长期定位施肥对黄土高原土壤微生物群落结构的影响

摘要

中国西北黄土高原农业粮食生产区因干旱贫瘠而广受关注。如何提高作物产量，同时维持土壤肥力和土壤质量成为这一区域农业发展的关键问题。为此，平凉农科所于1979年建立了高平村长期定位实验站，用来评估长期不同施肥效应和小麦-玉米轮作制度对干旱区农业生产力的影响，以期探究土壤生态系统功能对农业管理的响应。 实验包括6个处理：N(单施氮肥)、NP(氮磷并施)、SNP(秸秆与氮磷合施)、M(单施厩肥)、MNP(厩肥与氮磷并施)、和CK(无肥对照)。 尽管已有报道表明长期不同施肥对该实验地作物产量影响很大，然而，还没有土壤微生物的相关报道，虽然它们与土壤肥力和植物健康密切相关。 为了解长期不同施肥对该地区土壤微生物的影响，我们以不同生长期小麦根际土壤总细菌和部分功能菌群：氨氧化细菌(AOB)、假单胞杆菌(Pseudomonas)、及丛枝菌根真菌(AMF)为研究对象，采取PCR及变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术，并结合克隆测序方法分析不同菌群对长期施肥和作物生长期的响应。 同时对群落物种组成和土壤理化因子进行CCA分析，以期找出影响该地区微生物群落结构和功能的主要生态因子。 结果表明：长期施肥对土壤肥力和微生物结构有很大影响。平衡施肥(MNP)显著提高了土壤肥力水平，而无肥处理土壤肥力最低。同时，MNP和M肥力水平相近，NP和SNP相近，CK和N相近。 基于PCR-DGGE凝胶回收条带克隆测序的群落分析表明：多数细菌属丁拟杆菌门(Bacteroidetes)和变形菌门(Proteobacteria)；厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、芽孢杆菌门(Gemmatimonadetes)中细菌成员也占有一定比例。优势类群与克雷伯氏菌属中(Klebsiella.sp)和戴尔福特菌(Delftia tsuruhatensis)极为类似。 基于AOB的amoA基因的系统发生表明：亚硝化螺菌属(Nitrosospira)第3进化支(cluster-3)在该地区为优势类群。有趣的是，多数序列的参考序列来自对我国施肥样地的研究。 假单胞菌菌落分析表明：施加有机肥(M或S)，有利于部分假单胞菌群落丰度的增加，主要分子种与Pseudomonas fluorescens，Pseudomonas putida等假单胞菌群中最常见物种类似。 然而，AMF多样性在本研究样地较低，仅出现了6个分子种，均属于球囊霉菌(Glomus)。极具优势物种序列与摩西球囊霉菌18S部分序列极为相似。 CCA分析表明土壤总细菌和AOB群落结构在不同处理下变化明显。但AMF群落对不同施肥处理制度的响应不敏感。与CK相比，施肥(M、S或N、P)有益于土壤微生物多样性的提高。 不同处理下小麦产量在1732 kg ha-1(CK)到5620 kg ha-1(MNP)间变化，单因素方差分析表明：MNP和NP、SNP间没有显著差异，但与M、N、CK间差异极其显著(P<0.01)。 总之，我们可以得出以下结论： (1)：长期不同施肥对土壤肥力水平影响很大，尤其是长期施加厩肥。 (2)：土壤总细菌和AOB群落结构对不同施肥制度响应明显，细菌分子种丰度随生长季下降明显。AMF和假单胞菌受长期施肥影响较小，但施肥后，特异物种丰度会发生明显改变。 (3)：土壤湿度和pH对该地区土壤微生物群落组成的影响最大，土壤有机碳、总碳和土壤总氮的作用次之。 (4)：小麦产量对不同施肥处理响应明显。平衡施肥(MNP)对该地区粮食安全和农业生态系统稳定有重要作用。 因此，在今后研究中可选择更多具有指示作用的功能群落。更为有力的统计工具的选择将有利于获得可靠的结果，并更好地联系微生物群落结构和生态系统功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

研究意义概述

第一章 材料与方法

1.1样地概况

1.1.1高平样地描述

1.1.2实验设计与处理

1.2样品采集及处理

1.3样品分析

1.3.1土壤理化分析

1.3.2基于培养的微生物平板计数

1.4土壤微生物群落结构分析

1.4.1土壤总DNA的提取

1.4.2根样DNA提取

1.4.3 AM孢子分析

1.4.4群落分析分子技术及其可行性

1.5数据转换与统计

参考文献

第二章 长期施肥对土壤理化性质及部分生态系统功能影响

2.1长期施肥对农田土壤肥力的影响

2.2长期不同施肥下，不同生长期小麦根际菌落变化

2.2.1可培养细菌菌落变化

2.2.3可培养真菌菌落变化

2.2.4可培养放线菌菌落变化

2.3长期不同施肥处理下小麦表型特征与功能特征差异

2.3.1小麦生长表型差异

2.3.2产量差异

参考文献

第三章 长期施肥对小麦根际细菌多样性及群落结构的影响

3.1土壤微生物

3.2施肥对土壤微生物影响的研究

3.3本研究目的

3.4结果与分析

3.4.1长期施肥下小麦根际细菌群落多样性

3.4.2 细菌PCR-DGGE图谱的聚类分析

3.4.3 细菌DGGE图谱条带克隆测序的系统发生分析

3.4.4不同处理下细菌丰度比较

3.4.5群落组成与土壤因子的CCA分析

3.5讨论

3.6结论

3.7展望

参考文献

第四章长期不同施肥对氨氧化细菌多样性与群落结构的影响

4.1 N循环

4.1.1硝化过程

4.1.2 AOB的种类及系统发育

4.1.3不同环境中AOB的调查研究

4.1.4 AOB研究的分子技术

4.1.5影响AOB群落结构和功能的主要生态因子

4.2长期不同施肥下AOB研究现状

4.3本研究目的

4.4结果与分析

4.4.1小麦根际AOB群落多样性

4.4.2 AOB PCR-DGGE图谱的聚类分析

4.4.3细菌DGGE图谱条带克隆测序的系统发生分析

4.4.4不同处理下AOB丰度比较

4.5讨论

4.6结论

4.7前景与展望

参考文献

第五章 长期不同施肥对小麦根际假单胞杆菌群落结构的影响

5.1植物生长限制子—磷

5.2土壤中主要的解磷微生物

5.3植物根际促生菌

5.4假单胞菌研究概况

5.5本研究目的

5.6结果与分析

5.6.1 长期施肥下小麦根际假单胞菌群落结构分析

5.6.2假单胞菌群落的聚类分析

5.6.3假单胞菌DGGE图谱条带克隆测序的系统发生分析

5.7讨论

5.8结论

5.9前景展望

参考文献

第六章长期不同施肥对小麦根际土壤及根内AMF群落结构的影响

6.1菌根

6.1.1丛枝菌根真菌

6.2 AMF研究进展

6.2.1 AMF生态学研究

6.2.2 AMF形态学研究

6.2.3 AMF研究中的分子技术

6.2.4农业生态系统中AMF的研究

6.3本研究目的

6.4结果与分析

6.4.1不同施肥下AMF孢子数量年季变化

6.4.2 AMF群落结构变化

6.5讨论

6.6结论

6.7前景展望

参考文献

小结

在读期间已发表论文

致谢