三峡库区消落带的微生物群落结构、碳氮矿化和硝化作用的研究

发布时间：2017-12-21 00:37

  本文关键词：三峡库区消落带的微生物群落结构、碳氮矿化和硝化作用的研究　出处：《西南大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：在半陆地生态系统中,特别是消落带地区土壤,土壤学和水文学相结合的研究挑战前不久已被确认,相对于陆地土壤,消落带地区土壤的属性和生态过程的研究还较少。消落带地区土壤受到较大的水位波动影响而具有不同的土壤水分条件。通常他们有一个允许有氧过程发生的氧化带。然而,他们在淹没时可以被还原,对土壤微生物群落有毁灭性的影响。由于有机物质的大量积累,消落带地区土壤经常表现为高碳和氮含量。而且,土壤微生物群落的组成和多样性很大程度上决定了生物地球化学循环、有机质的周转过程、土壤的肥力和质量。因此,土壤中微生物多样性的定量已成为微生物研究者面临的一个意义重大又最为困难的任务之一。有许多关于影响河岸带植物多样性的因素的研究,如消落带,并发现物种的存在和丰度在很大程度上取决于各种环境因素(即淹水情况,土壤污染和营养供应)。因此,理解环境因素和植物多样性之间的关系对重建生物多样性的河岸带至关重要。现在很清楚的是,土壤群落是陆地生态系统中最丰富的组成部分之一,并已被描述为“穷人"的雨林。土壤通过土壤微生物在土壤剖面顶部5-10厘米处代谢每年的大部分碳和养分改变量,在生物圈中扮演着关键角色。此外,土壤微生物特性与土壤变化之间的快速响应是由自然和人为因素引起的。土壤微生物群落结构是土壤质量的一个重要而敏感的指标。土壤微生物生物量被认为是可用的营养的一个源或库,并在养分转换中起着至关重要的作用。此外,微生物生物量可用于评价土壤质量以及评估土壤扰动和恢复。所有湿地,例如消落带地区,都有一个共同点。它们是周期性的或永久性的水饱和的土壤环境,具有特征性的植被和地下水位位于或接近土壤表面。最后,土壤氧化还原条件下的陡峭梯度形成了一个维持复杂的元素生物地球化学循环模式。然而,基于物理和化学参数很难完全解释和预测复杂的土壤性质和功能的变化。微生物在土壤中具有较大的丰度和多样性,在有机物分解和养分循环中起着关键作用,不同的微生物群体的功能之间有很大的差异。例如,细菌和真菌为主的能源渠道被认为与不同的生态系统功能有关。除了微生物群落的重要功能外,微生物的组成对各种环境因素也很敏感。因此,微生物组成可以作为一个很好的指标来评价人类活动的影响,包括土壤管理措施对土壤性质和功能的影响。一个不断变化的环境为微生物带来了压力。土壤微生物有各种各样的进化适应性和生理适应机制,这使他们在面对环境压力时能够生存和保持活跃。然而,一个极端的压力会迫使他们进入休眠或导致死亡。特别是由于水文被认为是决定湿地特点的最有影响力的因素,改变水文情势可能导致湿地结构和功能的剧烈变化。很多研究报告了湿地的水文变化对其结构和生态功能的影响。一般情况下,连续干燥和洪水会导致矿化率提高和大量的营养盐浸出。干扰,例如洪水,虽然经常被忽略,但其对地上和地下的生态系统过程均有影响。当土壤从有氧变为淹水无氧时,土壤微生物群落结构也会发生变化,由于细菌和真菌在分解和养分循环中所扮演的不同的关键角色,地下生态系统的变化也可能会影响地上生态系统的组成。随着2008年三峡大坝项目的完成,三峡库区的水位在夏季(5月至9月)的145米到冬季(10月至4月)的175米之间波动,导致形成了沿水库总面积约350平方公里的消落带。降水的轮替时间,使得消落带土壤长期持续性淹水,水位在海拔30米之间波动,显著改变了消落带的环境条件。三峡水库是一年经历一次氧化还原过程,由于间歇性季节降水使得350平方公里的消落带地区的水位在海拔30米之间变化。由于巨大的工程建设影响,水库的两岸因侵蚀其原生植物群落受到相当大的破坏。其余分散的原生植物也无法适应因降水而形成的长时间的氧化还原干扰以及每年都要遭受的广泛的水压力。三峡水库的淹水变更时间和水位消落持续时间形成的长时间氧化还原干扰严重地导致消落带的大部分区域因缺少原生植物而裸露。尽管为恢复三峡库区的河岸生态系统做了巨大的努力,但关于消落带地区氧化还原干扰对微生物群落结构、碳和氮矿化、硝化潜力和净硝化率的影响还了解甚少。了解这些数据有利于加强消落带区域的恢复策略,本研究基于从上游到下游的地理特征于2014年6月在三个地区包括上游万州(n30.712576°,e30.712576°)、中游长寿(n29.799030°,e29.799030°)和下游丰都(n29.904140°,e107.754242°)进行了实地调查。研究区域是典型的东南部亚热带季风气候,1月年平均温度为5.3°c,7月为29°c。