秸秆添加对土壤有机质和微生物群落及其演替的影响

摘要

有机物料进入土壤后的分解和转化是农林生态系统的重要环节，其中微生物参与的生化过程决定了土壤有机质的积累或释放。土壤-微生物-有机物料作为物质循环和能量流动的统一体，相互影响和制约，共同决定土壤养分的供应。研究有机物料降解过程中微生物作用机理对利用有机物料还田来提升土壤肥力具有重要意义。本研究通过室内模拟方法，对采集自全国17个省的85个土壤添加玉米秸秆，研究了土壤有机质消长的特征、土壤全量养分和速效养分变化规律、可培养微生物数量特征；通过对土壤水分含量、初始有机质含量和土地利用方式的归类，探究土壤有机质消长的因子；比较有机质消长土壤之间微生物 PLFA特征，利用高通量测序方法寻找微生物多样性之间的区别，探讨土壤有机质的消长与微生物群落的互作机理，具体研究结果如下：
　　1.土壤有机质（SOM）含量相对变化率与其初始SOM含量呈显著负相关，二者呈对数关系；水分含量升高，SOM增加和减少的土壤其累积量和消耗量均逐渐降低；4种用地方式土壤添加秸秆处理后，耕地SOM相对变化率除3个土样外均增加，水田SOM均减少，林地和菜地SOM有增有减；土壤初始可培养细菌极显著高于真菌和放线菌（p＜0.01），秸秆添加后各土壤微生物均增加，增加比例水田＞林地＞菜地＞耕地，真菌＞放线菌＞细菌。
　　2.土壤-玉米秸秆混合体系培养90d后，处理后SOM与原始土样SOM之间差值为（I）。SOM含量累积增加的土样有63.5％，其中增加程度较高（I＞12.05g/kg）的土样占39%，增加程度较低（0.25g/kg＜I＜9.00g/kg）的土样占61%。此外，还有36.5%的土样SOM含量下降，下降范围为-112.30g/kg＜I＜-0.30g/kg。
　　3.以土壤-玉米秸秆混合体系培养90d后SOM净累积量（I）为标准对土壤进行分组：SOM累积增加明显的记为I1组，SOM累积增加不明显的记为I2组，SOM减少的记为I3组。选取每组中的10个土样进行研究。三组土壤全氮除HUB-1、GZ-2、HEN-13外，均出现不同程度的增加，增加量I1＞I2＞I3，全磷含量除9个土样减少外，其余均增加，减少的样品在三个组中均存在，全钾含量均大幅增加，平均增加量I1、I2和I3组分别为90.34，61.76和99.60g/kg；三组土壤碱解氮含量大多增加，增加趋势与全氮和有机质一致，均为I1＞I2＞I3组；速效磷含量增加显著，平均含量I3＞I1＞I2，I2较I1、I3分别低32%，38%；速效钾含量亦增加显著，I2组中GS-1增加量最高可达2500g/kg，增量最低的I3组土壤中CQ-3也达到了88g/kg，三组土壤差异不明显，I2略大于I3和I1组。
　　4.秸秆处理后，三组土壤可培养细菌、真菌、放线菌数量均明显增加，增加幅度真菌＞放线菌＞细菌。I3组原始土壤可培养细菌数量分别比I1和I2高出28.3%和23.1%。三组土壤中均存在原始土壤可培养细菌数量与添加玉米秸秆后三种可培养微生物增量呈反比的现象，即原始土壤中可培养细菌数越低，则添加秸秆后三种可培养微生物增量越高，如 I1组 SC-3，I2组 HEN-6、HUB-6和 I3组 AH-2、HUB-3、GS-4、HEB-2、HEN-13、HEN-2，I3组最为明显，其中I3组中可培养细菌数量最低的AH-2和HUB-3，秸秆处理后达到该组样品中三种可培养微生物累计增加最多的样品，分别为1503%和1026%。
