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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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大气CO_2浓度升高条件下作物光合碳在黑土中转化过程及微生物群落结构特征

王艳红  
【摘要】:大气二氧化碳(CO_2)浓度升高促进植物的光合作用过程,并改变植物光合同化碳向土壤中释放的质和量。在根际,根系脱落物为土壤微生物提供基础的养分和能量来源,高CO_2浓度条件下根际及根系沉积物数量和质量的改变会相应影响到土壤微生物的活性、群落结构及功能。还田的秸秆在土壤微生物的作用下进行分解矿化,CO_2浓度升高导致植物残体内物质组成发生相应的改变,继而引起参与降解残体微生物群落结构的响应。鉴于土壤微生物在影响土壤养分循环方面的关键作用,大气CO_2浓度升高条件下参与植物光合同化碳转化的土壤微生物将很大程度上影响未来气候变化条件下土壤碳库的稳定性。本论文旨在揭示大气CO_2浓度升高对作物光合碳在黑土中的转化过程及与之相关的细菌群落结构特征的影响。研究采用~(13)C稳定同位素示踪技术结合Illumina高通量测序技术解析参与大豆光合碳转化的土壤细菌群落结构特征,明确不同CO_2浓度条件下利用大豆光合碳的根际细菌群落结构及多样性差异。利用成熟后的作物秸秆在土壤中分解转化,阐释CO_2浓度升高导致不同作物外源碳输入对土壤碳含量的影响,明确残体碳向土壤颗粒有机碳库组分的分配特征以及与之相关的细菌群落结构动态变化过程。揭示大气CO_2浓度升高时黑土农田作物光合碳转化与细菌群落结构特征的耦合关系。具体研究结果如下:1、应用~(13)CO_2标记大豆植株,利用DNA-SIP技术分离代谢大豆光合同化碳的细菌群落,利用高通量测序技术比较不同CO_2浓度下细菌群落多样性和结构差异。结果表明,高CO_2浓度显著降低黑土根际土壤中利用大豆光合同化碳的细菌丰富度和多样性。高CO_2浓度降低快速生长型细菌属的相对丰度,包括Pseudarthrobacter、Gaiellales_uncultured、Gemmatimonas和Acidobacteriaceae_uncultured,但是增加可降解复杂物质的细菌属的相对丰度,包括Novosphingobium、Acidimicrobiales_uncultured、Bacillus、Flavisolibacter和Schlesneri。根际土壤细菌群落结构的演替变化可能与高CO_2浓度引起的植物光合同化碳源的改变有关。2、连续三年将生长于高CO_2浓度下的大豆秸秆还田到有机质含量不同的黑土中。结果表明,大气CO_2浓度升高能增加秸秆有机物向土壤中的还田量,同时增加土壤颗粒态有机碳(粗POC和细POC组分)组分内的碳含量,但颗粒态有机碳组分的碳含量增加对土壤全碳含量的影响并不显著。还田的秸秆碳在高有机质含量黑土上显著增加了粗POC、细POC和MOC组分中碳含量,在低有机质含量黑土上仅显著增加了MOC组分内的碳含量。高CO_2浓度条件下产生的秸秆还田能够有效地提高有机质含量高的土壤有机碳稳定性。3、将正常和高CO_2浓度条件下生长,且进行~(13)CO_2标记的大豆茎秆残体添加到土壤中培养28天。对土壤细菌总DNA进行高通量测序,同时将培养后第7天和第28天的DNA进行超高速密度梯度离心,分离得到的重组DNA进行高通量测序。结果表明,随培养时期的推进,细菌群落结构明显不同,但不同CO_2浓度中生长的大豆茎秆残体还田后,细菌群落整体结构并没有显著差异。通过SIP(Stable Isotope Probing)技术分离得到的利用不同CO_2浓度下产生的残体碳的细菌群落结构在培养后的第28天时出现了显著的差异。4、将不同CO_2浓度条件下产生的~(13)CO_2标记的小麦茎秆和根残体施加到土壤中培养200天,培养过程中连续监测土壤微生物呼吸。发现正常CO_2浓度条件下产生的小麦茎秆添加处理的土壤累积呼吸最大,表明参与降解此残体的微生物活动最活跃。不同CO_2浓度条件下产生的小麦残体对土壤有机碳的贡献存在差异,具体体现为高CO_2-茎秆正常CO_2-茎秆高CO_2根=正常CO_2-根残体。小麦残体添加到土壤中后主要通过增加粗颗粒态有机碳(粗POC)组分的碳含量来增加土壤全碳含量。5、不同CO_2浓度下产生的小麦残体施加到土壤中培养后,土壤细菌群落结构会因小麦残体类型以及培养时间而发生改变。高CO_2浓度导致小麦茎秆添加后土壤细菌群落结构与正常CO_2浓度下产生的小麦茎秆添加处理显著不同。高CO_2浓度条件下产生的根残体降解细菌群落结构与正常CO_2浓度下的无显著差异,但CO_2浓度升高导致茎秆添加处理的土壤细菌群落结构趋同于根残体添加处理,表明CO_2浓度升高可能导致茎秆残体在土壤中的降解过程与根残体在土壤中的降解过程相似。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S154.3

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