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《浙江大学》 2019年
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有机物料对稻田土壤硝化活性及N_2O排放的影响

刘亥扬  
【摘要】:土壤氮(N)素循环是陆地生态系统重要的元素循环过程之一,也是温室气体氧化亚氮(N_2O)产生的主要来源,对全球气候及生态环境变化有着重要意义。水稻土是我国尤其是南方地区常见的土壤类型,占耕地面积的20%。其中有机肥、秸秆还田等常见的农田管理措施以及水稻根系分泌物和凋落物等都会源源不断地向土壤中输入有机物质,这些有机物质为土壤提供N素,影响土壤N素循环和N_2O释放。但是目前关于外源有机物是如何影响稻田土壤硝化活性和N_2O释放及其相关微生物机理的认知还不系统。因此本研究首先选取我国南方地区四处长期定位试验站调查有机肥对硝化微生物丰度和群落的影响;然后通过室内培养试验研究易分解有机物对硝化活性和活性硝化微生物的影响机制;接着将一种有机物料拓展为三种不同C/N 比的有机物料,将一种水稻土壤拓展为两种pH值不同的水稻土壤深入探究在不同C/N 比的有机物料和不同性质的土壤条件下的硝化活性和活性硝化微生物;最后研究易分解有机碳源对不同pH土壤N_2O释放路径的影响。得到的主要研究结果如下:(1)长期施用有机肥显著增加长沙和南昌两地氨氧化古菌(AOA)的丰度,在嘉兴和鹰潭两地长期施用有机肥则显著刺激氨氧化细菌(AOB)的生长,两地amoA基因拷贝数分别增加4.8倍和12.8倍。在嘉兴水稻季和油菜季AOA与AOB的比值随着有机肥施入量的增加而增加说明AOB 比AOA对不同浓度的有机肥响应更敏感。Miseq测序结果表明四处定位实验站,尤其是南昌和鹰潭两地硝化微生物的群落结构受长期施用有机肥的影响,有机肥显著改变AOA和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的群落结构说明相对于AOB而言,AOA和NOB对有机肥较敏感。在嘉兴地区水稻季和油菜季,属于group1.1b的AOA的丰度随着有机肥施入量的增加而增加。差异分区分析(VPA)发现在四处长期定位试验站及嘉兴水稻季和油菜季中,由长期施肥引起的土壤理化性质的改变是影响硝化微生物群落结构的主要因素。(2)易分解有机物并不能促进水稻土的异养硝化过程,反而是自养硝化是主要的硝化过程。~(15)N标记愈伤组织和C_2H_2抑制结果显示愈伤组织中的有机N矿化的NH_3是硝化过程的底物并且促进自养硝化过程的发生。愈伤组织显著增加土壤的硝化活性并且改变AOA的丰度和群落结构。利用稳定性同位素核酸探针技术(DNA-SIP)及高通量测序技术发现AOA是愈伤组织降解过程中的活性氨氧化微生物并且属于group 1.1b的29i4是主要的活性氨氧化古菌。(3)通过结合~(15)N标记和C_2H_2抑制发现谷氨酰胺和低C/N 比的水稻秸秆促进pH为强酸性和中性水稻土自养硝化过程的发生。但是高C/N比的秸秆由于对NH_4~+的固定土壤中没有发生硝化作用,同时也抑制硝化微生物的活性。对谷氨酰胺和低C/N比降解过程中的活性氨氧化微生物研究发现,在pH为酸性的潴育水稻土中,无论外源是否添加有机物料(谷氨酰胺和水稻秸秆),AOA和AOB共同催化完成硝化过程,但是Nitrosospira sp.L1 15种的AOB被~(13)C-CO_2标记程度更深说明该种AOB起更重要作用。在没有有机物添加的偏中性脱潜水稻土中,AOA和AOB共同催化硝化过程,但是AOB是谷氨酰胺处理中的活性硝化微生物,而AOA是秸秆处理中活性硝化微生物。两种水稻土经过培养后均增加了活性Nitrososphaera viennensis的比例,是主要的活性氨氧化古菌。(4)pH为强酸性和中性的两种水稻土在70%的土壤孔隙含水量(WFPS)条件下,N_2O主要来自土壤的反硝化过程。与pH为中性的水稻土相比,低pH的土壤会抑制硝化速率和氨氧化微生物的活性。葡萄糖显著降低土壤硝化速率,但是对N_2O有直接的正效应。葡萄糖主要通过影响反硝化nirS和nirK基因的表达来促进N_2O的释放。此外,葡萄糖显著增加培养前7天反硝化过程对N_2O的相对贡献。通过以上研究,本文揭示了有机物料可以促进土壤硝化作用的发生,并且有机氮矿化的NH_3是硝化过程的底物,自养硝化过程占主导。同时葡萄糖通过刺激反硝化过程显著增加土壤N_2O的释放。因此本研究为深刻理解有机物料存在的条件下土壤硝化过程及N_2O释放的微生物调控机理,调控有机肥利用率、减轻生态环境危害提供重要理论依据。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S154.1

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