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山东省典型农产品基地土壤微生物多样性与地球化学元素关系研究

周娟  
【摘要】: 土壤微生物是陆地生态系统的重要组成部分,在推动地球生物化学元素循环过程中起着重要作用。它们通过相互竞争、协调、驱动养分循环等作用对土壤营养状况、生态系统稳定性、农作物健康和生产力起着重要作用。近年来土壤微生物多样性研究一直是微生物生态学的前沿热点问题。影响土壤微生物多样性的因素很多,以往研究主要集中在对土壤类型,有机质,水分,个别营养元素及有害重金属元素对微生物多样性的影响,而有关区域地球化学环境对土壤微生物多样性影响的报道却很少。然而地球化学是生态系统的重要组成部分,生物圈元素循环势必对农作物的生长、人类健康和生态系统稳定性产生重要影响。因此,配合多目标地球化学调查,研究典型农产品基地区域地球化学元素与土壤微生物多样性特征,并对其相互关系进行研究,不仅具有重大的理论研究意义,而且对发展可持续的生态农业系统具有重要的应用价值。 本研究选择山东省两个具有典型特色的农产品生产基地——鱼台优质稻生产基地和寿光大棚蔬菜基地,与“山东省黄河下游流域1:25万多目标区域地球化学调查”项目同步采样,对两地的土壤地球化学环境及微生物多样性进行研究,并创新性地将多目标地球化学填图数据应用到土壤微生物多样性研究中,对土壤地球化学元素与微生物多样性的关系进行研究。首先通过测定土壤pH、含水量、C(org)、As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、P、Pb、V、Zn、Se、N、S、SiO_2、Al_2O_3、Fe_2O_3、MgO、CaO、Na_2O_和K_2O的浓度,确定两地的地球化学元素特征。同时分别利用传统的培养技术、现代的BIOLOG系统及非依赖培养的FAME(Fatty acid methyl esters)分析方法分别对土壤微生物不同生理类群的微生物数量、碳源利用功能及基于磷脂脂肪酸图谱的微生物群落结构进行全面研究,从而揭示鱼台寿光两地土壤微生物多样性特征。最后将多目标地球化学填图数据应用到土壤微生物多样性研究中,揭示地球化学元素与土壤微生物多样性之间的相互关系。 对土壤地球化学元素的研究表明,鱼台优质稻产区土壤中N、P、K、B、Mo、Mn、Se、Fe等有益元素富集。但由于污灌、农药、化肥的施用等人为因素影响,土壤中As、Cd、Hg、Pb等重金属元素有明显富集趋势。鱼台淹育水稻土(SPS)中高含量S与低的pH值表明鱼台地区淹育水稻土有酸化现象。寿光市蔬菜种植区有益营养元素相对富集,而重金属污染相对轻微,从区域地球化学背景上分析对生产绿色无公害蔬菜非常有利。寿光大棚内P、N、S含量均显著高于大棚外。不同的大棚之间土壤地球化学环境差异较大棚外土壤地球化学环境差异大。研究区不同深度土壤化学元素含量不同,总的来说C,N、P含量随深度的增加而降低,F含量随深度的增加而增加。某些重金属与有毒化学元素如Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和As在深层土壤中有富集趋势。 对土壤不同生理类群微生物的研究表明,鱼台不同生理类群微生物含量差异较大;八种生理类群的微生物中,可培养的细菌数量占优势,其次是放线菌与氨化菌,纤维素分解菌数量最少;潮土中的放线菌数量明显多于淹育水稻土。寿光表层土壤中的优势菌主要是细菌、放线菌、固氮菌、氨化菌;总的来看,无论是微生物总量还是各类微生物的量,大棚内土壤样品中微生物的数量高于大棚外土壤的。研究区大多数土壤微生物数量随着深度的增加而降低。 对土壤微生物BIOLOG碳源利用功能的研究表明,鱼台表层土壤微生物的碳源利用数(S)为21.18±3.76,平均光吸收值(AWCD)为0.66±0.20,Shannon多样性指数(H')为3.04±0.15,Shannon均匀度指数(S_E)为1.01±0.04。鱼台潮土(FAS)的碳源利用数S及代表碳源利用活力的AWCD值显著高于淹育水稻土(SPS)。寿光表层土壤微生物S为20.84±5.19,AWCD为0.72±0.27,H'为3.00±0.21,S_E为1.04±0.22。寿光不同的农田土壤微生物具有不同的碳源利用模式。寿光大棚菜地碳源利用模式在主成分分析(PCA)图上较大田土壤样品分散。