蓄水坑灌水氮热耦合作用下土壤中氮素转化与微生态环境特征研究

发布时间：2018-12-06 09:12

【摘要】：蓄水坑灌法作为一种在北方干旱、半干旱地区进行推广的新型节水灌溉方法,目前已经针对土壤氮素分布规律,灌溉水分迁移规律等做了大量研究。结果显示蓄水坑灌能显著提高土壤氮肥利用率、果品品质及产量,且大量研究表明上述指标的提高与土壤水氮运移转化及微生物群落结构的变化有很大关系。而蓄水坑灌法尚未从微生态环境变化角度开展此项研究,故本研究对蓄水坑灌不同体系温度条件下土壤水分及氮素空间分布特征,水氮热耦合作用下土壤微生物量碳、微生物量氮、土壤酶的空间分布特征进行了深入分析,并采用PLFA分析方法对微生物数量、组成、分布进行了探究,同时利用Illumina Miseq高通量测序法从分子水平定量分析了不同灌溉处理下根际土壤中微生物群落结构的组成、丰度、遗传多样性,采用聚类分析、PCA主成分分析、RDA冗余分析、Heatmap热点图分析等手段,对不同处理样本微生物的群落组成、变化与环境因子的相关性进行了深入探究,研究结论如下:(1)通过对蓄水坑灌不同体系温度下水分分布特征研究,得出入渗初期土壤水分径向迁移速率显著高于垂向迁移速率,随时间推移径向与垂向迁移速率逐渐降低;随温度升高土壤中水分的迁移速率逐渐加快,且径向水分迁移距离增量与垂向水分迁移距离增量均随时间呈现幂函数关系;再分布阶段不同时间点的二维含水率等值线形状呈近似“鸭梨状”;随着时间的推移各温度条件下径向河垂向迁移距离均逐渐增大,并表现出蓄水坑壁附近土壤水分向远离蓄水坑壁区域再分布、湿润土体内含水率分布逐渐均一的现象,且温度的升高能加快土壤水分的再分布速率。(2)为明确氮素迁移转化机理,对不同体系温度下氮素分布特征进行了研究,结果显示体系温度升高不仅能加快尿素水解反应的速率,同时可促进硝化反应进程、抑制铵态氮的积累;当温度为25℃~35℃时,15d左右基本可完成尿素的水解过程;但体系温度的升高对铵态氮的径向迁移速率无显著影响;低温条件下土壤的硝化作用较弱,随温度的升高土壤硝化作用逐渐增强,硝化反应最适温度为25℃~35℃;且当土壤中含水率过高时,将抑制其硝化反应进程。(3)结合蓄水坑灌水氮分布特征,进一步开展了水氮热耦合作用下土壤微生物量碳、氮迁移转化特征研究,结果表明蓄水坑灌垂向空间各处理的微生物量碳(SMBC)、微生物量氮(SMBN)含量随土层的加深而下降,相比地面灌溉,蓄水坑灌下SMBC、SMBN含量下降缓慢;径向空间各处理的SMBC、SMBN含量表现为地面灌溉(G4处理)随距树干距离的增加而降低,最高值出现在距树干20cm处;蓄水坑灌(G1、G2、G3处理)0-30cm土层内SMBC、SMBN含量随距树干距离的增加先升高后降低,距树干35cm处的最高,距树干50cm处的最低,30-70cm及70-100cm土层内随距树干距离的增加而升高,最高值出现在距树干50cm处。(4)从酶活性变化角度,对水氮热耦合作用下蓄水坑灌根际土壤微生态环境进行了研究,结果表明不同灌溉处理的脲酶、转化酶、磷酸酶活性在垂向空间均表现为地面灌溉(G4处理)下随深度的增加活性逐渐降低,最高值出现在表土层(0-30cm),蓄水坑灌(G1、G2、G3处理)下随深度的增加活性先升高后降低,最高值出现在中深层(30-70cm);不同处理下水、氮灌施后伴随再分布时间土壤酶(脲酶、转化酶、磷酸酶)活性均呈现先增大后减小,最后保持平稳的变化特征,3d时达到最高值,其中脲酶和磷酸酶活性在灌施后1-15d之内先升高后下降,15d之后基本维持在一固定水平,转化酶活性则在灌施后1-7d之内先升高后下降,7d之后在一稳定值内轻微波动变化;且土壤脲酶、转化酶、磷酸酶活性均与温度呈正相关关系。不同灌溉处理的脲酶、转化酶、磷酸酶活性在径向空间均表现为地面灌溉(G4处理)下随距树干距离的增加而降低,最高值出现在20cm处;蓄水坑灌(G1、G2、G3处理)下0-30cm土层内随距树干距离的增加先升高后降低,距树干35cm处的酶活性最高,50cm处的最低,30-70cm及70-100cm土层内随距树干距离的增加而升高,最高值出现在距树干50cm处;地面灌溉在表土层(0-30cm)的酶(脲酶、转化酶、磷酸酶)活性高于蓄水坑灌,蓄水坑灌则在中深层(30-70cm、70-100cm)的酶活性高于地面灌溉,苹果树的根系在中深层分布的多,而中深层较高的脲酶、转化酶、磷酸酶活性有助于根系对土壤中氮、碳及磷等营养元素的吸收,对果树的生长更有利,加之蓄水坑灌直接把水肥灌施在果树根部,减少了地表蒸发,有较大的节水潜力,从土壤酶活性及节水性角度说明蓄水坑灌这一新型灌溉方法的优越性之所在。