水稻土演变过程中微生物组成与结构特征变化的研究

摘要

时间序列在研究不同类型土壤演化速率与方向进而建立土壤发生演化模型上具有重要的价值，并且能为土壤发生学理论的验证提供宝贵的信息。然而，这些研究主要集中在自然条件下的土壤，而受人为强烈影响的水稻田土壤的时间序列研究并不多。本论文选择母质相对一致、气候条件没有实质性差别的上虞（耕作年限10-30）和慈溪(耕作年限50-2000)两个地区不同耕作年限的水稻土样品，并以相同耕作年限的旱地土壤和未利用土壤作为对照。以土壤微生物群落组成和结构为主线，探讨了水稻土演变过程中土壤微生物数量、脂肪酸组成、遗传多样性及其群落结构的变化规律，获得以下主要结果:
　　1.理化性质。随着耕作年限的增加，上虞和慈溪的水稻土的EC和全钾含量下降，而土壤有机碳、总氮含量增加。与未利用土壤相比，耕作30年的上虞水稻土的有机碳和全氮分别增加了5.2和0.21 g kg-1，耕作2000年的慈溪水稻土分别增加了19.4和2.0 g kg-1。相比旱地而言，水稻耕作的EC下降更为迅速。耕作10-30年的上虞旱地土壤的EC值显著高于水稻土;50-300年慈溪早地土壤与水稻土的EC差异不显著。相同耕作年限下，水稻耕作能促进有机碳和全氮的积累。
　　2.土壤酶活性。上虞和慈溪的水稻土脲酶、磷酸酶、芳基硫酯酶和脱氢酶活性，随着耕作年限的增加而增加，酶活性与耕作年限间呈显著正相关。耕作10-30年的上虞水稻和旱地土壤的酶活性差异不显著;50-300年慈溪水稻土的脱氢酶、芳基硫酯酶和萄糖苷酶的活性远高于相同耕作年限的旱地土壤，但过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性差异不显著。
　　3.微生物数量。上虞和慈溪水稻土细菌、真菌数量均与耕作年限呈显著正相关关系。耕作10-30年的上虞旱地和水稻土间细菌、真菌数量差异不显著。50-300年旱地和水稻土细菌数量差异不显著，但早地土壤的真菌数量均高于水稻土。
　　4.磷脂脂肪酸组成。上虞和慈溪的水稻土磷脂脂肪酸组成并不相同，但均含有较高的羟基磷脂脂肪酸。与未利用土壤相比，上虞水稻耕作显著提高了土壤细菌的相对含量，但降低了真菌磷脂脂肪酸百分含量。耕作年限对慈溪水稻土细菌的相对含量影响不显著，但与真菌摩尔百分含量呈显著负相关。相比于旱地土壤，相同耕作年限下，上虞和慈溪水稻土的革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌的比值更低。
　　5.遗传多样性。上虞水稻土细菌多样性与耕作年限呈显著正相关，真菌多样性差异不显著。慈溪水稻土真菌多样性与耕作年限呈显著负相关，细菌多样性与耕作年限无显著相关性。与旱地土壤相比，上虞水稻土发育过程中增加了细菌的多样性指数，慈溪水稻土发育过程中降低了真菌的多样性指数。土壤EC、有机碳和总氮为影响微生物多样性分布的主要因子。
　　6.群落组成。两个土壤序列的细菌主要分属于6个门，包括Proteobacteria、Acidobacteria、Bacteroidetes、Verrucomicrobia、Actinobacteria和Firmicutes。两个土壤序列的真菌主要分属于5个门Ascomycota、 Chytridiomycota、Basidiomycota、Glomeromycota和Zygomycota。土壤pH、 EC和有机碳的变化是影响细菌群落差异的主要因素，而土壤利用类型和总氮是影响真菌群落差异的主要因子。相关性分析表明，土壤氮含量的增加会导致Proteobacteria和Ascomycota比例的下降，而Verrucomicrobia的比例会增加。利用miseq测序可以较好的解释土壤中细菌群落结构的变化，并可以将水稻划分为老龄、中龄和幼龄。而由于多数的真菌无法归类，miseq测序结果无法按年限区分真菌群落结构。

目录

声明

论文说明

摘要

1 绪论

1．1 土壤序列

1．1．1 土壤序列的构建

1．1．2 主要类型的土壤序列研究进展

1．2 水稻土发育过程的相关研究进展

1．3 微生物的研究方法

1．3．1 培养法

1．3．2 磷脂脂肪酸分析

1．3．3 分子生物学方法

1．4 论文的研究目的及技术路线

1．4．1 研究目的

1．4．2 技术路线

2 水稻土发育过程中理化性质的变化

2．1 材料与方法

2．1．1 样品采集

2．1．2 土壤理化性质分析

2．1．3 统计分析

2．2 结果与分析

2．2．1 土壤电导率(EC)和pH

2．2．3 土壤全量养分

2．2．4 土壤速效养分

2．2．5 土壤粒级组成

2．3 讨论

2．4 小结

3 水稻土发育过程中土壤酶活性及微生物数量变化

3．1 材料与方法

3．1．1 样品采集

3．1．2 土壤酶活性分析

3．1．3 实时荧光定量PCR

3．1．4 统计分析

3．2 结果与分析

3．2．1 过氧化氢酶活性

3．2．2 脲酶活性

3．2．3 磷酸酶活性

3．2．4 脱氢酶活性

3．2．5 芳基硫酸酯酶活性

3．2．6 β-萄糖苷酶活性

3．2．7 土壤微生物数量

3．3 讨论

3．4 小结

4 水稻土发育过程中磷脂脂肪酸的变化

4．1 材料与方法

4．1．1 样品采集

4．1．2 土壤微生物磷脂脂肪酸组成的分析

4．1．3 统计分析

4．2 结果与分析

4．2．1 上虞序列

4．2．2 慈溪序列

4．3 讨论

4．4 小结

5 水稻土发育过程中土壤真菌和细菌遗传多样性的变化

5．1 材料与方法

5．1．1 样品采集

5．1．2 土壤微生物遗传多样性的分析

5．1．3 统计分析

5．2 结果与分析

5．2．1 上虞土壤细菌遗传多样性

5．2．2 上虞土壤真菌遗传多样性

5．2．3 慈溪土壤细菌遗传多样性

5．2．4 慈溪土壤真菌遗传多样性

5．3 讨论

5．4 小结

6 基于Miseq研究水稻土演变过程中对微生物群落组成的影响

6．1 材料与方法

6．1．1 样品采集

6．1．2 PCR与测序

6．1．4 测序数据的分析

6．2 结果与分析

6．2．1 上虞土壤细菌测序

6．2．2 慈溪土壤细菌测序

6．2．3 上虞土壤真菌测序

6．2．3 慈溪土壤真菌测序

6．3 讨论

6．4 小结

7 研究结论、创新点及展望

7．1 研究结论

7．2 创新点

7．3 不足之处及研究展望

参考文献

致谢