内蒙古退化典型草原土壤理化性质与土壤微生物对施肥的响应

发布时间：2020-04-11 00:39

【摘要】：草原是我国最大的陆地生态系统,具有生产、生态服务以及游憩等多种功能。研究其生物群落的基本特征以及生态环境可以反映内蒙古地区草原生态系统的结构、类型和生态过程。目前内蒙古草原退化严重,主要表现为:退化草地土壤有效养分含量降低,草原生物多样性下降,草地牧草生长易受限制且品质较差,畜牧业的可持续发展遭受严重威胁。施肥是一种快速恢复退化土壤肥力的措施,已经被应用于退化草原的恢复治理工作中。大量科学研究已经基本证明制定合理的施肥措施可以促进退化草原土壤和植被的恢复。同时,不同草原类型、土壤条件、气候条件的差异,造成不同地区退化草原对施肥的响应表现出较大的不一致性。对降雨量较低的退化典型草原,能否依靠施肥快速提高草原生产力尚无定论。本试验研究退化典型草原对氮磷肥配施的响应机制,为制定合理的草地恢复措施提供理论依据和技术指导。本试验在内蒙古锡林浩特市典型草原区进行。2014年6月,约50 ha自由放牧退化典型草原进行了围栏保护。然后在围栏区划定试验小区(每小区400 m~2),于同年7月初进行第一次撒施肥料,之后每年6月施肥。试验采用完全随机设计,设置5个施肥处理:(1)不施肥0(Control即CK);(2)施磷肥,60 kg P/ha(P);(3)施氮肥,100 kg N/ha(N);(4)氮磷配施60 kg P/ha+100 kg N/ha(P+N);(5)有机肥,4000 kg羊粪/ha~1(M,相当于16.4 kg P/ha和81.2 kg N/ha)。每个处理重复3次。无机磷肥为过磷酸钙(14%P),氮肥为尿素(46%N),羊肥收集自牧民养殖场并进行了腐熟、过筛。本试验于2016年(施肥第三年),分析测定了1)不同生长月份植物地上生物量、土壤理化性质及土壤微生物量碳氮含量;2)7月份土壤细菌16S与真菌18S测序;3)土壤细菌与真菌群落多样性和丰度;4)丛枝菌根真菌(AMF)的多样性;5)各理化指标与细菌和真菌菌群的相关性。得出的主要研究结果如下:1.经三年的施肥处理后,退化典型草原植被组成相对稳定,主要物种地上生物量对施肥的响应不敏感。其中,克氏针茅比例基本维持在60%以上,其他类型植物占比较小。2.退化草原连续三年施肥后,0-10 cm或10-20 cm土壤全氮(TN)、有机碳(TC)、全磷(TP)、土壤碱解氮(AN)含量及pH均未发生显著变化。施加磷肥可显著提高土壤速效磷含量。天然草地采取表面撒施,肥料向土壤下层移动速度慢,加上干旱土壤环境对速效养分的固定作用,使得除了土壤速效磷之外的土壤养分对三年施肥的响应整体不显著。3.对样本优化信息统计得土壤包含1,120,431条细菌序列,1,129,387条真菌序列。对序列抽平后按97%的相似性聚类得细菌OTU数3907,真菌OTU数453。4.细菌与真菌序列经Beta多样性比较得到样本距离矩阵,再进行聚类分析。结果,0-10 cm和10-20 cm有机肥处理的细菌群落与其他处理明显分为两组;0-10cm磷肥处理的真菌群落聚为一组,其他处理聚为一组,而10-20 cm有机肥处理的真菌群落结构聚为一组,其它处理聚为一组。另外,细菌不同处理间群落差异大于真菌群落。整体上,施磷肥、有机肥使细菌与真菌的群落结构发生显著变化。5.在门水平上,施肥对部分土壤细菌与真菌的组成及丰度产生了显著影响,尤其是施用有机肥。所有处理的细菌门水平优势组成是Actinobacteria、Proteobacteria、Acidobacteria和Chloroflexi,占细菌总量的84.63%;真菌优势组成是Ascomycota(71.26%)和Basidiomycota(13.50%),占真菌总量的84.76%。0-10 cm,施用有机肥减少了土壤中细菌Nitrospirae(1.11%)的丰度,显著增加了细菌Proteobacteria(19.54%)及真菌Ciliophora(1.83%)的丰度。10-20 cm,施用有机肥显著增加了细菌Chloroflexi(7.55%)的丰度。磷和氮磷配施较未施肥处理显著增加了真菌Chytridiomycota(1.01%)的丰度,而氮肥和有机肥处理的丰度则没有发生显著改变。其它细菌或真菌丰度在门水平上均未发生显著变化。6.采用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类学分析,通过与真菌数据库UNITE(置信度阈值0.7)比对得到每个OTU对应的物种分类信息,获得7个丛枝菌根真菌(AMF)序列。之后通过GenBank数据库得到各自登录号进行亲缘聚类分析。其中,序列MF 693140与隐形球囊霉属Paraglomus occultum聚在一起,MF693141与Ambispora fennica聚在一起,MF693144与盾巨孢囊霉Scutellospora species聚在一起,MF693143和MF693138与Rhizophagus species聚在一起,MF693139与多孢囊霉菌Diversispora species聚在一起,而MF693142与幼球球囊霉属Claroideglomus species聚在一起。对7条序列在不同样本的丰度进行方差分析发现,MF693138序列在磷肥处理丰度最高,且显著高于其它处理,而其它序列丰度在不同施肥处理间均无显著差异。7.对3种草地植物(糙隐子草,Cleistogenes squarrosa;克氏针茅,Stipa krylovii;羊草,Leymus chinensis)根系侵染AMF的分析结果表明,施肥对侵染率(F%)、菌根侵染强度(M%)和根系丛枝率(A%)产生显著影响,但整体没有呈现有规律的变化趋势。8.对门水平丰度前50的细菌与真菌群落与8个环境因子进行了相关性分析。结果表明,0-10 cm土壤pH对群落分布影响较大且不同与其它因子,其与细菌群落多呈显著正相关(其中有3种达到显著水平,P0.01),与真菌群落多呈负相关。综合分析认为,土壤理化因子对土壤微生物群落的分布将产生显著影响。经长期施肥后,草地土壤理化性质发生变化,可能通过改变土壤微生物结构,影响草地植物群落。
【图文】：

