模拟气候变化条件下稻麦轮作水稻土土壤微生物群落结构和活性的变化

摘要

以气候变暖为主要特征的全球气候变化已经日益对全球自然环境和社会经济活动产生重大影响，成为全球可持续发展的研究挑战。IPCC报告表明，1906-2005年间全球地表温度上升了0.74℃，预计本世纪末大气中CO2浓度将增加到550～970ppm，地表温度仍将升高1.1-6.4℃。全球气候变化通过大气温度升高和气CO2浓度增高、降水量变化等气候资源的分布变化以及高温热浪、干旱、冰雹等极端性气象事件的频发，对农业生产构成气候资源变劣的趋势性的影响和极端性气象事件的灾害性影响，对未来农业生产产生深远的影响，严重制约我国粮食安全保障和农业产业的长远发展。在农田层面，气候变化不但影响作物的生物学过程和物候过程，而且通过对土壤、作物-微生物的相互作物影响养分循环和利用，进而影响土壤肥力和作物生产力。土壤微生物是农田生态系统过程的驱动着和调节者，在农田生态系统的气候变化稳定性上具有举足轻重的作用。探讨气候变化条件下农田土壤微生物群落结构及其多样性变化，分析其对农田土壤养分循环和作物生长的可能影响，有助于认识气候变化对土壤质量和功能等作用的机理，并为发展农田生产应对气候变化的技术途径和措施提供科学依据。
　　课题组在江苏常熟市构建了稻麦轮作农田生态系统模拟气候变化开放性全天候试验平台，自2010年开始持续进行了模拟气候变化处理，包括冠层空气CO2浓度升高到500ppm、温度升高2℃的单因子和交互作用处理。本论文研究利用该模拟气候变化的农田生态系统开放式试验平台，分析了大气CO2浓度和温度升高分别对水稻和小麦季根际土壤微生物基因丰度、结构和功能的影响。主要工作包括测定分析了水稻和小麦根际土壤的微生物生物量碳、NH4+、 NO3-等，利用定量PCR(qPCR)、末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)和克隆文库等分子微生物技术分析了土壤真菌、细菌、古菌、氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)、反硝化细菌的基因丰度和群落结构，通过化学法分析了土壤脲酶和转化酶活性，采用室内培养方法测定了土壤基础呼吸、硝化及反硝化速率，进一步探讨大气CO2浓度、温度的单独升高及两者交互作用对稻麦轮作系统土壤微生物基因丰度、结构和活性的影响。获得的主要结果如下:
　　一模拟气候变化条件下水稻季土壤微生物多样性和功能的变化
　　大气CO2浓度和温度单独升高对土壤pH没有显著影响，而两者同时升高显著降低了水稻抽穗和成熟期的pH值。水稻季的土壤微生物生物量碳变化范围在0.24g kg-1-0.77 g kg-1，CE（大气CO2浓度单独升高）和CW（大气CO2浓度和温度同时升高）处理提高了土壤微生物生物量碳(71％-104％)，而WA（单独升温）处理对微生物生物量碳没有影响。CE和CW处理显著提高了水稻抽穗和成熟期的土壤基础呼吸，而WA处理对水稻季的土壤基础呼吸没有影响。土壤脲酶和转化酶活性对气候变化的响应存在差异。气候变化处理显著提高了土壤脲酶活性，但是对转化酶活性没有显著影响。
　　水稻季细菌、真菌和古菌的基因拷贝数范围分别在1.1×109～1.3×1010、3.2×108～2.3×109和2.0×109～4.6×109。水稻不同生育期的细菌、真菌和古菌基因丰度和多样性对大气CO2浓度升高和升温的响应存在差异。CE处理显著提高土壤真菌和细菌丰度，CW处理对真菌和细菌丰度没有影响，WA处理对细菌丰度没有影响，但是降低了抽穗期的真菌丰度，增加了成熟期的真菌丰度。相对于土壤细菌和真菌，古菌基因丰度在水稻生长季相对稳定，大气CO2浓度升高和升温对土壤古菌丰度没有影响。通过对T-RFLP数据的PCA分析，发现气候变化处理在一定程度上改变了真菌群落结构，但是对细菌和古菌群落结构没有明显影响。通过克隆文库、测序和系统比对发现，变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）是稻田土壤优势细菌，泉古菌门（Crenarchaeota）和广古菌门（Euryarchaeota）是稻田土壤中优势古菌。CE处理抑制了β-变形菌纲（Betaproteobacteria），而WA处理促进了β-变形菌纲（Betaproteobacteria）类群。而CE、CW和WA处理对酸杆菌门（Acidobacteria）、泉古菌门（Crenarchaeota）和广古菌门（Euryarchaeota）都没有影响。
　　二模拟气候变化条件下水稻季土壤氮循环相关功能微生物及其活性的变化
