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稻田土壤碳氮转化与微生物群落结构及活性之间的联系机制

王娟  
【摘要】:稻田作为一种独特的人工湿地系统,干湿交替频繁,研究稻田土壤碳氮周转与微生物群落结构及活性之间的联系机制在微生物固碳和水稻增产上都具有重要意义。基于PLFA-SIP(磷脂脂肪酸-稳定同位素标记)及MicroRespTM、高通量测序等技术,本文先研究了保存条件对淹水和控水水稻土微生物活性和群落结构的影响,然后分析了秸秆、黑炭、尿素-C、CO2和根系分泌物对水稻微生物的影响,主要研究如下:通过对水稻土进行预培养维持淹水和控水(60%土壤持水量)两种水分条件。并在以不同方式保存之后测定其生化指标。结果显示,NO3-浓度在各处理均显著增加,除了淹水土壤4℃保存样品外,总PLFA量未发生显著变化。控水处理土壤保存30天后,NH4+浓度和基础呼吸增加但再培养7天后又恢复到保存前水平;而淹水NH4+浓度和基础呼吸受保存影响极小。各保存条件都影响了土壤的微生物群落功能结构,而对微生物群落结构无影响。淹水水稻土的微生物a多样性显著高于控水土壤,保存主要增加了淹水土壤的物种丰富度,而促进了控水土壤的物种均一性,根据细菌门和纲的结果,淹水土壤的微生物群落受保存影响更大。将水稻土中添加0.2%(w/w)秸秆、1%秸秆、0.5%黑炭、2.5%黑炭进行水稻盆栽实验,研究土壤碳氮转化及微生物代谢图谱的变化。结果显示,秸秆和黑炭均能影响土壤碳氮周转,提高水稻产量;MicrorespTM方法检测的微生物代谢图谱表明,添加秸秆和黑炭后微生物对丙氨酸、葡萄糖、果糖和原儿茶酸的代谢量随黑炭和秸秆的添加量而增加。总之,黑炭比秸秆更能增加水稻产量,而秸秆对微生物量碳及净碳矿化的影响显著高于黑炭,添加含量相对较高的黑炭比秸秆直接还田更有利于水稻增产和土壤有机碳积累。选取四种从pH3.9到7.8的农田土壤并分别施用13C标记的尿素。结果显示,尿素在施用2h后就发生了降解,3天后除高浓度尿素处理的潮土(pH 7.8)外,土壤中仅残存不到2%的尿素-C。主成分分析表明,尿素和培养时间对微生物群落组成的影响远小于四种由于土壤理化性质不同而导致的差异,土壤的第二组成分值与pH值存在显著的相关性。尿素-13C在微生物的富集率随pH增加而增加,这可能与pH增加,无机碳向HCO3-转化有关。标记图谱表明微生物对尿素-13C的利用不仅受土壤pH的影响,而且还与土地利用方式有关。不同的微生物固碳途径对无机碳的利用形式有差别,选取了六种的水稻土进行13CO2的培养实验。结果显示,土壤中13C的持留量与土壤pH显著相关并会随着培养时间的增加而增加,但土壤微生物总PLFA-C并不受培养时间的影响且与土壤有机碳呈显著相关。相关性分析同样显示土壤微生物群落结构受土壤pH的影响,而PLFA标记分布则受土壤有机碳的影响,PLFA的标记比例也与土壤有机碳呈负相关。有机碳含量低的土壤吸收13C的PLFA更为集中,而有机碳含量高的土壤同化13C的PLFA种类相对较多。因此,土壤微生物对无机碳的利用受土壤pH、有机碳含量、微生物种群等多种性质的综合影响。为研究氮肥对微生物利用根系分泌物的影响,选取三种施氮水平(0、100、200 mg kg-1 N)种植水稻并进行13C02连续标记。一方面,N增加了水稻生物量和水稻茎、根及相应土壤的δ13C值,但对微生物量及微生物群落结构影响不显著;另一方面,种植水稻显著增加微生物生物量和改变微生物群落结构。未种植物的土壤13C标记的PLFA含量很低且在施氮和未施氮处理间没有差异;对于种植水稻的处理,N的应用显著促进了总13C标记量,同时,改变了标记PLFA图谱。结果表明N的影响主要是由于促进了植物生物量并相应增加了根系分泌物所导致。真菌和革兰氏阴性细菌是主要利用水稻根系分泌物的微生物。


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