气候变化背景下土壤微生物群落对干旱和大气CO2倍增的响应

摘要

土壤微生物在陆地生态系统中具有重要作用，是生物地化循环中最核心的环节，在土壤生态系统的物质循环与转化、能量流动的过程中具有显著影响作用。本研究以苗期大豆(豫豆19)为试验植物，通过短期室内培养实验，设置了三种土壤水分梯度(80％，60％，40％WHC)和两种CO2浓度(350ppm，700ppm)，对环境因素控制条件下土壤微生物量和活性、土壤微生物群落结构和功能多样性的变化进行研究，探讨了土壤微生物对模拟气候变化（干旱和大气CO2倍增）的响应规律，以期为探究土壤微生物增强或削弱全球气候变化后果的可能性提供新的思路。得到主要结论如下:
　　(1)分析大豆生长对干旱胁迫和大气CO2倍增的响应及其对土壤微生物的影响，结果表明:大气CO2倍增显著促进植物光合作用，能在一定范围内缓解和弥补干旱胁迫对植物光合作用的抑制。通过调节气孔，CO2倍增抑制植物蒸腾作用，提高植物水分利用率，在一定程度上缓和干旱对微生物群落的负面影响，提高土壤微生物水分利用程度。CO2倍增趋于提高大豆根系生物量，对地上部生物量没有显著影响，主要是受土壤氮素制约。干旱胁迫和CO2倍增促进植物向根系分配更多碳同化产物。
　　(2)分析土壤基质对干旱和大气CO2倍增的响应及其对土壤微生物的影响，结果表明:干旱胁迫导致土壤可溶性有机碳含量显著增加，CO2倍增对土壤可溶性有机碳含量无显著影响。CO2倍增导致碳输入增加，氮素可利用性减少，土壤碳氮比增加。土壤水分对土壤碳氮比无明显影响，且与大气CO2浓度无交互作用。
　　(3)对干旱和大气CO2倍增条件下土壤微生物量及其活性进行分析，结果表明:大气CO2倍增对土壤微生物生物量碳含量无显著影响，养分限制可能是主要原因。干旱胁迫对土壤微生物生物量碳含量有显著负面影响。重度干旱时，植物碳输入反而加剧干旱胁迫，这可能是由于重度干旱诱导植物产生某种根系分泌物，抑制微生物生长。CO2倍增能够促进土壤蔗糖酶活和过氧化氢酶活，较显著地提高土壤微生物活性。土壤酶活的提高很可能会加速土壤有机质降解，加快土壤碳库周转速率，对气候变化产生负面影响。干旱胁迫导致土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性显著降低，抑制土壤微生物活性，在一定程度上减缓土壤碳库周转速率。
　　(4)采用PCR-DGGE技术研究土壤细菌和真菌群落遗传多样性对干旱胁迫和CO2倍增的响应，结果表明:对DGGE图谱条带进行识别分析表明，CO2倍增对植物根际和非根际土壤微生物群落结构产生了一定影响，出现了部分新增物种或是原有微生物数量更加丰富，部分物种表现为数量减少或消失，但群落中的大部分主要物种未受影响。干旱胁迫及两者交互作用对微生物群落结构均无显著影响。通过计算Shannon指数、Pielou指数、Simpson指数和McIntonsh指数等四种多样性指数表明，CO2倍增对土壤微生物多样性影响较小。干旱胁迫主要影响微生物群落丰富度和均匀度，降低细菌群落多样性，对真菌群落多样性则无显著影响。真菌较细菌更易适应干旱胁迫。
　　(5)采用BIOLOG技术研究土壤微生物群落功能多样性对干旱胁迫和CO2倍增的响应，结果表明:干旱胁迫明显抑制了土壤微生物的代谢活性，显著降低土壤功能多样性，而对土壤微生物碳源利用特征则没有显著影响。CO2对土壤微生物功能多样性影响较小。通过对不同处理微生物碳源利用特征分析发现，CO2倍增情况下微生物趋向于利用糖类，而正常CO2浓度下微生物趋向于利用氨基酸类。微生物主要利用的碳源种类有糖类、氨基酸类、胺类和酯类。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 土壤微生物对干旱和CO2倍增的响应研究进展

1．2．1 干旱和大气CO2升高对土壤微生物的影响

1．2．2 土壤微生物对干旱和大气CO2升高的反馈效应

1．3 土壤微生物群落的研究方法

1．3．1 平板计数法

1．3．2 生物标记物法(Biomarker)

1．3．3 BIOLOG微平板法

1．3．4 变性梯度凝胶电泳(DGGE)

1．3．5 DNA长度多态性分析图谱

1．4 课题研究内容及技术路线

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

1．4．4 拟解决的问题和论文创新点

第二章 实验设计与研究方法

2．1 采样区概况

2．2 实验设计

2．3 主要试剂和仪器

2．3．1 实验药品和试剂

2．3．2 实验仪器

2．4 测定指标及计算方法

2．4．1 土壤理化性质的测定

2．4．2 土壤微生物量和活性的测定

2．4．3 植物生理指标的测定

2．4．4 BIOLOG测定土壤功能多样性

2．4．5 PCR-DGGE测定土壤遗传多样性

第三章 土壤微生物量及活性对干旱和大气CO2倍增的响应

3．1 植物生长的响应及其对土壤微生物的影响

3．1．1 植物生理特性

3．1．2 植物生物量

3．1．3 讨论

3．2 土壤基质的响应及其对土壤微生物的影响

3．2．1 土壤溶解性有机碳含量

3．2．2 土壤溶解性碳氮比

3．2．3 讨论

3．3 土壤微生物量和活性对干旱和CO2倍增的响应

3．3．1 土壤微生物生物量碳含量

3．3．2 土壤酶活

3．3．3 讨论

第四章 基于PCR-DGGE的土壤微生物群落遗传多样性

4．1 土壤微生物基因组DNA的PCR扩增

4．2 土壤微生物群落DGGE条带分布特征

4．2．1 土壤细菌16S rDNA的PCR-DGGE

4．2．2 土壤真菌18S rDNA的PCR-DGGE

4．3 土壤微生物群落DGGE物种多样性指数

4．4 土壤微生物群落DGGE聚类分析

4．5 讨论

4．5．1 土壤微生物群落结构变化

4．5．2 土壤微生物物种多样性变化

第五章 基于BIOLOG的土壤微生物群落功能多样性

5．1 土壤微生物群落BIOLOG代谢能力变化

5．2 土壤微生物群落BIOLOG代谢多样性指数

5．3 土壤微生物群落BIOLOG碳源利用特征

5．4 土壤微生物群落BIOLOG碳源利用主成分分析

5．5 讨论

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 存在问题及展望

参考文献

攻读学位期间主要学术成果

致谢