　　水稻生长季土壤NH4+-N浓度的变化范围在2.72 mg kg-1-10.16 mg kg-1，NO3--N浓度的变化范围在6.45 mg kg-1-17.79 mg kg-1。大气CO2浓度升高和升温对水稻土壤NH4+-N和NO3--N浓度没有影响。在水稻分蘖、抽穗和成熟期，CE和CW处理显著提高了硝化速率，WA只在抽穗期显著提高硝化速率;但是，CE和CW处理对反硝化速率具有抑制作用，其抑制水平在抽穗期达到显著水平，而WA处理对反硝化速率没有影响。多元回归分析发现，硝化速率与土壤NH4+-N浓度和AOB丰度具有显著相关性，而反硝化速率与土壤NO3--N具有显著相关性。
　　水稻季土壤AOA、AOB和反硝化细菌基因拷贝数范围分别在6.58×106-5.72×107、4.28×106-2.02×107和4.48×107-4.56×108g-1 dw，在水稻不同生育期，不同氮循环功能微生物对气候变化的响应存在差异。在分蘖期，大气CO2浓度升高和升温对AOA、 AOB和反硝化细菌基因丰度都没有影响;在抽穗期和成熟期，CE处理显著提高了AOA、AOB和反硝化细菌丰度，CW和WA处理对AOA和AOB丰度没有影响，而显著提高了成熟期的反硝化细菌丰度。通过对T-RFLP结果分析，我们发现气候变化处理和水稻生长时期对AOA、AOB和反硝化细菌群落结构没有明显的改变。但是，不同生长时期的AOA、AOB和反硝化细菌多样性对大气CO2浓度升高和升温的响应不同。CE、CW和WA处理显著提高了分蘖、成熟期的AOA多样性和分蘖、抽穗期的AOB多样性;CE和CW处理显著提高了水稻三个生育期反硝化菌多样性。
　　三模拟气候变化条件下小麦季土壤微生物多样性和功能的变化
　　CE和CW处理显著提高了小麦季SMBC，而对土壤基础呼吸没有影响;WA处理对小麦季SMBC没有影响，但是显著提高了土壤基础呼吸。分蘖期CW处理的脲酶活性显著高于对照，抽穗期CW和WA处理的脲酶活性比对照有显著升高;而抽穗和成熟期CE、CW和WA处理的转化酶活性与对照相比升高，在成熟期提高幅度最大。因此，麦季土壤基础呼吸、脲酶和转化酶活性对升温响应比较敏感。
　　小麦季细菌、真菌和古菌基因拷贝数范围分别在3.96×1010～1.02×1011、2.12×107～1.06×108 g-1 dw和3.02×108～6.36×108 g-1 dw。不同生育期的细菌、真菌和古菌基因丰度对大气CO2浓度升高和升温的响应不同。在分蘖期，CO2浓度升高和升温对土壤真菌和细菌丰度没有影响;而在抽穗和成熟期，CW和WA处理显著降低了真菌丰度，WA处理显著降低了成熟期的细菌丰度。CE和CW处理显著提高了小麦季土壤古菌丰度，而WA处理对古菌丰度没有影响。通过对T-RFLP数据分析发现，CE、 CW和WA处理对小麦季土壤真菌和细菌群落结构没有明显影响，但是在一定程度上改变了古菌群落结构。与对照相比，CE处理显著提高了小麦季土壤真菌多样性，CW和WA处理降低了真菌多样性;CE、CW和WA处理提高了分蘖和抽穗期土壤细菌多样性，对成熟期细菌多样性没有影响。
　　四模拟气候变化条件下小麦季土壤氮循环相关功能微生物及其活性的变化
　　大气CO2浓度升高和升温对小麦季土壤NH4+-N浓度没有影响，而CE处理显著提高了成熟期的土壤NO3--N浓度和硝化速率。
　　小麦季土壤AOA、AOB和反硝化细菌基因拷贝数范围分别在8.63×106-3.27×107、3.07×106-4.14×107和3.68×107-1.23×108 g-1 dw，其中，反硝化细菌数量比氨氧化菌数量较高。CE和WA处理显著提高AOA丰度，而CW处理对AOA丰度没有影响;在小麦分蘖期，CE、CW和WA处理对AOB和反硝化细菌丰度没有影响，而在抽穗和成熟期，CE处理显著提高了AOB及反硝化细菌基因丰度。微生物群落结构的T-RFLP结果分析显示，小麦成熟期的AOA和反硝化细菌群落结构与分蘖和抽稳期明显不同，而CE、 CW和WA处理的AOA、 AOB和反硝化细菌群落结构与对照相比没有明显区别。
　　综上所述，利用分子微生物技术和土壤物化分析方法研究发现气候变化对水稻和小麦生长季的土壤微生物和活性的影响存在差异，而且土壤微生物对不同气候变化处理的响应也各不相同。这种变化可能与气候变化条件下土壤非生物因子的变化，例如pH降低、微生物量碳增加、NO3--N浓度改变等有关。关于气候变化对农田土壤微生物和功能影响的问题比较复杂，还需要更多的研究分析。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 全球气候变化与农业

