不同生态条件下土壤微生物生物化学和分子生态变化及其土壤质量指示意义——以太湖地区水稻土和西南喀斯特土壤为例

摘要

不同土地利用和／或土地覆盖下土壤质量演变与生态系统过程和功能的变化是当前地球科学研究的热点和焦点问题。土壤质量的系统内涵和关键指标的筛选在国际上一直存在着争论。水稻土是我国长期水耕利用下特殊的人为土壤，在我国的土壤碳固定与粮食安全中有着重要地位，同时对全球温室气体的排放扮演着重要角色。施肥是我国水稻高产主要的人为活动之一，它影响着土壤本土及团聚体颗粒组的物理、化学和生物学性质，从而影响了土壤微生物的微域生境条件，引起了微生物群落结构与功能的变化。本实验采用分子生物学技术(PCR-DOGE)，同时结合一些分析土壤生物化学性质的方法，研究了不同施肥措施对土壤性质，尤其是对土壤微生物活性与群落结构的影响。主要研究结果如下： 1、化肥配施有机肥在提高水稻土土壤总有机碳含量的同时，不仅提高了水稻土的微生物碳氮量，而且改变了微生物的群落结构，提高了土壤微生物的基因多样性。就微生物群落结构相似性来说，单施化肥下与未施肥下相近，而化肥配施秸秆下与化肥配施猪灰下接近，说明土壤的有机培肥对土壤微生物群落结构有着重要影响。长期单施化肥下水稻产量的年际波动性显著大于化肥配施有机肥下的，佐证了化肥配施有机肥促进了水稻土的生态系统高的初级生产力与较高的土壤生态系统稳定性。研究结果还表明，土壤微生物量能够较好地响应施肥措施对水稻土质量的影响，同时应用PCR．DGGE技术所揭示的微生物分子群落结构特点可以指示水稻土十年尺度的不同农业管理措施下的土壤质量变化。 2、施肥措施影响各个团聚体颗粒组中细菌的群落结构，但小于2μm团聚体颗粒组中这种影响最为显著，整体有随着团聚体颗粒组直径的减小而影响程度不断增大的趋势。其中小于2μm团聚体颗粒组中的细菌种类最多与多样性最高，而产甲烷菌的种类最少。在小于2μm团聚体颗粒组中生存有丰富度和多样性高的细菌是由于该团聚体颗粒组提供了一个保护和便利于获取外界物质与能量的场所，而不是提供储存在颗粒内的碳源。无论是施肥措施还是团聚体颗粒组大小对细菌群落结构的影响，主要通过它们对有机碳性质的影响而不是有机碳数量的影响，来完成对细菌群落结构的影响。施肥措施与团聚体颗粒组直径大小对于产甲烷菌的群落结构影响不大，但对它们的活性影响较为明显。经测序结果表明太湖地区水稻土(黄泥土)主要产甲烷菌优势种分别属于Methanomicrobialaceae和Methanosarcinacea。喀斯特环境是地理环境中一个独特的生态环境系统，它处于一种碳物质能量循环变异极强烈和快速的状态，具有环境容量低、群落被替代、生态环境系统变异敏感度高、空间转移能力强和稳定性差等一系列生态脆弱性特征，是承灾能力弱，灾害承受阈值弹性小的一种生态脆弱环境。它在我国西南地区有广泛的分布，由于在20世纪60-70年代乱砍乱伐和陡坡开荒，导致森林覆盖率急剧下降，使得该地区的土壤严重退化。最近几年，一些退化的喀斯特生态系统开始实施恢复计划，逐步恢复它们的功能与作用。本实验分析了土壤养分、微生物生物化学指标，如土壤呼吸、酶活性、微生物量等和细菌的群落结构，试图寻找能够灵敏地响应土壤质量变化的指标，同时应用这些指标来指示退化下喀斯特生态系统土壤质量演变的过程和各种生态恢复措施的效果，为喀斯特地区生态系统保护、利用和退化后的生态恢复提供科学依据。主要结果如下：1、在喀斯特地区，土壤代谢商能指示极端退化的土壤质量，但没能很好地指示植被退化下土壤质量演变程度，可土壤养分库(总有机碳、总氮和有效氮)，土壤微生物生物化学指标(基本呼吸、诱导呼吸、碱性磷酸酶、脲酶和微生物量)和细菌的种类与多样性能很好地响应土壤质量变化，但微生物生物化学指标和微生物群落结构对植被退化下土壤质量演变更为灵敏，尤其是对土壤潜在退化趋势的预警更为灵敏；该地区生态系统退化，不仅导致了土壤的养分库减小，而且导致了土壤微生物生物化学指标和多样性下降。因此，喀斯特地区生态系统的退化不仅影响土壤肥力和初级生产力，同时降低了土壤微生物功能与多样性。因而，退耕还草或还林对于退化喀斯特生态系统的恢复和土壤微生物多样性的保护都具有重要的意义。2、在退化喀斯特生态系统及其恢复过程中，土壤养分库(总有机碳、总氮和总磷)和微生物生物化学指标(诱导呼吸、微生物量、脲酶和碱性磷酸酶)都能很好地指示耕作对土壤质量的影响和各种恢复措施的效果。毁林开荒和耕作不仅导致了喀斯特土壤养分水平的下降，而且影响到生存在土壤中微生物的功能与群落结构。尽管各种不同恢复措施不同程度提高了退化的土壤质量，但自然恢复方式(自然还林和自然还草)效果优于人工恢复方式(人工还林和花椒经济林)，其中自然还草不仅在土壤 养分而且在微生物活性上的恢复效果好于其它恢复措施。3、相对于裸露地，石林景区不同植被恢复下土壤总有机碳、总氮和微生物量碳都有不同程度提高，从土壤质量提高速率来讲，草地优于灌丛，柏树林最差。在裸露地植被恢复过程中，初始阶段(裸露地到稀草地)恢复迅速，这为以后土壤质量进一步恢复打下基础，表明石林景区裸露地的植被恢复的重要性和可行性。

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摘要

综述 土壤微生物和生物化学指标的土壤质量指示意义

第一章长期不同施肥对水稻土（黄泥土）表土微生物活性及群落结构的影响

第二章长期不同施肥对水稻土团聚体颗粒组微生物活性及群落结构的影响

第三章不同程度退化喀斯特生态系统下土壤微生物活性及群落结构的变化

第四章退化喀斯特生态系统中不同恢复措施下土壤微生物活性和群落结构的变化

第五章喀斯特生态系统中不同植被恢复下土壤微生物活性与群落结构的变化--以云南石林景区为例

第六章全文结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

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