钼调控黄棕壤氮素转化及其微生物机制研究

摘要

钼是植物、动物和微生物生长所必需的微量营养元素，已有研究多关注于钼促进植物对氮素的吸收同化、增加土壤固氮能力等方面，有关钼对土壤氮循环的调控机制，尤其是对硝化作用、反硝化作用、氧化亚氮(N2O)排放等氮素转化关键过程的影响研究并不多见。因此，本研究采用长期定位田间小区、根箱、室内培养试验，结合高通量测序、qPCR等分子技术，分析土壤钼丰缺对氮素转化关键过程的调控作用，并探讨作物根系、土壤pH、季节变化对调控过程的影响，以阐明钼调控土壤氮素转化的微生物机制。获得的主要结论如下:
　　1.长期定位田间小区试验中，经过7年连续试验，长期施钼将土壤有效钼含量从0.16mg/kg显著提高至0.98mg/kg，长期施钼处理蔬菜累积产量、蔬菜氮素携出量和肥料氮利用率分别增加11.56％、18.41％和8.18％，土壤硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)、微生物量氮(MBN)和全氮含量分别减少13.53％、29.48％、40.37％、和11.88％。因此，长期施钼通过提高作物产量和氮素携出量以降低土壤氮组分含量，通过降低土壤硝酸还原酶(NR)、亚硝酸还原酶(Nir)活性和反应底物浓度削弱硝化和反硝化作用以减少氮素气态损失，以此促进植物氮利用和调控土壤氮转化，减少土壤氮尤其是活性氮富集，进而降低氮损失的环境风险。
　　2.长期定位试验田土壤微生物物种丰富，细菌主要包括14个门，变形菌、酸杆菌、放线菌和绿弯菌为优势种群，真菌主要包括7个门，子囊菌和担子菌是优势种群。长期施钼增加土壤细菌16S rRNA数量，在早春显著诱导nirK、在初夏显著诱导nosZ基因数量增加;长期施钼减少土壤细菌和真菌特有OTU的数量，降低土壤微生物的特异性。在细菌水平，缺钼诱导疣微菌门出现，显著增加OTU750丰度;在真菌水平，施钼显著降低变形虫门Gracilipodida和OTU40丰度。季节变化对细菌和真菌群落结构、多样性和功能基因丰度的影响更为明显:早春诱导细菌和真菌特有OTU的出现，增加土壤微生物的特异性，AOA基因数量较高;初夏时细菌16SrRNA数量、AOB和反硝化基因数量较高。细菌水平上，早春诱导疣微菌门出现;初夏显著增加OTU1134和OTU1617丰度。真菌水平上，早春显著增加OTU168和OTU184丰度;初夏显著增加接合菌门、OTU153、OTU197丰度。
　　3.根箱试验中，根区、非根区土壤氮素转化是两个不同的系统。在根区土壤中，土壤pH值随施钼水平增加而升高;土壤NO3--N含量在0.15和0.3mg/kg施钼水平时显著增加、在1mg/kg施钼水平时显著降低;过氧化氢酶活性显著降低;PDA为负且随施钼水平增加显著降低;narG和nosZ基因数量显著增加。在非根区土壤中，随施钼水平的增加，土壤NO3--N含量和NR活性显著降低;narG基因数量显著增加。土壤pH值、NO3--N含量、过氧化氢酶活性、表观硝化速率(ANR)和nosZ基因数量在根区显著高于非根区;相反，土壤NH4+-N含量、全氮含量、Nir活性、PDA、AOB、nirK和nirS基因数量在根区显著低于非根区土壤。因此，钼在冬小麦根-土氮素转化过程中起的主要作用是，适当的施钼水平（0.3mg/kg）能促进NO3--N和MBN由非根区向根区土壤转移，增加作物生物量和氮携出量，同时削弱根区和非根区土壤反硝化潜势。
　　4.培养试验中，在pH5.3的酸性土壤中，1mg/kg施钼水平显著增加土壤N2O释放速率且在培养的24h之后显著抑制AOA、AOB、narG、nosZ、nirK和nirS基因数量;施钼在培养的48h之前显著减少、在72h显著增加土壤NH4+-N含量。在pH7.5的碱性土壤中，土壤N2O总排放高于酸性土壤且在24h出现排放峰，除24h外，施钼在其他时间点均抑制N2O释放速率;施钼水平为0.3mg/kg时土壤NH4+-N含量在6h和12h显著增加;施钼水平为1mg/kg时土壤NO3--N含量在6h时显著降低、在48h时显著增加，土壤NH4+-N含量在12h和72h显著增加、在48h显著降低;两个钼水平在不同培养时间点对功能基因数量的影响不同。
　　以上研究结果表明，缺钼导致土壤氮富集和环境氮排放的主要过程是:作物生物量低，氮素携出少，土壤氮组分尤其是活性氮含量高，硝化作用和反硝化作用活跃。施用钼肥通过增加作物生物量、促进NO3--N和MBN从非根际土壤向根际土壤转移、增加作物氮素携出降低土壤NH4+-N、NO3--N、MBN和全氮含量，减少土壤氮素残余;通过抑制氨氧化微生物数量削弱硝化作用;通过降低底物浓度和调控反硝化微生物数量在酸性土壤中削弱反硝化作用。因此，在缺钼土壤中，施用钼肥对于提高氮肥利用效率和减少环境氮排放意义重大。

