderia)在农业上作为生物降解、控制及促进植物生长的根际微生物。盆栽试验设定三个施炭量处理,分别为Control (0tha-1)、BC1 (20t ha-1)和BC2(40t ha-1)。结果表明,添加生物炭刺激细菌和放线菌的生长,对氨化细菌和固氮菌的生长影响尤为显著,但对真菌的繁殖影响不显著。优势菌群OTU单元系统分类为：厚壁菌门(Firmicutes),酸杆菌门(Acidobacteria),芽单胞菌门(Gemmatimonadetes),放线菌门(Actinobacteria),蓝藻细菌(Cyanobacteria)和α-,β-, γ-a, δ-变形菌门(a-,β-,r-and δ-proteobacteria),平均相似度大于95%。蓝藻细菌和α-变形菌门的一些种属能通过与植物共生关系的形式固定大气中的氮。添加生物炭后,土壤微生物的碳源利用能力有部分提升,包括L-天门冬酰胺、吐温80、D-甘露醇、L-丝氨酸、γ-羟丁酸、N-乙酰-D-葡萄糖胺、糖原、衣康酸、甘氨酰基-L-左旋谷氨酸、α-丁酮酸、腐胺,其他的20种碳源在Biolog生态板中表现出碳源利用能力下降的现象。冗余分析(RDA)显示,在BC2处理中,土壤理化性质、细菌多样性指数、碳代谢特征与添加生物炭产生的新菌种成正相关。这说明添加生物炭在环境因子和微生物群落之间起到了积极的作用。总之,添加生物炭通过改变土壤理化性质(土壤含水量、pH、土壤微生物量碳、氮,速效氮、磷、钾、总有机碳、全氮、C/N等)从而间接影响土壤微生物细菌群落。在不同施炭量梯度水平对微生物群落有显著影响,而短期内不同取样时间对土壤微生物群系的影响差异表现不一致。试验结果表明生物炭能提高土壤微生物丰度和多样性,改变土壤细菌种群分布,提高土壤微生物碳源的代谢特征,从而可能引发土壤系统功能的改变。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S154.3

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