铁氧化物与有机质对酸性土壤硝化作用的影响

发布时间：2018-04-08 08:16

  本文选题：N素转化　切入点：矿化　出处：《西南大学》2016年博士论文

【摘要】：酸性土壤硝化作用具有空间变异性,很难直接用土壤pH、NH_3的可利用性及氨氧化微生物的群落组成进行解释。说明其他未发现的影响因素可能在酸性土壤硝化作用中起着关键作用。Fe氧化物及有机质在土壤,尤其是酸性土壤中大量存在。Fe氧化物在不同pH、水分及Fe氧化/还原细菌作用下对土壤N素转化的影响不同,从而土壤的硝化作用产生差异。土壤有机质作为土壤组分不可缺失的物质之一,其不仅可以通过自身降解产生N源,也可对土壤无机N进行固定,从而影响N循环。因此,弄清Fe氧化物及有机质与硝化过程的关系对理解其对N循环过程的影响尤其重要。此外,氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)的群落组成不同但生态功能相同,受环境因素的影响,AOB和AOA可能存在生态共存机制。因此,针对酸性土壤中存在的科学问题:非生物因子有机质和Fe氧化物在酸性土壤中扮演的角色及对硝化作用的影响机理、NH_3分子的来源、硝化作用的主导微生物类群及共存方式,本文采用~(15)N示踪和最大近似数(MPN)法、稳定性同位素核酸探针(DNA-SIP)技术、实时荧光定量PCR(q PCR)、克隆、焦磷酸测序,从宏观到微观对酸性土壤中Fe氧化物与有机质主导的生物/非生物耦合作用过程及氨氧化微生物主导的硝化作用过程的影响机理及共存机制进行了系统研究。首先,本文采用常规培养法,从宏观角度初步探索了非生物因子Fe氧化物与有机质在土壤pH、水分含量差异影响下的土壤硝化作用过程。主要得到的结果是:水分含量被控制条件下,加入Fe氧化物与有机质的土壤在田间持水量的100%(100%WHC)时较50%WHC和200%WHC表现出较高的硝化作用。在硝化作用表现优异的水分条件100%WHC水分含量下,强酸性土壤(pH4.3 4.8)中,Fe氧化物与有机质加入或未加入,测得的强酸性土壤的硝化作用都为负,表明Fe氧化物与有机质无法改变和影响强酸性土壤的硝化作用过程。100%WHC水分含量下,Fe氧化物或Fe氧化物与有机质同时加入,显著刺激了pH5.1土壤的硝化作用,而抑制了pH7.8土壤的硝化作用。其主要原因在于Fe氧化物在100%WHC水分条件下的氧化还原活性受土壤pH的影响,从而产生了在低pH和高pH土壤中不同的硝化作用强度。100%WHC水分含量下,有机质的加入显著抑制了pH5.1、pH6.0和pH7.8土壤的硝化作用。接着,根据常规实验得到的结果,100%WHC水分含量下,Fe氧化物或Fe氧化物与有机质同时加入,显著刺激了pH5.1土壤的硝化作用,而抑制了pH7.8土壤的硝化作用。利用~(15)N示踪技术,深入探究了Fe氧化物受土壤pH差异影响而导致的土壤硝化作用差异的机理。结果发现:低pH土壤中,Fe氧化物的加入可以增加土壤的净硝化作用和总N矿化率,但是会降低微生物N的固定;而在高pH土壤中,Fe氧化物加入的影响刚好相反。与对照相比,Fe氧化物加入降低了低pH土壤的微生物生物量N约50%,而增加了高pH土壤微生物生物量N约45%。这些发现为我们在常规实验得到的结果给出了很好的解释。说明低pH土壤中,NH_3分子主要来源于Fe氧化物作用下的有机质的矿化;Fe氧化物在土壤N素转化过程中受土壤pH的影响,对于不同pH的土壤,Fe氧化物在其中的作用机理不同。其次,本文结合~(15)N示踪技术和最大近似数(MPN)法,对酸性水稻土不同深度土壤Fe还原/氧化细菌影响下的Fe氧化物与土壤硝化作用间的相互关系进行了探索。主要结果有:水稻土不同深度土壤总硝化速率与总矿化速率随土壤深度的增加,其变化趋势相同。土层0 10、10 20和20 40 cm的总硝化速率是40 cm土层的总硝化速率的7、7和5倍,土层0 10、10 20和20 40 cm的总硝化速率差异不显著。Fe还原和Fe氧化细菌在0 10、10 20和20 40 cm土层的含量较40cm土层大10到100倍,随土壤深度的变化与土壤硝化作用的变化趋势相同。10 20cm和20 40 cm土层的总NH_4~+固定速率比0 10 cm土层分别减少了71%、29%。Fe还原细菌与全Fe和有效Fe含量具有显著正相关关系;Fe氧化细菌与有机质和NH_4~+的量具有显著正相关关系;有机质与全Fe和有效Fe间具有极显著正相关关系;有机质和全Fe与NH_4~+的量之间具有显著正相关关系。说明Fe氧化物与有机质直接影响了土壤NH_4~+的转化,而该过程中Fe还原/氧化细菌的作用不可忽略。Fe氧化物很可能在Fe氧化细菌作用下被还原,促进了有机质的氧化,从而增加了NH_3分子的浓度。水稻土不同深度土壤硝化作用的差异受土层中Fe氧化物与Fe还原/氧化细菌的共同影响。最后,本文利用稳定性同位素核酸探针(DNA-SIP)技术针对硝化微生物在土壤中可能存在的生态位分异机能,研究了酸性森林土的硝化作用及硝化微生物群落结构。主要结果发现:酸性森林土只有加入尿素后具有明显的硝化作用。而酸性森林土中,氨氧化古菌(AOA)的aom A基因丰度明显高于氨氧化细菌(AOB)的aom A基因丰度,但只有加入尿素的AOB被~(13)C标记。说明酸性森林土硝化作用由AOB主导,其作用机理在于AOB具有脲酶活性,尿素的加入可促进AOB的增长并同时可通过水解提高NH_3底物的浓度,从而提高土壤的硝化作用。研究还发现5%中性紫色土加入酸性森林土后,土壤中不论加入尿素还是加入硫酸铵,土壤中发生了明显的硝化作用,且两种施肥方式下AOB都被~(13)C标记。相比酸性森林土,加入5%中性紫色土的酸性森林土加入尿素后的硝化速率的增加量是酸性森林土的3倍,且AOB的aom A基因丰度的增加量是酸性森林土的27倍。5%中性紫色土的加入扰动了酸性森林土AOB amo A基因的类群。酸性森林土和加入5%中性紫色土的酸性森林土中发挥氨氧化作用的硝化微生物为AOB amo A基因的Nitrosospira属和Nitrosomonas属。不同处理的酸性森林土AOB的amo A基因类群会选择性刺激土壤的硝化作用。酸性森林土和加入5%中性紫色土的酸性森林土AOA的aom A基因序列在Group1.1b。综上所述,土壤生态系统中,非生物因子如Fe氧化物与有机质可能对土壤的硝化作用及N素转化的其他过程产生重要影响。且在不同环境条件下,Fe氧化物与有机质对土壤硝化作用的影响不同。Fe还原/氧化细菌与Fe氧化物共同影响土壤的硝化作用。硝化微生物AOB和AOA的群落差异可能是造成土壤硝化作用驱动者不同的主要原因,且5%中性紫色土的加入使得酸性森林土壤中AOB的类群发生变化并以共存方式表达氨氧化功能。
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【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】：S153
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本文编号：1720793