黄土丘陵区梯田土壤微生物群落和活性特征及其影响因素

摘要

梯田是控制黄土高原水土流失行之有效的措施，明确黄土高原不同种植类型梯田土壤中细菌和真菌的群落组成和活性等多样性特征及其影响因素，对于科学评价梯田土壤的健康状况和生态效应，丰富土壤微生物多样性的认识和促进梯田的合理管理与利用有着重要意义。本研究以黄土高原庄浪县和安塞县的3个典型流域的主要种植类型梯田（玉米、小麦、土豆、苹果、黄豆、大棚等）土壤为研究对象，利用高通量测序技术揭示了不同种植类型下土壤细菌和真菌的群落组成特征，同时分析了土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶以及土壤微生物量等活性特征，并用生物统计学方法探讨了土壤理化性质和植物因子与土壤微生物的关系。主要结论如下:　　(1)庄浪堡子沟流域4种植被土壤中共测得55个门、146个纲、232个目、294个科和441个属细菌，其优势门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门(Chloroflexi)，其相对丰度之和可以占到77.71-84.80％;主要细菌纲类群为酸微菌纲(Acidimicrobiia)、β-变形菌纲（Betaproteobacteria）、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、放线菌纲(Actinobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)，其相对丰度之和可以占到36.64-48.33％。不同种植类型下土壤细菌门的相对丰度有差异，山杏林地的酸杆菌门相对丰度为18.59％，是其他三种种植类型的2-3倍;浮霉菌门、芽单胞菌门都大于其他三种种植类型，而绿弯菌门则最小。不同种植类型下土壤细菌纲的相对丰度也有差异，山杏地的β-变形菌纲和[Chloracidobacteria]相对丰度分别为6.79％和5.15％，是其他三种种植类型的2倍多，而山杏地的γ-变形菌纲和Ellin6529的相对丰度小于其他三种种植类型。　　(2)安塞方塔和马家沟两个流域的6种植被土壤中共测得37个门、52个纲、94个目、148个科和172个属细菌，主要细菌门类群为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门（Actino bacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、芽单胞杆菌门（Gemmatimonadetes），其相对丰度之和可以占到70.91-75.80％;主要细菌纲类群为酸杆菌纲(Acidobacteria)、放线菌纲(Actinobacteria)、β-变形菌纲（Betaproteobacteria）、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、其相对丰度之和可以占到43.47-56.41％。不同种植类型下土壤变形菌、放线菌门相对丰度差异不显著，但大棚地的酸杆菌门相对丰度为9.47％，小于其他种植类型土壤。而芽单胞菌门的相对丰度则表现为大棚地最高;大棚地的放线菌纲和硝化螺菌纲相对丰度最低，α-变形菌纲和γ-变形菌纲的相对丰度则是在撂荒地最低。　　(3)堡子沟流域4种种植类型土壤中共测得13个门，87个纲，164个目，360科，514个属真菌，优势真菌门主要有子囊菌门（Ascomycota），担子菌门（Basidiomycota），接合菌门（Zygomycota），其相对丰度在四种种植土壤中平均可达76％以上，而在间作地这3个门的相对丰度可达94％;真菌纲水平的优势物种主要有:粪壳菌纲(Sordariomycetes)，伞菌纲(Agaricomycetes)，散囊菌纲(Eurotiomycetes)，四种种植土壤下的粪壳菌纲和伞菌纲的相对丰度可以占到所有真菌纲的45.05％-67.54％。不同种植类型之间土壤真菌门的相对丰度有差异:子囊菌门在间作地(82％)大于苹果地(58.90％)和玉米地(58.56％)，山杏地最小(40.64％);担子菌门在山杏地(43.57％)是其他三种类型的5-9倍;接合菌门在苹果地(15.44％)和玉米(12.95)大于间作地(8.4％)。不同种植土壤中真菌纲的相对丰度也有差异:粪壳菌纲在苹果、玉米和间作地是山杏地的3-5倍;而伞菌纲、散囊菌纲和座囊菌纲则在山杏地显著大于其他三种地;粪壳菌纲在间作地大于苹果地和玉米地。　　(4)堡子沟流域6种种植类型土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性分别在0.30-0.84 mg·g-1·24h-1、2.46-21.78 mg·g-1·24h-1和0.88-2.09 mg·g-1·24h-1之间。土壤脲酶活性表现为玉米＞间作＞山杏＞苹果＞小麦＞土豆，碱性磷酸酶以山杏林地最大。土壤微生物量碳(MBC)处于61.78-480.40mg·kg-1之间，含量为山杏＞土豆＞小麦＞玉米＞间作＞苹果，山杏是其他种植类型的2-8倍。土壤微生物量氮(MBN)在19.41-73.70 mg·kg-1之间，山杏林地显著大于其他种植类型。马家沟流域土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性分别在0.21-0.93mg·g-1·24h-1、6.80-9.65 mg·g-1·24h-1和0.27-0.55 mg·g-1·24h-1之间，三种酶活性都表现为大棚地最高，而其他种植类型之间差异不显著;土壤MBC在15.58-78.88mg·kg-1之间，MBN的含量在3.05-4.54mg·kg-1之间，撂荒地的MBN含量最低，而其他三种种植类型之间差异不显著。坊塌流域土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性分别在0.53-1.69 mg·g-1·24h-1、5.18-18.52 mg· g-1·24h-1和0.59-0.74 mg·g-1·24h-1之间，土壤脲酶、蔗糖酶活性以撂荒地最低，不同种植类型之间的土壤碱性磷酸酶活性差异不显著。土壤MBC处于21.33-40.13mg· kg-1之间，撂荒地最高，苹果地最低。MBN的含量处于3.50-11.36mg·kg-1之间，撂荒地最低，而玉米地最高。　　(5)研究区不同种植模式下，影响土壤细菌微生物菌群组成和分布的主要影响因素为全氮(TN)、速效磷(AP)和容重(BD);而土壤真菌群落的组成与分布主要受到TN和BD的影响。土壤变形菌门为高营养组，更喜欢养分含量较高的土壤环境，主要受到AP、BD和pH的影响;酸杆菌门为低营养组，更喜欢养分含量较低的土壤环境，主要受到BD、硝态氮(NO3--N)和有机碳(SOC)的影响。土壤真菌不同群落受土壤因子影响不同，担子菌门与SOC呈正相关关系。土壤中的优势真菌门——子囊菌门主要受到全磷(TP)和NO3--N的影响。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 黄土高原梯田及其生态环境效应

