淹水和好气条件下土壤有机碳的矿化特征及其微生物机制

摘要

土壤有机碳是土壤重要组成成分，其含量的高低对保持土壤肥力和调控大气中CO2浓度具有重要影响。土壤有机碳的矿化有利于土壤养分的释放，对作物高产具有促进作用，但不利于土壤地力的维持，并且还会增加大气中CO2的浓度，对全球气候的变化具有重要影响。目前对土壤有机碳的矿化的研究大多集中在外加物料上，忽略了土壤本身有机碳矿化，对矿化过程中有机碳化学结构变化和微生物学机制的研究还较少。本文通过室内培养实验，利用Biolog生态板、16S高通量测序技术以及NMR固态核磁技术研究了土壤有机碳在淹水和好气条件下的矿化规律，分析了土壤有机碳矿化过程中土壤有机质化学结构和细菌群落结构的变化特征，探究了土壤有机碳化学结构与微生物群落结构之间的耦合关系，结果显示::
　　(1)经过360d的培养，淹水条件下土壤总有机碳下降8.68％，而在好气条件下土壤总有机碳下降6.23％。土壤水溶性有机碳在淹水条件下的含量显著高于其在好气条件下的含量(p＜0.05）。土壤有机碳矿化过程的一级动力学方程表明淹水条件下土壤有机碳的矿化速率常数为0.0095，显著高于其在好气条件下的矿化速率常数(0.0075)。
　　(2)土壤有机碳的化学结构在淹水和好气条件下存在明显差异。淹水条件提高了土壤有机碳中烷基碳的相对含量，而好气条件提高了羰基碳的相对含量，淹水条件下有较多的烷氧碳被矿化。淹水条件下土壤有机碳的芳香度，烷基碳/烷氧碳以及亲水性/疏水性都高于好气条件，表明淹水条件下土壤有机碳的活性组分被矿化为难降解组分，提高了土壤有机碳的稳定程度。
　　(3)淹水培养条件下，土壤微生物96h的平均光密度值(AWCD96h)在0-15d显著低于其在好气培养条件下的AWCD96h值，在30-60d二者差异不显著，而在60-360d显著高于其在好气培养条件下AWCD96h值(p＜0.05)的规律。进一步分析不同种类碳源的利用特征发现，淹水条件下土壤微生物初期(0-15d)主要利用氨基酸类碳源，逐渐演变为利用酚酸类(30-60d)和氨基酸类碳源(180-360d);而在好气培养条件下，则逐渐演替为主要利用多聚物类碳源(60-360d)。
　　(4)16S高通量测序结果表明，与好气培养条件相比，淹水条件显著提高了土壤细菌的Shannon指数和Eveness指数。淹水和好气条件下土壤微生物的群落结构朝不同方向演替，淹水条件下培养180d和360d的土壤微生物群落结构相似，而好气条件下培养180d和360d的土壤微生物群落结构相似，但淹水和好气条件培养至180d和360d的土壤微生物群落结构明显不同。淹水条件下主要以黄单胞菌科(Xanthomonadaceae、)，噬纤维素菌科(Cytophagaceae)，Candidatus Nitrososphaera属，红螺菌科（Rhodospirillaceae）为主，而好气条件下则主要以Kaistobacter，Gaiellaceae，Ellin6067，Chitinophagaceae，Ellin5301等细菌为主。
　　(5)淹水条件下提高了土壤可溶性有机碳的含量和土壤微生物的活性，改变了土壤微生物的群落结构，提高了厌氧微生物黄单胞菌科（Xanthomonadaceae），噬纤维素菌科（Cytophagaceae），Candidatus Nitrososphaera属，红螺菌科（Rhodospirillaceae）的活性，促进土壤有机碳中纤维素，脂肪酸类等物质的降解，加快了土壤有机碳的矿化。

目录

声明

致谢

摘要

1 文献综述

1．1 土壤有机碳矿化

1．1．1 土壤有机碳矿化的意义

1．1．2 土壤有机碳矿化影响因素

1．1．3 水分对土壤有机碳矿化的影响

1．2 土壤有机碳的化学结构

1．2．1 土壤有机碳化学结构的研究方法

1．2．2 NMR技术在土壤有机碳化学结构的研究进展

1．3 土壤微生物

1．3．1 土壤微生物研究发展

1．3．2 BIOLOG生态板在土壤微生物研究的进展

1．3．3 16S高通量测序技术在土壤微生物的研究

1．4 土壤微生物群落结构对土壤有机碳化学结构的影响

1．5．1 技术路线

1．5．2 研究内容

2 引言

3 材料和方法

3．1 供试土壤

3．2 试验设计

3．3 测定方法

3．3．1 土壤总有机碳

3．3．2 土壤水溶性有机碳

3．3．3 土壤释放CO2

3．3．4 土壤微生物功能多样性

3．3．5 土壤微生物群落结构的16s高通量测定

3．3．6 土壤有机碳化学结构

3．4 数据处理

4．结果分析

4．1 土壤碳的动态变化

4．1．1 有机碳的动态变化

4．1．2 土壤CH4的释放动态

4．1．3 土壤CO2的释放动态

4．1．4 土壤可溶性有机碳的动态变化

4．2 土壤氮的动态变化

4．2．1 土壤有机氮的动态变化

4．2．2 土壤NH4+-N的动态变化

4．2．3 土壤NO3--N的动态变化

4．2．4 淹水和好气条件下土壤pH的变化

4．3 淹水和好气条件下土壤有机质化学结构的变化

4．3．1 淹水和好气条件下土壤核磁图谱

4．3．2 淹水条件下土壤有机碳烷基碳／烷氧碳(A／OA)的变化

4．3．3 淹水和好气条件下土壤芳香度的变化

4．3．4 淹水和好气条件下土壤HB／HI(疏水性)的变化

4．4 基于Biolog生态板的土壤微生物功能多样性的动态变化

4．4．1 土壤微生物AWCD值的动态变化

4．4．2 土壤微生物对不同碳源的利用

4．4．3 在淹水和好气条件下土壤微生物碳源利用差异

4．5 基于16S高通量测序技术微生物群落结构变化

4．5．1 土壤微生物在门水平上的丰度分析

4．5．2 淹水和好气条件下土壤细菌韦恩图

4．5．3 淹水和好气条件下土壤微生物多样性指数的变化

4．5．4 土壤微生物群落结构NMDS分析

4．5．5 淹水和好气条件下土壤微生物PCoA分析

4．5．6 淹水和好气条件下在属的水平上丰度大于1％的土壤微生物

4．6 土壤有机碳化学结构与土壤微生物群落结构之间的关系

4．6．1 土壤有机碳化学结构与土壤微生物的RDA分析

4．6．2 土壤有机碳化学结构相关变量因子重要性排序和显著性检验结果

5 讨论

5．1 淹水和好气条件下土壤碳的动态变化

5．2 淹水和好气条件下土壤氮的动态变化

5．2 淹水和好气条件下土壤微生物的动态变化

5．3 淹水和好气条件下土壤有机碳化学结构的变化

5．4 淹水和好气条件下土壤有机碳矿化的微生物学机制

6．结论

参考文献

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