半干旱羊草草原土壤氮素转化与关键微生物特性研究

摘要

长期不合理利用导致我国半干旱羊草草原生态系统养分大量输出，草地植被退化、土壤贫瘠、生产力低下的现象普遍存在。施肥和切根是改良和维持草地生态系统养分平衡的重要管理措施。随着分子生物学技术的发展，从基因水平研究土壤微生物主要功能类群在土壤氮素转化过程中的作用，为评价土壤氮素循环提供了新途径。本试验于2014和2015年在河北省张家口市塞北管理区羊草草原，围绕施肥和切根对草地土壤氮素形态及转化特征的影响，研究了土壤氮素转化过程中氨氧化细菌、氨氧化古菌、固氮菌和反硝化菌功能基因丰度以及氨氧化细菌和古菌群落结构对施肥和切根的响应规律，探讨了管理措施影响草地土壤氮素转化的途径与机理，并结合土壤呼吸，酶活性以及土壤理化性质和植被特征几个层面，评价了管理措施对草地生态系统的影响。主要研究结果如下：
　　1.管理措施影响草地土壤氮素转化。施氮肥后，草地5、6、7月土壤硝化、矿化作用强烈；切根样地6、7月土壤硝化和矿化作用显著强于对照样地。氮磷配施（N1P、N2P）样地土壤铵态氮含量显著低于相应的氮肥单施（N1、N2）样地（p<0.05）；高氮肥（N2、N2P）样地土壤硝态氮含量高于其他施肥和切根样地（N1、N1P、P、WC）处理，增加了硝酸盐淋溶损失和污染环境的风险。
　　2.土壤氮素转化关键微生物功能基因丰度受管理措施的影响。氨氧化细菌AOB-amoA和固氮菌nifH基因拷贝数对施肥反应敏感，尤其氮磷配施使两者显著提高（p<0.05）。切根对氨氧化古菌AOB-amoA基因拷贝数无显著影响（p>0.05），使AOA-amoA基因拷贝数提高了53.91％， nifH基因拷贝数降低了43.99%。施肥和切根对反硝化菌nirK基因拷贝数没有明显的影响。土壤氮转化功能基因拷贝数与土壤因子的偏相关分析表明，影响AOA-amoA基因拷贝数的主要因素为土壤pH（r=0.74，p=0.155）和全氮含量（r=0.70，p=0.170）；影响AOB-amoA基因拷贝数的因素众多，主要为：累计矿化量（r=0.94，p<0.05）、全氮含量（r=0.96，p<0.01）、硝态氮含量（r=-0.92，p<0.05）、C:N（r=-0.88，p<0.05）、N:P（r=-0.95，p<0.05）、水分含量（r=-0.93，p<0.05）、施氮量（r=-0.89，p<0.05）和施磷量（r=-0.91，p<0.05）；影响 nifH基因拷贝数的主要因素为壤累计矿化量（r=0.76，p=0.072）和全磷含量（r=-0.92，p<0.05）；影响nirK基因拷贝数的主要因素为累计硝化量（r=0.88，p<0.05）和有机质含量（r=-0.92，p<0.05）。
　　3.管理措施改变了土壤氨氧化古菌（AOA）与氨氧化细菌（AOB）群落结构。研究区草地土壤氨氧化微生物 AOA群落组成以泉古菌门（Crenarchaeota）为优势类群，AOB以变形菌门(Proteobacteria)占绝对优势。切根对草地土壤氨氧化微生物有显著的影响。切根增加了AOA群落的丰富度指数，表明切根有利于AOA群落的生长；但切根使AOB群落变形菌门丰度指数显著降低。施氮肥尤其是高氮磷配施使土壤AOB物种丰富度指数显著提高（p<0.05）。通过土壤氨氧化微生物群落与土壤理化性质的冗余分析发现，影响土壤AOB群落结构的主要因素为土壤有机质（p=0.004）和氮肥施入量（p=0.038）；影响土壤AOA群落的最主要因子土壤pH（p=0.044），其次为磷肥施入量和土壤全磷含量。
　　4.管理措施影响草地植被群落和种群特征。施肥使克氏针茅频度平均增加了43.1%（p＜0.05），而切根使其频度平均降低了43.8%（p＜0.05）。磷肥单施提高了南牡蒿频度，但高氮单施使其频度显著降低（p＜0.05），而切根使导致其频度平均降低了24.2%。单施磷肥导致羊草频度降低，而施氮肥和切根对其频度无显著影响。氮肥施入显著提高了草丛高度（p＜0.05），但单施磷肥对草丛高度无显著影响。高氮磷混施使得羊草草地浅层地下生物量下降30%以上。氮肥施入显著提高了杂类草的生物量（p<0.05），但对羊草和南牡蒿地上生物量无显著影响。施氮肥增加植物体氮含量，而施磷肥和切根则对其无显著影响。氮磷肥混施增加了南牡蒿和羊草的磷含量，切根对针茅和杂类草磷含量无显著影响。氮磷配施提高了羊草、针茅和南牡蒿的N:P。
　　5.管理措改变了土壤呼吸、酶活性以及理化性质。施氮肥使草地土壤全氮的含量平均提高了20.9%。氮磷混施可提高草地土壤全磷含量，但单施磷肥对土壤全磷含量没有影响。草地土壤pH、有机质含量和电导率均未受到施肥和切根处理显著影响。施肥和切根处理草地生长季土壤呼吸速率表现为先增加后降低的趋势，其中最高值在9月初出现，最低值出现在10月中旬。高氮施入后草地土壤呼吸速率增加，生长季月排放量最大值为108.01 g CO2/m2，最小值为44.50 g CO2/m2。土壤温度是影响草地土壤呼吸速率的主要因素，土壤呼吸速率与土壤温度呈显著的正相关关系（R2=0.5943，p=0.031）。切根处理显著提高了土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性，但高氮肥施入使土壤脲酶活性降低。

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英文缩略表

第一章 引 言

1.1 立题背景与研究意义

1.2 文献综述

第二章 研究内容与研究方法

2.1 研究区概况

2.2 样地设置

2.3 研究内容

2.4 拟解决的关键科学问题

2.5 技术路线

第三章 管理措施对半干旱羊草草原土壤氮素转化的影响

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.3 结果与分析

3.4 讨论

第四章 管理措施对半干旱草原土壤氮素转化关键微生物功能基因的影响

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.4 讨论

第五章 管理措施对半干旱羊草草原土壤氨氧化微生物群落结构的影响

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.3 结果与分析

5.4 讨论

第六章 管理措施对半干旱羊草草原植被特征和N、P生态化学计量特征的影响

6.1 前言

6.2 材料与方法

6.3 结果与分析

6.3 讨论

第七章 管理措施对半干旱羊草草原土壤理化性质、酶活性和土壤呼吸的影响

7.1 前言

7.2 材料与方法

7.3 结果与分析

7.4 讨论

第八章 全文结论

8.1 研究结论

8.2 不足与展望

参考文献

致谢

作者简历