　　5. I2组土壤受本底养分含量低的限制，处理后PLFA含量和种类基本与其原始土壤的保持一致；I1和I3组初始SOM含量高且相似，但I1组秸秆处理后引起土壤微生物负激发效应（False Priming Effect,FPE），刺激8种可能具有碳固定功能的真菌、放线菌和G-菌大量增殖，10种受碳源限制的未知细菌类群消失，细菌/真菌显著下降；而I3组秸秆处理后促使10种可能缺乏降解能力的真菌、放线菌和G+微生物类群的增殖，土壤微生物发生正激发效应（Ture Priming Effect。TPE），细菌/真菌虽显著下降，但细菌数量远多于真菌数量，土壤原有养分矿化严重，有机质含量下降。
　　6.分别从I1和I3组中选择相同用地方式的土样，分别为SC-2和HUB-3，高通量测序分析知，秸秆处理后I1组样品SC-2较原始样品细菌丰度无明显差异，真菌丰度显著增加，I3组样品HUB-3细菌和真菌丰度均显著降低，两种土壤样品多样性指标较原始样品均显著降低（p＜0.05）；4个土壤样品中共检测到24个属水平真菌类群，其中处理后SC-2土壤中与原始土壤相比，占总序列比例减少的真菌序列有14个，比例增加的真菌仅为6个且全部为子囊菌属真菌，该属粪壳菌（Sordariales）增幅高达20%。HUB-3处理后样品较原始样品序列比例减少的真菌序列仅为7个，比例增加的真菌有17个，该土壤中优势类群明显，但低丰度分布菌群在处理后土壤中比例大多数有少量增加。玉米秸秆处理对SC-2细菌群落影响不大，处理前后优势细菌类群种类和数量均未发生显著变化，只有变形菌门和放线菌门细菌类群下降。但玉米秸秆添加极大的改变了HUB-3样品中细菌类群的丰度，优势细菌菌群除变形菌门增加外均出现不同程度的下降。
　　7.以SC-2和HUB-3为例，二者均来自水田，原有气候等条件相似，分解条件相同，添加秸秆后SC-2土壤有机质增加，主要受原始土壤中微生物菌群组成及本底理化指标的控制。CCA结果表明SC-2和HUB-3原始土样中微生物群落构成差异大，由高通量分析知，SC-2原始样品中优势细菌主要有变形菌门和绿弯菌门在内的5个门，真菌优势类群包括未知炭角菌和轮枝菌等4种，而HUB-3原始样品中，优势真菌包括未知小囊菌、轮枝菌和未知粪壳菌3种，细菌包括变形菌门和放线菌门等在内的6个门。有机物料降解过程中，2个土壤微生物类群发生变化，SC-2培养结束后，变化最明显的均为细菌类群，而HUB-3培养结束后，变化最多的微生物类群大多为真菌（CCA结果），其中SC-2中微生物菌群变化主要受土壤有机质、总氮、速效磷和碱解氮的影响，过高的速效钾、pH和G+/G-会抑制微生物的分解效率。HUB-3中发生变化的微生物可能与原有有机质的矿化密切相关，且在矿化过程中，微生物菌群组成和丰度与pH、总钾和G+/G-值呈正相关，而与有机质、总氮、速效磷和碱解氮呈负相关。可见2个土壤中微生物分解有机物料过程中受不同理化因子的控制，但具体的机理还需进一步研究。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第1章 文献综述

1.1有机物料对土壤有机质的影响

第2章 绪 论

2.1研究背景与意义

2.2研究目标

2.3研究内容

2.4技术路线

2.5供试土壤概况

2.6供试有机物料

2.7试验方案

第3章 添加玉米秸秆后土壤有机质变化影响因子研究

3.1材料与方法

3.2结果与分析

3.3讨论

3.4小结

第4章 秸秆覆盖下土壤养分及可培养微生物变化特征

4.1材料与方法

4.2结果与分析

3.3讨论

3.4小结

第5章 玉米秸秆覆盖下土壤有机质消长受微生物多样性影响研究—PLFA分析

5.1材料与方法

5.2结果与分析

5.3讨论

5.4小结

第6章 秸秆覆盖下不同有机质消长土壤微生物多样性差异分析—高通量测序

6.1材料与方法

6.2结果与分析

6.3讨论

6.4小结

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

发表论文及参加课题