泡桐人工林土壤质量评价与施肥对土壤微生物特征的影响

摘要

泡桐（Paulownia sp.）是我国特有的速生乡土阔叶树种，近年来，在湖南省等中亚热带地区商业化种植的呼声高涨。然而，适宜泡桐种植的土壤肥力状况尚不清楚，且长期施肥后作为衡量土壤肥力质量和健康程度的重要指标微生物发生怎样的改变尚不明确。因此，本研究以湖南省湘中、湘北现有不同立地白花泡桐（P.fortunei）人工林为研究对象，设置了72个标准地，调查了7个立地因子及23个土壤物理、化学和微生物指标，采用主成分分析法(Principal Components Analysis，PCA)筛选出泡桐人工林土壤肥力质量评价的最小数据集(Minimum Data Set，MDS)，采用土壤质量评价指数(Soil Quality Index，SQI)和灰色关联聚类分析(Gray Cluster RelationAnalysis，GCRA)评价了泡桐人工林的土壤肥力质量;并在湘阴县泡桐人工林布置了专用肥(SF)、氮磷钾肥(NPK)、氮磷钾加微肥(NPKM)和对照(CK)四种不同施肥处理的肥料效应试验。利用Illumina MiSeq平台高通量测序技术、Biolog-Eco微生物生态板和典范对应相关分析法(Canonical Correlation Analysis，CCA)从微生物群落多样性、微生物碳源代谢、微生物酶活性和微生物生物量等更深层次比较了不同施肥下泡桐人工林土壤肥力的差异。论文主要研究结论如下: (1)确定了土层厚度、坡位和母岩作为影响泡桐人工林立地质量的主导因子，筛选了表征泡桐林地土壤质量的MDS，划分了泡桐林地土壤质量等级，建立了泡桐林地土壤养分指标体系。筛选出的速效磷、速效钾、有效镁、有效锌、有效钙、有机质和过氧化氢酶7个指标能够较好的代表泡桐人工林土壤23个指标，可以作为表征湖南省泡桐人工林土壤质量的MDS。8种不同立地条件泡桐林地土壤质量划分为高(SQI≥0.86)、中(0.60＜SQI＜0.86)、低(SQI≤0.60)三个不同的等级，表明泡桐适宜选择土层深厚，第四纪红土母质发育的红壤立地条件下经营。SQI与泡桐蓄积量呈显著正相关说明土壤质量指数对泡桐人工林土壤管理有显著生物学意义。 (2)长期施用SF能补充泡桐生长消耗的大量土壤养分，且显著提高泡桐蓄积量(p＜0.05)，提高土壤肥料贡献率(p＜0.05）。NPK中含氮、磷、钾量虽高于NPKM和SF肥，但不利于土壤化学指标维持，并且蓄积量增长显著低于SF和NPKM处理(p＜0.05)。造林第6年，施用SF的蓄积量比NPK、NPKM和CK分别提高了21.83％、9.50％和105.62％。施用SF、NPK和NPKM的肥料贡献率在泡桐种植6年后分别为56.10％、43.70％和44.00％，且施用SF四年后更利于泡桐蓄积量增长稳定。 (3) Illumina MiSeq测序表明，施用SF显著增加了土壤中细菌丰度，降低了真菌丰度(p＜0.05)，而施用NPK显著减少土壤中细菌丰度，增加真菌丰度(p＜0.05)。SF处理的16S rRNA OTUs显著高于CK、NPK和NPKM处理，分别比CK、NPK和NPKM处理提高10.97％、21.96％和28.23％，NPK处理16S rRNA OTUs显著低于CK和SF处理;而SF处理的ITS OTUs显著低于CK、NPK和NPKM处理，NPK处理ITS OTUs显著高于NPKM、CK和SF处理，分别高于NPKM、CK和SF14.32％，15.39％和20.32％。 (4)结果表明SF处理下厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度高于其它施肥处理，分别比CK、NPK和NPKM提高了12.00％、219.00％和75.60％，而NPK处理对厚壁菌门不发生改变。厚壁菌门可能是泡桐人工林SF处理下的敏感门类，其中芽孢杆菌纲(Bacilli)分别比CK、NPK和NPKM提高了126.86％、241.82％和123.20％，其可能是泡桐林地沃土菌纲。 (5)SF较NPK和NPKM更有利于提高土壤微生物酶活性和增加土壤微生物生物量碳、氮、磷。SF处理显著提高了土壤过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性(p＜0.05)。NPK处理过氧化氢酶和酸性磷酸酶含量显著高于CK(p＜0.05)，而脲酶和蔗糖酶含量显著低于SF(p＜0.05)。SF处理对土壤微生物生物量碳和生物量氮提高最为显著(p＜0.05)，NPK处理对土壤微生物生物量磷提高最为显著(p＜0.05)。SF处理下土壤微生物酶活性与土壤微生物碳、氮、磷之间关系密切，主成分分析结果表明SF对土壤微生物活性影响最大。 (6)SF能显著提高土壤微生物碳源利用率(p＜0.05)，糖类是泡桐人工林土壤微生物利用的主要碳源。SF处理下土壤微生物碳源利用的平均颜色变化率显著高于NPK、NPKM和CK处理(p＜0.05)，与NPK相比，SF、CK和NPKM分别提高了19.66％、11.44％和8.34％。SF处理的Shannon丰度指数、McIntosh均匀度指数和Simpson优势度指数分别比NPK高的2.87％、18.69％和1.05％。尽管不同施肥微生物对6类碳源利用率存在部分差异，但SF处理的氨基酸类、羧酸类、糖类、多胺类和多聚合物类碳源利用率均最高，其中糖类影响最大。 (7)结果表明有效磷和有机质是影响泡桐人工林土壤细菌和真菌多样性的主要指标。土壤有机质和有效磷与土壤细菌和真菌群落多样性呈显著相关(p＜0.01)。CCA第一排序轴和第二排序轴共解释了细菌56.90％的变化，有效磷和有机质与细菌CCA1显著相关(0.63和0.62);CCA第一排序轴和第二排序轴共解释了真菌88.20％的变化，有机质和有效磷与真菌CCA1显著相关(0.68和0.67)。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景、目的与意义

