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《兰州大学》 2019年
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施肥对高寒草甸土壤氨氧化微生物的影响及其与植物、土壤偶联关系的研究

杨克娜  
【摘要】:高寒草甸是青藏高原极为重要的生态系统,但由于长期处于低温、高辐射的状态使其对全球变化较敏感。近年来,人为扰动和气候变化使该生态系统经历着生物多样性降低、初级生产力下降、生态稳定性下降等前所未有的改变。施肥作为一种重要的土地管理模式能够有效的增加土壤可利用资源的有效性,进而改变地上植物群落及地下功能微生物群落。氨氧化微生物(ammonia-oxidizing microorganisms,AOM)是驱动硝化过程的关键微生物,在土壤氮素转化过程中发挥重要作用。因此,深入研究AOM群落结构、多样性及植物-AOM-土壤的偶联关系对施肥的响应,为维持青藏高原高寒草甸生态系统功能稳定性提供理论依据。本研究采用qPCR和Illumina MiSeq高通量测序技术测定AOM丰度、群落结构及多样性。同时,对地上植物群落及地下土壤理化进行测量。探究青藏高原高寒草甸中不同梯度氮肥(N)、磷肥(P)、以及氮磷肥(NP)对AOM群落的影响及土壤环境变量和植物丰富度对AOM OTU丰富度的相对影响,并通过及结构方程模型(Structural equation modeling,SEM)确定不同施肥梯度植物-AOM-土壤的偶联关系。研究结果如下:1.施肥对土壤AOM群落结构及多样性的影响Illumina MiSeq高通量测序获得的amoA基因测序序列优化抽平后共得到385822条氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)序列分属于30个OTUs和409385条氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)序列分属于287个OUTs。相对丰度0.1%的OUTs用于系统发育树的构建发现,AOA的主导OUTs属于Group 1.1b,其中clusterⅡ在所有处理中占主导;而AOB的主导OUTs属于Nitrosospira,其中cluster 3a和cluster 4为AOB的主导类群。AOA群落结构在NP共添加时显著改变,且随施肥浓度的增加AOA多样性也显著降低;而AOB群落结构仅在N单独处理时发生显著性改变,且随N浓度的增加AOB多样性也显著降低。结果表明:AOA群落在NP施肥时响应明显,而AOB群落则对N施肥更为敏感。1.资源有效性和植物丰富度对AOM OUTs丰富度影响AOA OUTs丰富度研究结果显示:AOA OUTs丰富度与土壤pH有显著的线性拟合关系(R~2=0.23;P=0.001),随着土壤pH增加AOA OUTs丰富度逐渐增加;而植物物种丰富度与AOA OUTs不相关。SEM结果显示:N施肥时,土壤pH是AOA OUTs丰富度的唯一驱动因子;P和NP处理中,并未发现驱动AOA OTUs丰富度的生物和非生物因素。结果表明:土壤资源有效性(土壤NH_4~+和AP)和植物丰富度并不影响AOA OTUs丰富度,仅施肥导致的土壤酸化是唯一驱动AOA OUTs丰富度改变的土壤因子。AOB OUTs丰富度研究结果显示:土壤NH_4~+与AOB OUTs丰富度呈非线性关系(R~2=0.14;P=0.03),随着土壤NH_4~+含量的增加AOB OUTs丰富度先增加后降低;土壤AP与AOB OUTs丰富度显著负相关(R~2=0.12;P=0.02);植物物种丰富度显著增加AOB OUTs丰富度(R~2=0.38;P0.001)。SEM结果显示:N和NP施肥时,土壤AP和植物丰富度通过直接或间接的方式影响AOB OUTs丰富度。结果表明:资源有效性(土壤NH_4~+和AP含量)和植物丰富度共同驱动AOB群落丰富度的改变。2.植物-氨氧化微生物-土壤偶联关系植物-氨氧化微生物-土壤偶联关系研究结果显示:N施肥时植物生物量直接影响AOA生长(λ=0.66),AOB则受土壤pH的直接影响(λ=-0.72);P添加时土壤AP通过间接的影响植物生物量(λ=-0.31)而导致AOA丰度的增加(λ=0.52),而AOA直接负向影响AOB的生长(λ=-0.60);NP共施肥时土壤NH_4~+直接促进AOA的生长(λ=0.51),土壤AP通过增加植物生物量(λ=0.53)而抑制AOB的生长(λ=-0.55)。结果表明:不同类型的施肥导致植物-AOM-土壤之间的偶联关系发生改变。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S812.2

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