长期施肥对黄壤稻田土壤及不同组分有机碳矿化的影响及其微生物机制

摘要

土壤有机碳矿化是陆地生态系统的基本生化过程，与土壤养分的释放及土壤质量的保持密切相关，而不同粒级组分有机碳由于稳定性的差异，表现出不同的肥力效应和生物有效性。土壤微生物作为土壤肥力的重要组成部分，其群落结构和生物多样性会受到不同施肥措施的影响而有所差异，从而影响土壤肥力。本研究以农业部设置在贵阳的典型黄壤肥力与肥料效益长期监测基地为依托，选取不施肥（CK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（M）和常量有机无机肥配施（MNPK） 4个典型施肥处理，采用湿筛分组法获得粗颗粒（250—2000μm）、微团聚体（53—250μm）和黏粉粒（<53μm）3个组分，在室内模拟培养条件下，用碱液吸收法和氯仿熏蒸—K2SO4提取法对各组分土壤有机碳矿化特征和微生物量碳氮进行研究，用Miseq高通量测序对细菌群落结构多样性进行分析，初步揭示影响黄壤性水稻土有机碳矿化的微生物机制，为预测土壤有机碳库平衡提供数据参考，并明确黄壤区域最佳施肥模式。取得的主要结果和结论如下： （1）长期施肥22年后，NPK处理的土壤总有机碳含量与CK处理相比无明显变化，而M和MNPK处理则显著增加（p<0.05）。模拟培养条件下，CO2产生速率表现为第3—12天的迅速下降和第12—30天的缓慢下降两阶段，各处理土壤总有机碳矿化速率随时间的动态变化均符合对数函数关系（p<0.01）。培养结束（30 d）时，与CK处理相比，各处理土壤总有机碳的累积矿化量和累积矿化率均以有机肥处理（M和MNPK）较好。土壤总有机碳累积矿化量随培养天数的动态变化可用一级动力学方程拟合（p<0.01），模拟结果表明，有机肥处理（ M 和 MNPK ）可不同程度的提高土壤潜在可矿化有机碳量（70.7%—113.0%），其中，M处理可明显提升土壤总有机碳的周转速率，减少周转时间。上述结果表明，黄壤性水稻土长期施用有机肥能够提高土壤总有机碳的矿化速率，在促进土壤总有机碳积累的同时降低其累积矿化率，增强土壤固碳能力。 （2）不同施肥方式下以粗颗粒组分的有机碳含量和潜在可矿化有机碳量最高，黏粉粒组分最低。模拟培养条件下，各组分有机碳的矿化速率和累积矿化量均表现为有机肥处理（M和MNPK）> 单施化肥处理（NPK）> 不施肥处理（CK），呈现与土壤总有机碳一致的变化趋势。培养结束时，有机肥处理（M和MNPK）较CK处理使各组分有机碳累积矿化率下降幅度较大，为0.47—0.15个百分点，且累积矿化率随粒级的减小而减小。所有处理中，土壤各组分有机碳的周转速率以施用有机肥效果最好，其次为单施化肥，不施肥处理最低，半周转期效果与之相反。以上结果表明，有机肥在促进土壤各组分有机碳积累的同时能够降低其累积矿化率，且累积矿化率随粒级的减小而减小，因而固碳能力随粒级的减小而增强。 （3）长期施用有机肥使全土和各组分SMBC和SMBN含量提升的效果好于单施化肥，其中组分SMBC和SMBN含量基本随粒级的减小而降低。与CK处理相比，全土qMB、SMBN/TN分别在MNPK处理和M处理下达显著差异， SMBC/SMBN在各施肥处理中差异较大（NPKM>CK>MNPK，与OTU数量和Chao指数变化趋势一致。细菌α多样性和β多样性均表明不同施肥措施使细菌群落结构存在显著差异，长期施用有机肥处理的细菌群落多样性较为接近，而不施肥处理和单施化肥处理的细菌群落则单独成簇。长期施用有机肥处理中，细菌种属的多样性较高，且分配比例更加均匀，但较NPK处理细菌种属的丰度增加却较少。α多样性表明细菌群落中的三大优势菌是变形菌（Proteobacteria）、绿弯菌（Chloroflexi）和酸杆菌（Acidobacteria），其中变形菌与黏粉粒TN含量关联度最高、绿弯菌与微团聚体T1/2关联度最高、酸杆菌与粗颗粒SMBN/TN关系密切。

目录

第一个书签之前

摘 要

Abstract

第一章引言

1.1 国内外研究现状

1.1.1土壤有机碳库及其组成

1.1.2长期施肥下土壤有机碳的矿化作用

1.2 研究目的及意义

1.3 科学问题

1.4 研究内容

1.5 技术路线

第二章材料与方法

2.1 试验地概况

2.2 试验设计

2.3 土壤样品采集与处理

2.4 测定项目与方法

2.4.1 土壤有机碳分组

2.4.2 土壤有机碳矿化培养试验

2.4.3 土壤微生物量的测定

2.4.4 细菌群落结构Miseq测序方法

2.5 统计分析

第三章结果与分析

3.1 长期施肥对土壤总有机碳含量及其矿化的影响

3.1.1 土壤总有机碳含量

3.1.2 土壤总有机碳矿化速率

3.1.3 土壤总有机碳累积矿化量

3.1.4 土壤总有机碳累积矿化率

3.1.5 土壤总有机碳矿化的动力学方程参数

3.1.6 小结

3.2 长期施肥对土壤各组分有机碳含量及其矿化的影响

3.2.1 土壤各组分有机碳含量

3.2.2 土壤各组分有机碳对总有机碳的贡献率

3.2.3 土壤各组分有机碳矿化速率

3.2.4 土壤各组分有机碳的累积矿化量和矿化率

3.2.5 土壤各组分有机碳矿化的动力学方程参数

3.2.7 小结

3.3 长期施肥对全土和各组分土壤微生物量的影响

3.3.1 土壤微生物量碳

3.3.2 土壤微生物量氮

3.3.3 土壤微生物量碳氮比及其在有机碳和全氮中的比例

3.3.4 土壤微生物量碳氮等指标间的相关性

3.3.5 土壤微生物量碳氮等与有机碳累积矿化量的相关性

3.3.6 小结

3.4 长期施肥对土壤微生物群落结构多样性的影响

3.4.1 细菌群落α多样性

3.4.2 细菌群落β多样性

3.4.3 细菌群落与全土及各组分环境因子间的关系

3.4.4 小结

第四章讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 长期施肥对土壤总有机碳含量及其矿化的影响

4.1.2 长期施肥对土壤各组分有机碳含量及其矿化的影响

4.1.3 长期施肥对全土和各组分土壤微生物量的影响

4.1.4 长期施肥对土壤微生物群落结构多样性的影响

4.2 主要结论

4.3 研究展望

参考文献

致 谢

作者简介

原 创 性 声 明