分布图,年降水,分布图,锡林河

第 3 章材料与方法第 3 章材料与方法验区概况试验地位于内蒙古锡林浩特市以南的锡林河水库附近，地理坐标：北671′，，东经 116°10.162′，海拔 1290 m，属温带大陆性半干旱气候，过去年平均气温 1.7 ℃。年降水量 350 mm，近三年的降雨量如图 1 所示（图 3降雨变化率较大。

序列,土壤微生物量碳,细菌,真菌

22图 4.1 连续施肥对 0-10 cm 与 10-20 cm 土壤微生物量碳氮的影响Figure 4.1 Effects of continuous fertilization on microbial biomass C and microbial biomass N at0-10 and 10-20 cm soil layers4.4 微生物多样性及结构对施肥的响应本研究中，利用高通量测序手段对土壤细菌和真菌进行了分析。30 个样品得到 1,120,431 条细菌序列和 1,129,387 条真菌序列。对序列抽平后按 97%的相似性聚类得细菌 OTU 数 3907，真菌 OTU 数 453。基于 OTU 水平，针对物种丰富度指数 Ace and Chao，多样性指数进行进一步分析得到表 3。多样性指数表中，细菌的物种覆盖度 coverage 指数均在 0.97，真菌的 coverage 指数达 0.99，表明测序的深度足以准确表征样品中的细菌和真菌群落（表 4.4）。整体上，细菌 ace 和 chao 均超过 2400，为真菌丰富度指数的 10 倍左右。 0-10cm 和 10-20 cm，细菌与真菌的丰富度指数均没有显著变化，但 0-10 cm 的细菌与真菌的丰富度指数高于 10-20 cm 的指数。细菌多样性指数 Shannon 的变化范围是
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S812.2

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