鱼台深层土壤微生物S、H'、McIntosh指数(U)、AWCD值随着深度的增加而减少,Gini指数(G)、S E、McIntosh均匀度(M_E)值总的来说随着深度的增加而增加。不同深度的土壤微生物碳源利用模式不同,但总的来说可以分成三个类群。 对土壤微生物磷脂脂肪酸图谱的研究表明,鱼台表层土壤微生物群落结构多样性不同样地之间存在差异,土壤微生物FAMEs含量(单位:μg g~-1干土)代表革兰氏阳性菌(GP)的为21.6±9.8,代表革兰氏阴性菌(GN)的为23.9±8.1,代表真菌(Fungi)的为22.7±9.2,GP/GN(Gram-positive/Gram-negative)值为0.9±0.3,细菌/真菌(Bac/Fungi)值为2.1±0.4。鱼台所有样地中就细菌与真菌而言细菌含量占优势。鱼台潮土的FAMEs总含量显著高于淹育水稻土,不同土壤类型微生物FAME结构不同。寿光表层土壤微生物群落结构多样性不同样地之间也存在差异,其土壤微生物FAMEs含量(单位:μg g~1 dry soil)GP值为8.44±3.31,GN值为12.87±3.60,Fungi值为15.29±7.07,GP/GN值为0.65±0.14,Bacteria/Fungi值为1.57±0.53。寿光不同农田土壤微生物的磷脂脂肪酸结构有明显差异。寿光番茄地土样明显与其它地分离。研究区深层土壤GP、GN、Fungi的FAMEs的含量总的来说随着深度的增加而降低。说明随着深度增加,各种营养物质的匮乏,土壤微生物含量逐渐降低。 通过对两地土壤微生物多样性比较发现,鱼台地区可培养的细菌、放线菌、氨化菌和纤维素分解菌数明显小于寿光。两地BIOLOG碳源利用指数没有明显的差异。基于FAMEs的各个指数存在显著差异,鱼台土壤中的GP、GN、GP/GN、Bac/Fungi比值明显高于寿光,而标记真菌的FAMEs总数明显低于寿光。 对土壤微生物多样性指标与地球化学元素的相关性研究表明多数土壤微生物多样性指数与地球化学元素之间存在显著相关关系(P0.05),且不同的参数与各地球化学元素间存在着不同的相关性。可培养的细菌数与Co、Mn、Ni、V呈极显著负相关性;真菌数与Co、Cr、Ni、V呈极显著负相关性,而与P、SiO_2呈极显著正相关性;放线菌数与Co、Cr、Ni呈极显著负相关性;固氮菌数与Co、Cr、Ni、V呈极显著负相关性,与SiO_2呈极显著正相关性;纤维数分解菌与Ni呈极显著负相关性(P0.01)。基于BIOLOG系统的U指数与Co、Cr、Ni、V呈极显著负相关性,与SiO_2呈极显著正相关性;S_E均匀度指数与Cr呈极显著正相关性;AWCD与Co、Cr、Ni呈极显著负相关性(P0.01)。基于FAME方法的GP、GN、Fungi、GP+GN、Bac+Fungi、GP/GN、Bac/Fungi与多数地球化学元素存在显著相关性,且不同的指数与不同的地球化学元素存在不同的相关性。 当环境受到污染时,微生物的种类、数量、生理状态和活性等会相应地发生改变,可以将微生物指标应用于环境监测中。由于可培养的细菌、真菌、放线菌、固氮菌、纤维数分解菌;基于BIOLOG系统的U值、AWCD值;基于FAMEs方法的GP、GN、GP+GN、Bac+Fungi、GP/GN、Bac/Fungi与多数地球化学元素存在显著相关性,它们有望成为地球化学环境变化的指标。如可培养的细菌数可以作为研究区Co,Mn,Ni,V的指示物,真菌与固氮菌数可以作为Co、Cr、Ni、V的指示物,放线菌数可以作为Co、Cr、Ni的指示物,纤维数分解菌可以作为Ni的指示物。GP、GN、GP+GN、Bac+Fungi、GP/GN、Bac/Fungi可作为研究区As、Cr、Pb、Zn、Cu的敏感指示物,Bac/Fungi和Fungi可作为Cr和Ni的敏感指示物。 本研究通过对山东省典型农产品基地——鱼台、寿光土壤微生物多样性及其与地球化学元素的关系研究发现不同区域表层土壤微生物数量、结构与功能存在差异;同一区域不同土壤类型或不同农业利用方式下土壤微生物多样性存在差异;不同深度土壤微生物的数量、结构与功能不同:多数土壤微生物多样性指数与地球化学元素之间存在显著相关关系,且不同的参数与各地球化学元素间存在着不同的相关性,并由此筛选出对地球化学环境变化具有指示作用的微生物指标。


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