1．1．1 全球气候变化

1．1．2 气候变化对农业的影响

1．1．3 中国气候变化态势及其对农业的影响

1．1．4 农业土壤固碳与全球气候变化

1．2 土壤微生物

1．2．1 土壤微生物多样性

1．2．2 土壤微生物多样性的影响因素

1．2．3 土壤微生物的生态系统功能

1．2．4 土壤微生物多样性的研究方法

1．3 全球气候变化对土壤微生物的影响

1．3．1 土壤微生物生物量

1．3．2 土壤呼吸

1．3．3 土壤酶活性

1．3．4 土壤细菌和真菌群落结构及丰度

1．3．5 土壤氮循化相关微生物及活性

1．4 本论文研究目的、内容和技术路线

1．4．1 目的及意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 稻麦轮作模拟气候变化系统平台

2．1 研究地区概况

2．2 平台系统结构

2．2．1 大气CO2浓度升高控制系统

2．2．2 红外升温控制系统

2．3 平台调控及数据观测

第三章 模拟气候变化对水稻季土壤微生物多样性和功能的影响

3．1 引言

3．2 材料和方法

3．2．1 土壤样品的采集和处理

3．2．2 土壤微生物量碳的测定

3．2．3 土壤基础呼吸和酶活性的测定

3．2．4 土壤总DNA的提取

3．2．5 土壤真菌、细菌和古菌丰度的测定—定量PCR技术(qVCR)