1．2 国内外研究进展

1．3 研究内容和技术路线

2 材料与方法

2．1 立地调查区与样地设置

2．2 泡桐施肥试验区

2．3 施肥试验处理

2．4 样品采集

2．5 样品分析方法

2．6 泡桐林土壤肥力质量评价分析

2．7 统计学分析

3 泡桐人工林土壤肥力质量评价

3．1 立地因子分析

3．2 泡桐人工林土壤物理、化学和微生物特征

3．3 SQI的建立

3．4 SQI分等定级

3．5 讨论

4 施肥对土壤化学性质、生长及地力的影响

4．1 施肥对土壤化学性质的影响

4．2 施肥对泡桐蓄积量变化趋势的影响

4．3 施肥对土壤地力贡献率与肥料贡献率的影响

4．4 施肥对泡桐蓄积量增长稳定性及可持续性的影响

4．5 讨论

5 施肥对土壤微生物计数及活性的影响

5．2 施肥对土壤酶活性的影响

5．3 施肥对微生物生物量碳、氮、磷的影响

5．4 土壤微生物生物量碳、氮、磷与土壤酶活性之间相关性分析

5．5 土壤微生物活性与施肥处理之间关系分析

5．6 讨论

6 施肥对土壤微生物碳源代谢多样性影响

6．1 土壤微生物碳源利用的平均颜色变化率

6．2 土壤微生物碳源利用多样性指数分析

6．3 微生物群落对碳源利用分析

6．4 施肥对土壤微生物群落碳源利用的主成分分析

6．5 讨论

7 施肥对土壤微生物群落多样性的影响

7．1 施肥后OTUs变化

7．2 Alpha Diversity分析

7．3 施肥对细菌多样性的影响

7．4 施肥对真菌多样性的影响

7．5 土壤性质与细菌及真菌相对丰度之间的相关关系

7．6 讨论

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 研究特色与创新点

8．3 研究展望

参考文献

附录攻读学位期间的主要学术成果

致谢