(5)采用PLFA磷酸脂肪酸分析法,深入探究了不同灌溉方式及年限对土壤微生物数量及种类分布的影响,发现蓄水坑灌改变了土壤中微生物的种类,其中地面灌溉(DM)PLFA种类数为18类,蓄水坑灌1年(XY)PLFA种类数为17类,蓄水坑灌3年(XS)PLFA种类数为19类,表明蓄水坑灌改变了原有微生物的生活环境,部分微生物由于不适应新环境而减少、死亡甚至淘汰,经过三年的驯化,其与新环境相适应,大量繁殖甚至衍生出了新的微生物。通过对土壤微生物群落分布的分析表明,蓄水坑灌对革兰氏阴性菌(G-)含量影响不大,而真菌含量在逐渐升高;细菌呈现先降后升趋势,放线菌和革兰氏阳性菌(G+)则逐渐降低。(6)通过引入Illumina Miseq高通量测序法,从分子学角度探究了蓄水坑灌微生物遗传多样性、组成结构差异及其与土壤中水氮等环境因子的关系,结果表明细菌16S r RNA和真菌18s DNA的基因遗传多样性在不同类型的土壤中均存在差异,不同灌溉类型对根际土壤中细菌和真菌微生物群落多样性的影响基本一致,物种丰富度、多样性和均匀性指数大小依次为:蓄水坑灌3年(XS)地面灌溉(DM)蓄水坑灌1年(XY);优势度指数依次为:蓄水坑灌1年(XY)地面灌溉(DM)蓄水坑灌3年(XS)。这主要由于蓄水坑灌1年(XY)模式下新坑的构建破坏了原有土壤结构,阻断了土壤水分、养分、微生物表层横向毛细管运输通道;同时与地面灌溉相比,土壤水分、养分的迁移途径均产生了很大的改变,从而改变了果树根际土壤微环境,并诱导着土壤微生物群落结构的变化。而伴随着蓄水坑灌时间的增加,新的灌溉模式下土壤中水分、养分逐渐向蓄水坑的斜下方迁移,加快了下层土壤的熟化,并重新构建了水分、养分、微生物中深层运输通道,故微生物群落结构的多样性与丰富度也随着灌溉年限的增加而增加。(7)不同灌溉方式及年限下根际土壤中真菌和细菌DNA测序结果显示,研究区微生物土壤群落细菌主要位于33个门、397属。其中细菌的优势菌门主要包括:Proteobacteria(变形菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Planctomycetes(浮霉菌门)、Gemmatimonadetes(芽单胞菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Nitrospirae(硝化螺旋菌门),其中Proteobacteria变形菌门是最优势菌门;研究区微生物土壤群落真菌主要位于28门、86属,土壤真菌优势门类主要包括:Ascomycota(子囊菌门)、Basidiomycota(担子菌门)和Zygomycota(接合菌门),其中子囊菌门是丰度最大的真菌门。(8)通过不同灌溉方式及年限下根际土壤微生物组成与差异分析,土壤样本中微生物的主成分(PCA)分析与聚类分析结果一致,均表明长时间蓄水坑灌溉会对土壤中真菌和细菌的组成结构产生影响;相比地面灌溉,蓄水坑灌改变了土壤中水分、养分运输通道,诱导微生物向30-70cm深层聚集,极大改变了苹果树根际土壤微生态环境,致使部分微生物逐渐因不适应新环境而发生死亡,逐渐被淘汰,同时驯化其他与新环境相适应的微生物,大量繁殖,造成不同组别微生物组成结构的差异。(9)深入探究了环境因子与土壤微生物群落结构相关性,结果显示,NO3-N、NH4-N、MC、SMBC和SMBN等环境因子均对土壤中微生物群落变化有影响,RDA冗余分析结果表明蓄水坑灌造成的SMBN和NO3-N变化,是引起土壤微生物真菌群落变化的主要因子;Heatmap图分析表明,NO3-N的积累主要引起了OTU119(Ascomycota)群落的增加,SMBN的增加则引起了OTU119(Ascomycota)和OTU97(Basidiomycota)的增加。同时蓄水坑灌造成的NO3-N在土壤中深层积累,也是造成土壤微生物细菌群落变化的主因,其主要促进了OTU809(Actinobacteria)、OTU868(Gemmatimonadetes)、OTU877(Chloroflexi)、OTU1236(Thermotogae)、OTU1035(Thermotogae)等细菌门类的增长。论文从微生态角度对蓄水坑灌土壤氮素迁移转化和土壤微生物群落结构多样性进行了探究,得出一些有益结论,为蓄水坑灌节水理论的完善提供了理论支持。
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【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S275

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