3．2．6 土壤真菌、细菌和古菌群落结构多样性分析—末端限制片段多态性分析(T-RFLP)技术

3．2．7 细菌和古菌16S rDNA克隆文库构建

3．2．8 数据处理

3．3 结果分析

3．3．1 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤pH和微生物生物量碳的影响

3．3．2 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤基础呼吸和酶活性的影响

3．3．3 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤真菌、细菌和古菌丰度的影响

3．3．4 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤细菌、真菌和古菌群落结构的影响

3．3．5 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤细菌和古菌群落组成的影响

3．4 讨论

3．4．1 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤基础呼吸和酶活性的影响

3．4．2 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤细菌、真菌和古菌的影响

3．5 小结

第四章 模拟气候变化对水稻季氮循环相关功能微生物及其活性的影响

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 土壤样品的采集和处理

4．2．2 土壤NH4+-N和NO3--N浓度的测定

4．2．3 土壤硝化速率和反硝化速率的测定

4．2．4 土壤总DNA的提取

4．2．5 土壤AOA、AOB和反硝化细菌丰度的测定

4．2．6 土壤AOA、AOB和反硝化细菌群落结构多样性分析

4．2．7 数据处理

4．3 结果分析

4．3．1 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤NH4+-N和N03--N浓度的影响

4．3．2 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤AOA、AOB和反硝化细菌丰度的影响

4，3．3 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤AOA、AOB和反硝化细菌群落结构的影响

4．3．4 大气CO2浓度和温度升高水稻季土壤硝化和反硝化速率的影响

4．4 讨论

4．4．1 模拟气候变化对水稻季土壤硝化和反硝化功能微生物的影响

4．4．2 模拟气候变化对水稻季土壤硝化和反硝化速率的影响

4．5 小结

第五章 模拟气候变化对小麦季土壤微生物多样性和功能的影响

5．1 引言

5．2 材料和方法

5．2．1 土壤样品的采集和处理

5．2．2 土壤微生物量碳的测定

5．2．3 土壤基础呼吸和酶活性的测定

5．2．4 土壤总DNA的提取

5．2．5 土壤细菌、真菌和古菌丰度的测定

5．2．6 土壤细菌、真菌和古菌群落结构多样性分析

5．2．7 数据处理

5．3 结果分析

5．3．1 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤微生物量碳和土壤基础呼吸的影响

5．3．2 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤酶活性的影响

5．3．3 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤真菌、细菌和古菌丰度的影响

5．3．4 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤细菌、真菌和古菌群落结构的影响

5．4 讨论

5．4．1 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤基础呼吸的影响

5．4．2 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤细菌、真菌和古菌群落的影响

5．5 小结

第六章 模拟气候变化对小麦季氮循环相关功能微生物及其活性的影响

6．1 引言

6．2 材料和方法

6．2．1 土壤样品的采集和处理

6．2．2 土壤NH4+-N和NO3--N浓度的测定

6．2．3 土壤硝化速率的测定

6．2．4 土壤总DNA的提取

6．2．5 土壤氨氧化菌和反硝化细菌丰度的测定

6．2．6 土壤氨氧化菌和反硝化细菌群落结构多样性分析

6．2．7 数据处理

6．3 结果分析

6．3．1 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤NH4+-N和NO3--N浓度的影响

6．3．2 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤AOA、AOB和反硝化细菌丰度的影响

6．3．3 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤氨AOA、AOB和反硝化细菌群落结构的影响

6．3．4 大气CO2浓度和温度升高小麦季土壤硝化速率的影响

6．4 讨论

6．4．1 模拟气候变化对小麦季土壤硝化和反硝化功能微生物的影响

6．4．2 模拟气候变化对小麦季土壤硝化速率的影响

6．5 小结

第七章 全文讨论、主要结论、创新点与研究不足

7．1 全文讨论

7．1．1 大气CO2浓度和温度升高对水稻季土壤微生物基因丰度、结构及其活性的影响

7，1．2 大气CO2浓度和温度升高对小麦季土壤微生物基因丰度、结构及其活性的影响

7．2 主要结论

7．3 创新点

7．4 研究不足与展望

参考文献

缩略语一览表

攻读博士学位期间发表的论文

致谢