施肥及秸秆还田对砂姜黑土细菌群落的影响

摘要

土壤细菌是陆地生态系统生物化学循环过程中重要的驱动者，参与了土壤大多数养分元素的转化。农田生态系统是土壤生态系统当中最活泼且固碳潜力最大的碳库之一，自养细菌在农田生态系统固碳过程中起着重要作用。因此，本文采用高通量测序(high-throughput sequencing)、实时荧光定量 PCR(real-time PCR)、克隆测序及末端限制性酶切片段长度多态性分析(terminal restriction fragment length polymorphism, T-RFLP)等分子生物学技术，研究了不施化肥秸秆不还田(CK)，施化肥秸秆不还田(CK-F)，不施化肥秸秆还田(W-NF)及施化肥秸秆还田(W-F)4种不同施肥措施对砂姜黑土细菌及固碳细菌群落组成、结构及丰度的影响。研究结果可以为改善砂姜黑土的土壤生物肥力及旱地农田生态系统生物固碳提供理论依据。
　　主要研究结果如下：
　　(1)与 CK相比，W-F处理土壤养分含量提高最为明显，有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别提高了23.9％、31.3%、35.1%、339.8%和37.4%。与CK相比，CK-F处理土壤养分均有一定程度提高，但增幅较 W-F小。CK相比， W-NF养分含量没有明显增加。以上结果表明施肥显著提高了土壤的全氮、有机质和速效养分含量，仅仅采用秸秆还田对土壤养分影响不大。同时，施肥及秸秆还显著降低了土壤 pH值，其中秸秆还田配施化肥土壤 pH值最低，为5.27。
　　(2)四种施肥制度砂姜黑土细菌丰度为1.39×109~2.04×109拷贝/g干土，施肥及秸秆还田均能显著增加土壤细菌的丰度，其中，W-NF处理土壤细菌丰度显著大于其他处理。高通量测序共获得了228,603条读数(Reads)，四个处理在97%相似水平上产生的可操作分类单元(operational taxonomic units, OTUs)数目分别为4964(CK)、4291(CK-F)、5618(W-NF)和4600(W-F)。砂姜黑土细菌类群丰富，主要分布在19个已知细菌门，41个已知的细菌纲以及286个已知细菌属。砂姜黑土细菌优势门(相对丰度>5%)主要包括 Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Gemmatimonadetes和 Chloroflexi；优势纲(相对丰度>5%)主要包括Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Acidobacteria、 Sphingobacteriia、 Actinobacteria、 Gemmatimonadetes和Thermoleophilia。已知优势属(相对丰度>1%)共有42个，主要包括Sphingomonas、Gemmatimonas、Flavisolibacter、Ramlibacter、Haliangium、Mucilaginibacter、Massilia、Rhizomicrobium、Flavobacterium、Bryobacter、Granulicella等。三个处理中均有分布的已知优势属有12个，CK-F处理的已知细菌优势属的种类最多，为36个。相对丰度最大的门、纲和属分别是 Proteobacteria(38.7%~43.1%)、Alphaproteobacteria(14.5%~20.4%)和 Sphingomonas(4.6%~7.7%)。施肥对土壤细菌优势类群组成、相对丰度及群落结构的影响大于秸秆还田，施肥显著降低了土壤细菌物种丰富度，秸秆还田显著提高了土壤细菌的多样性，秸秆还田配施化肥显著增加土壤细菌的优势度。土壤中某些细菌类群相对丰度与土壤理化性质有一定的相关关系。
　　(3)秸秆还田土壤固碳细菌主要分布在13个细菌属，主要包括 Nitrosomonas、Mesorhizobium和 Bradyrhizobium等。无化肥处理(在CK和 W-NF)的土壤固碳微生物以严格自养菌为主，优势种群为 Nitrosomonas，相对丰度为73.2%和72.4%。施用化肥处理(CK-F和 W-F)的土壤中严格自养菌相对丰度减小，而兼性自养菌丰度及所占比例大幅增加。其中，CK-F的优势种群为 Nitrosomonas和 Mesorhizobium，相对丰度分别为33.3%和17.6%。W-F的优势种群为 Nitrosomonas和Bradyrhizobium，相对丰度分别为26.4%和24.5%。四个处理土壤 cbbL基因丰度为1.32×107~3.29×107拷贝/g干土，施肥及秸秆还田均能提高土壤细菌 cbbL基因丰度，其中 W-F处理的 cbbL基因丰度最大，显著高于其他三个处理(P<0.05)，约为CK的2.5倍。cbbL基因拷贝数与土壤有机质及氮磷养分含量呈正相关(R>0.75, P<0.05, n=12)，其中与土壤全氮关系最为密切(R=0.96, P<0.01, n=12)，而与土壤 pH值呈负相关。以上结果表明，施肥对土壤固碳细菌群落结构、组成及相对丰度有显著影响，特别是施肥结合秸秆还田影响最显著。

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1 文献综述

1.1 农田生态系统秸秆还田利用现状

1.2 土壤微生物研究进展

1.3土壤微生物研究方法

1.4 论文的技术路线、目的和意义

1.5 研究特色

2 引言

3 材料和方法

3.1 材料

3.2 研究方法

4 结果与分析

4.1施肥及秸秆还田对砂姜黑土理化性质的影响

4.2 土壤 DNA 的提取及 16s rRNA 的 PCR 扩增

4.3 秸秆还田及施肥对土壤细菌群落的影响

4.4 土壤固碳细菌分析

5讨论

6结论

6.1 土壤理化性质的变化

6.2 土壤细菌群落分析结果

6.3 土壤固碳细菌分析结果

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间所发表论文和取得的研究成果