1．1．1 黄土高原的梯田建设

1．1．2 梯田的生态环境效应

1．2 土壤微生物群落结构和多样性及其影响因素

1．2．1 土壤微生物的生态功能

1．2．2 影响土壤微生物群落结构和多样性的因素

1．2．3 土壤微生物多样性的研究方法

1．3 土壤微生物活性及其影响因素

1．3．1 土壤酶活性及其影响因素

1．3．2 土壤微生物生物量及其影响因素

1．4 问题提出与目的意义

第二章 研究内容与方法

2．1 研究内容

2．2 技术路线

2．3 研究方法

2．3．1 研究区域概况

2．3．2 土壤样品布设和采集

第三章 不同种植类型梯田土壤细菌群落特征

3．1 材料与方法

3．1．1 样品采集

3．1．2 庄浪土壤细菌高通量测序

3．1．3 安塞土壤细菌高通量测序

3．1．4 多样性分析

3．1．5 数据整理分析

3．2 结果与分析

3．2．1 数据优化统计结果

3．2．2 庄浪土壤细菌OUT聚类和多样性分析

3．2．3 庄浪土壤细菌群落组成分析

2．2．4 安塞土壤细菌OUT聚类和多样性分析

2．2．5 安塞土壤细菌群落结构组成分析

3．3 讨论

3．4 结论

第四章 不同种植类型梯田土壤真菌群落特征

4．1 材料与方法

4．1．1 土壤样品采集

4．1．2 测定方法

4．1．3 数据分析

4．2 结果与分析

4．2．1 数据优化统计结果

4．2．2 土壤真菌OUT聚类和多样性分析

3．2．3 土壤真菌群落结构多样性分析

4．3 讨论

4．4 结论

第五章 不同种植类型下土壤微生物活性特征

5．1 材料与方法

5．1．1 土壤样品采集

5．1．2 土壤酶活性测定方法

5．1．3 土壤微生物生物量碳氮测定

5．1．4 数据分析

5．2 结果与分析

5．2．1 不同种植类型下土壤脲酶活性特征

5．2．2 不同种植类型下土壤蔗糖酶活性特征

5．2．3 不同种植类型下土壤碱性磷酸酶活性特征

5．2．4 不同种植类型下土壤微生物量碳氮

5．3 讨论

5．4 结论

第六章 土壤微生物组成和活性与理化性质的关系

6．1 材料与方法

6．2 结果与分析

6．2．1 土壤基本理化性质

6．2．2 庄浪土壤细菌与土壤因子之间的关系

6．2．3 安塞土壤细菌与土壤因子之间的关系

6．2．4 庄浪土壤真菌与土壤因子之间的关系

6．2．5 土壤酶活、微生物生物量与土壤因子之间的关系

6．3 讨论

6．4 结论

第七章 主要结论

参考文献

致谢

作者简介