年平均降水量约1100毫米80%降雨集中在4月和10月之间。研究土壤为始成土,包括中国土壤分类(gscc)中的紫色土(47.8%,普通始成土按照世界土壤资源参比基础分类)。从2006年到2014年,季节性降水引起沿海拔高度形成不同氧化还原梯度,即海拔150米至156米一年有8个月处于淹水状态,157米到170米一年有5个月处于淹水状态,171米到175米一年有8个月处于淹水状态。土壤样本采集自从150米至182米的三个不同海拔高度,代表了三峡库区三个不同的采样区域(水库上部的万州,中间部分的长寿,较低部位的丰都)因重复性淹水而形成的不同氧化还原体系(点)。海拔150米至156米从2006年到2014年经历了8次淹水(8次循环),161米到170米从2009年到2014年经历了5次淹水(5次循环)以及180米到182米有原生植物群落没有被淹水(0次循环)。随机选取沿海拔高度从150到182米的土壤,每个采样点采集3个小区(丰都采集了4个小区)。每个采样小区(1×1米),间隔采集5个0-20-cm深度土壤样本,然后混匀成1个混合土样。土样被密封在塑料袋里,于4°c保存进行土壤理化分析,如土壤ph值、toc、tn和硝氮,于-20°c保存用磷脂脂肪酸对土壤微生物群落结构分析(plfa)分析。风干土样用于研究消落带c和n矿化和硝化动力学。土壤氮矿化培养设置两个处理:1)无外加氮源的空白处理,2)添加0.34毫克每克土的精氨酸(含氮88.4mgn每千克土)来确定两个处理之间无机n的变化。然而,土壤碳矿化培养也有两个处理:1)无外加碳源的空白处理,2)添加含碳1%的葡萄糖来确定两个处理之间co2-c的变化。对于硝化动力学研究,我们设置两个处理:一半的烧瓶添加0.518mg(nh4)2so4g-1干土(相当于0.0884mgng-1),另一半作为空白处理。三种土壤样品于保持最大田间持水量(whc)的70%于28°c下预培养7天。所有的处理设置重复进行培养,30g土保持最大田间持水量的70%于250ml三角瓶中28oc下黑暗培养15天。在第0天、第5天、第10天、第15天采样。此外,在培养的第0、5、10和15天,每个处理随机选取3个重复提取dna和用定量pcr(qpcr)测定amoa基因拷贝数。取0.50g三种土壤用土壤dna快速提取试剂盒根据制造商的协议来提取其dna(mpbiomedicals,unitedstates)。提取的dna的质量和数量用分光光度法测定(nanodrop,peqlab,germany),然后存储在-20°c以备使用。对amoa基因进行定量pcr来分别预测氨氧化细菌和古细菌群落的丰度。结果表明,消落带土壤和原生土壤共有31个不同的plfa生物标记。长时间氧化还原扰动将引起的plfa官能团的变化。在长寿、万州和丰都三个采样点,相比于未经历氧化还原的原生土壤,经历了8次及5次氧化还原循环次数的土壤中的饱和直链plfas分别有18%-22%和22%-18%的增长,而饱和支链plfas则分别有10%-12%和24%-26%的增长,同时,环丙基plfas分别有30%-32%和47%-32%的增加。相比于未经历氧化还原的原生土壤,其他两种土壤的线性单一不饱和plfas与多元不饱和plfas都减少了。在8次循环和5次循环的土壤中单不饱和磷脂脂肪酸分别线性减少41%-43%和19%-20%,在8次循环的土壤中没有发现多不饱和脂肪酸;与长寿,万州和丰都0次循环的土壤相比,5次循环的土多不饱和脂肪酸有80%-84%的减少。8次循环和5次循环的土壤中以一般的细菌、革兰氏阳性菌、硫酸盐还原菌(srb)和厌氧菌为主,而在长寿,万州和丰都0次循环的土壤中,真菌、革兰氏阴性菌、放线菌、甲烷氧化菌,好氧菌和原生生物比较丰富。消落带(8次循环和5次循环)和未经历氧化还原土壤(0次循环)之间存在显著的统计学差异(p0.002),这也解释了某些微生物如真菌、原生动物、革兰氏阴性细菌、放线菌、好氧细菌在消落带生长被抑制。在长寿消落区没有发现原生生物但在万州和丰都5次循环消落区中被发现。土壤ph值、toc和tn与g+/g-比例呈正相关,但与总plfa,f/b,a/b和mono/branch比呈负相关。c:n比与总plfa和g+/g-比例呈正相关,但与f/b,a/b和mono/branch比呈负相关。尽管在15天的培养中消落区的ph是高于所有三个地区的未经历氧化还原土壤,但消落区(8次循环和5次循环)和未经历氧化还原土壤(0次循环)ph值都呈下降趋势。有趣的是,加入精氨酸导致ph值的增加而加入葡萄糖则导致ph降低。未经历氧化还原的0次循环的土壤中ph值下降最多(0次循环5次循环8次循环),而在所有三个地区的消落带土壤没有显著差异(p0.05)。