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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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东北黑土区不同地域土壤微生物对长期施肥管理的响应研究

胡晓婧  
【摘要】:东北黑土区是世界四大黑土带之一,是我国重要的商品粮生产基地,由于长期过度垦殖和不合理经营,黑土农田土壤呈现质量退化、粮食产量不稳的变化趋势。为了维持和提高黑土区农田土壤生产力,向土壤中施加化肥和有机肥已成为常规的农业生产管理措施。肥料的添加在提高农作物产量和改善土壤质量的同时,也会对土壤微生物产生直接或间接的影响。土壤微生物在土壤生态系统中扮演着重要的角色,是土壤养分循环驱动者和土壤环境变化的指示者,土壤微生物学特性也是土壤质量和土壤生态功能的重要表征。本研究以东北黑土区3个长期定位施肥试验站(分别坐落在南部SB、中部MB和北部NB)为研究对象,选取NoF(无肥),CF(单施化肥),M(单施有机肥)和CFM(化肥有机肥配施)4种常规施肥制度,一方面采用荧光定量PCR和Illumina Miseq高通量测序技术,解析了东北黑土区细菌、真菌、固氮菌和反硝化细菌丰度、多样性及其群落分布特征,另一方面采用分子生态网络方法,对东北黑土区土壤微生物生态网络结构进行研究。旨在解析长期相同的施肥管理制度是否对黑土土壤微生物群落结构变化的影响具有趋同性。研究结果如下:1.东北黑土区优势细菌类群为变形菌、放线菌和酸杆菌。长期有机肥的添加不但显著增加了土壤养分,而且增加了东北黑土区α-变形菌、γ-变形菌、拟杆菌和厚壁菌等富营养型细菌的相对丰度。有机肥的添加还引起了细菌多样性指数的趋同性,而化肥的添加对细菌多样性具有离散作用。长期不同施肥制度显著改变了东北黑土区细菌群落结构,但施肥对细菌群落的改变小于地域差异的影响。土壤细菌群落结构与土壤理化性质紧密相关,土壤pH是影响东北黑土区细菌群落的主要因素。尽管显著影响细菌群落的理化因子在各地点不尽相同,但是不同施肥制度引起的土壤pH和全氮含量的变化同时对东北黑土不同地点细菌群落结构产生显著影响。2.子囊菌是东北黑土区主要的真菌类群。长期化肥的添加增加了镰刀菌等植物潜在致病菌的相对丰度,而有机肥处理不但可以提高东北黑土区被孢霉菌等植物有益菌的丰度,而且有机肥引起土壤养分的增加有助于抑制茎点霉菌、隐球菌和镰刀菌等潜在植物致病菌的生长。同细菌群落结构相类似,东北黑土区真菌群落结构仍按取样地点分布,但长期不同施肥制度对局部真菌群落仍有显著影响,且相同施肥制度对3个地点真菌群落的影响不尽相同。尽管土壤pH同时显著地影响东北黑土整体和局部地点真菌的群落结构,但是全磷、铵态氮和全氮含量分别是SB、MB和NB地点真菌群落最主要的影响因素。3.变形菌是东北黑土区主要的固氮菌类群,但隶属于变形菌的菌属相对丰度在3个地点差异显著,Skermanella是SB地点的优势固氮菌属,而慢生根瘤菌是MB和NB地点的优势固氮菌属。长期化肥和有机肥的添加显著降低了项圈藻属等自生固氮菌的丰度,而显著增加了慢生根瘤菌属等共生固氮菌的丰度。长期施肥不但显著降低了东北黑土区固氮菌的多样性,而且改变了固氮菌的群落结构。同细菌和真菌类似,地域差异对固氮菌群落分布的影响仍大于长期不同施肥制度的影响,且除全钾外,所有检测的土壤理化性质均显著影响东北黑土区固氮菌群落。尽管对固氮菌群落影响最大的土壤理化性质在3个地点不尽相同,但是土壤全碳、全氮和速效磷含量同时显著影响了3个地点的固氮菌群落。4.变形菌是东北黑土区主要的反硝化细菌类群,隶属于变形菌的菌属相对丰度在3个地点差异显著,Rhodanobacter是SB地点的优势反硝化细菌属,而慢生根瘤菌是MB和NB地点的优势反硝化细菌属。长期肥料的添加,尤其是有机肥显著增加了东北黑土区反硝化细菌拷贝数,土壤全氮和全磷含量是影响反硝化细菌拷贝数主要因素。化肥处理虽然对SB地点的反硝化细菌多样性无显著影响,但是显著降低了MB和NB地点反硝化细菌的多样性。同细菌、真菌和固氮菌群落分布类似,东北黑土区反硝化细菌群落结构仍主要按照取样地点进行分布,且所检测的全部土壤理化性质均显著影响反硝化细菌的群落结构。长期不同施肥制度引起土壤理化性质的改变显著影响了局部地点反硝化细菌的群落,土壤含氮养分,包括全碳、全氮和硝态氮含量同时显著影响整体和局部地点反硝化细菌的群落结构。5.基于随机矩阵理论(random matrix theory-RMT)构建东北黑土区细菌和真菌分子生态网络。网络特征参数显示,MB地点的细菌网络结构更加不稳定,而SB地点的真菌网络结构更加易受外界环境的扰动。3个地点的细菌网络复杂程度无明显差异,且细菌物种之间竞争关系所占比例基本相同,NB地点的真菌网络相比其它2个地点更加复杂且物种之间存在更多竞争关系。微生物网络连通度与土壤理化性质相关性显示,土壤pH和TP含量同时显著影响了东北黑土3个地点土壤细菌的网络结构,而土壤pH和TN同时显著影响真菌的网络结构,也表明土壤pH是影响东北黑土区微生物网络结构的关键因素。
【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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