目录

论文说明

声明

摘要

缩略语表(ABBREVIATION)

1 文献综述

1．1 土壤氮素循环概况

1．1．1 土壤氮素的来源

1．1．2 土壤氮素损失

1．2 土壤氮素转化关键过程

1．2．1 硝化作用及硝化微生物

1．2．2 反硝化作用及反硝化微生物

1．3 钼对生态系统氮素转化的调控

1．3．1 植物氮代谢过程

1．3．2 植物根际微域过程

1．3．3 土壤过程

1．3．4 土壤酶活性

1．4 土壤钼的有效性及影响因素

1．5 土壤微生物的研究方法

1．5．1 基于生物化学的传统培养分析方法

1．5．2 分子生物学分析方法

2 研究背景、目标及内容

2．1 研究背景及意义

2．2 研究目标

2．3 研究内容

2．3．1 长期施钼对土壤氮素转化的影响及其微生物机制

2．3．2 土壤钼丰缺和季节变化对土壤微生物群落结构和多样性的影响

2．3．3 根区土壤氮素转化对不同土壤钼水平的响应

2．3．4 土壤pH对钼调控土壤N2O释放的微生物过程的影响

2．4 技术路线

3 长期施钼对土壤氮素转化的影响及其微生物机制

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验设计

3．2．2 供试材料

3．2．3 样品采集

3．2．4 测定指标及方法

3．3 结果与分析

3．3．1 蔬菜累积产量、氮携出量和肥料氮利用率

3．3．2 土壤氮组分含量

3．3．3 土壤酶活性

3．3．4 土壤PDA、GNR和SRR

3．3．5 氮素转化关键微生物功能基因数量

3．3．6 相关性分析

3．4 讨论

3．5 总结

4 土壤钼丰缺和季节变化对土壤微生物群落结构和多样性的影响

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验设计及田间小区情况

4．2．2 供试材料

4．2．3 样品采集

4．2．4 测定指标及方法

4．3 结果与分析

4．3．1 土壤理化性质

4．3．2 土壤16S rRNA数量

4．3．3 土壤硝化功能微生物数量

4．3．4 土壤反硝化功能微生物数量

4．3．5 土壤细菌16S rRNA群落结构和多样性

4．3．6 土壤真菌18S rRNA群落结构和多样性

4．4 讨论

4．4．1 施钼和季节变化对土壤细菌及功能基因丰度的影响

4．4．2 土壤中细菌和真菌的主要种类

4．4．3 土壤细菌和真菌多样性的变化

4．4．4 施钼和季节变化对土壤细菌和真菌群落结构的影响

4．5 小结

5 根区土壤氮素转化对不同土壤钼水平的响应

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验设计与方法

5．2．2 供试材料

5．2．3 样品采集

5．2．4 测定指标及方法

5．3 结果与分析

5．3．1 土壤理化性状

5．3．2 冬小麦地上部生物量，氮含量和氮携出量

5．3．3 土壤氮组分含量

5．3．4 土壤酶活性

5．3．5 土壤PDA和ANR

5．3．6 氮素转化关键微生物功能基因数量

5．3．7 相关性分析

5．4 讨论

5．4．1 不同钼水平对根区、非根区土壤肥力和氮分配机制的影响

5．4．2 不同钼水平对根区、非根区土壤硝化、反硝化作用的影响

5．5 小结

6 土壤pH对钼调控土壤N2O释放的微生物过程的影响

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 试验设计与方法

6．2．2 供试材料

6．2．3 样品采集

6．2．4 测定指标及方法

6．3 结果与分析

6．3．2 土壤NO3ˉ-N含量

6．3．3 土壤NH4+-N含量

6．3．4 土壤硝化微生物数量

6．3．5 土壤反硝化微生物数量

6．3．6 相关性分析

6．4 讨论

6．4．2 钼调控酸性、碱性土壤N2O释放的微生物机制的比较

6．5 小结

7．1 主要结论

7．2 创新之处

7．3 研究展望

参考文献

附录 攻读博士学位期间论文发表情况

致谢