消落区(8次循环和5次循环)和未经历氧化还原土壤(0次循环)在15天的培养期间nh4+和n2o随着培养时间而减少,而no3-随着培养时间而增加。在15天的培养中所有的氧化还原位点保持显著下降,虽然消落带8次循环和5次循环的土壤中n2o-n和nh4+-n含量显著高于未经历氧化还原的0次循环土壤;由此,在15天的培养过程中,所有的氧化还原区域(采样点)都保持显著增加的趋势,虽然在第15天时,经历了8次及5次氧化还原循环次数的土壤的硝态氮浓度比未经历氧化还原的原生土壤显著降低。15天的培养过程中,原生土壤的净氮矿化率显著高于其他两种土壤,但在培养后期观察到了其相反趋势。结果表明,只有丰都消落带经历了8次及5次氧化还原循环次数的土壤在第5天减少或固定了其净氮矿化过程。但在三个区域土壤的培养过程中原生土壤都没有观察到净氮矿化的固定。在加入葡萄糖后,三个氧化还原区域中所有可交换的二氧化碳浓度均显著增加,经历8次、5次和0次氧化还原循环的土壤分别增加至401.74,451.58和568.90mgco2-ckg-1土,整个培养阶段显著下降。培养之前,经历8次、5次和0次氧化还原循环的土壤碳矿化分别是370.43,408.21和522.77mgco2-ckg-1土,这表明不同的氧化还原体系间差异显著。尽管未经历氧化还原的原生土壤co2-c矿化高于其他两种土壤,但结果显示,15天的培养过程中,氧化还原区域(采样点)都呈显著下降趋势。添加硫酸氨后,三个消落带区域经历不同氧化还原循环次数的土壤在培养14天过程中,硝态氮浓度升高。硝化动力学模拟表明,长时间氧化还原扰动并未改变这些土壤的潜在硝化作用动力学模式,即零级动力学模型。然而,未经历氧化还原的土壤潜在硝化率为20.2mgkg-1day-1,是经历8次及5次氧化还原循环次数的3.4和1.9倍。而由潜在硝化作用模拟的硝化反应速率(k0),未经历氧化还原的土壤则经历8次及5次氧化还原循环次数土壤的3.8和1.95倍。同时,经历8次及5次氧化还原循环次数符合零级动力学模型,而未经历氧化还原的原生土壤更符合一级硝化动力学模型。但原生土壤的va和硝化反应速率(k0)与其他两种土壤并无显著差异。经历0次、5次和8次氧化还原循环土壤的va分别是6.39,5.31and4.46mgkg-1day-1soil。经历0次、5次和8次氧化还原循环土壤初始潜在的硝化作用分别是12.5,21.1and36.3mgkg-1soil。尽管原生土壤n0高于其他两种土壤,但长时间氧化还原扰动导致经历5次和8次氧化还原循环土壤的Va略有增加。三个采样点的AOB amoA基因拷贝数添加氮源后比未加氮源后显著增长。加入氮源与未加氮源的土壤在培养期间,AOA amoA基因拷贝数的动态变化显示相同的趋势,且在15天培养结束的后丰度最高。周期性降水使得消落带长期处于氧化还原干扰,其微生物群落结构发生明显改变。长期的氧化还原干扰对真菌、原生动物、革兰氏阴性细菌、放线菌、有氧细菌不利。在所有三峡库区消落带8次循环的采样点有一种原生生物因8年长期氧化还原扰动而完全灭绝。消落带微生物活性与有效的底物的交互改变对于三峡库区不同淹水时期减少碳和氮矿化是很重要的。除了丰都8次循环和5次循环的土壤中在第五天观察到N的固定,长寿和万州的土壤在第五天观察到N的固定矿物。所有0次循环在15天的培养时间里没有观察到N的固定。消落带地区土壤净硝化动力学模型受到长期氧化还原干扰的影响,结果表明在消落带土壤中是底物的丰度而非微生物的活性是主导因素,而在未受胁迫的原生植物群落土壤中则是由微生物活性起主导作用。长时间氧化还原扰动并没有改变潜在的硝化作用模式,虽然0次循环的消落带土壤硝酸盐浓度高于8次循环和5次循环。此外,长时间氧化还原干扰对于AOA群落是有利的。因此,如周期性的降水等干扰会使消落带地区形成时间和季节性的氧化还原梯度带,由于水位下降时间和长时间的淹水持续时间的轮替使得其土壤微生物群落结构发生变化而不同于原生微生物群落。周期性淹水而导致的微生物群落结构的改变或现存的微生物生理的改变可以减少微生物群落矿化有效底物的能力,从而造成碳和氮矿化的减少。此外,消落带地区持续性的氧化还原条件的变化可能会对催化的氨氧化的微生物群落产生持续的毁灭性影响。这可能会进一步导致硝化作用代谢的减少,进而使水位波动区域的底物与催化剂相比越来越多。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S154.3
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本文编号：1314044