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茶园土壤微生物群落多样性及硝化作用研究

薛冬  
【摘要】: 本论文在我国著名绿茶产地杭州市西湖区梅家坞,在同一母质发育土壤上,选择荒地、茶园和林地典型土样为研究材料,采用田间调查与实验室培养相结合,综合运用传统技术和Biolog、DGGE、PLFA等新技术以荒地和林地土壤为参比,重点对茶园土壤特殊生境中,土壤微生物生化特性、群落结构及多样性、施氮肥和石灰对土壤微生物生化特性和群落结构及多样性的影响、茶园土壤微生物群落中特殊的生理类群—硝化微生物及其驱使的硝化作用强度等方面进行了系统的研究。获得以下主要研究结果: 1.茶园土壤主要微生物生化指标微生物量碳、基础呼吸、微生物商、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性随茶园植茶年龄的增加,从幼龄(8年)至中龄(50年)明显上升,而后从中龄(50年)至老龄(90年)明显下降(p<0.05),以中龄茶园土壤最高。而土壤主要化学指标—土壤酸度、土壤有机碳、全氮和有效磷含量随着植茶年龄增加而增加,均以老龄茶园土壤最高。与荒地、林地土壤相比,茶园土壤的脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶活性以及矿质氮含量均明显高于荒地、林地土壤(p<0.05)。 2.对茶园、荒地和林地土壤微生物群落结构及多样性的研究表明,Biolog测定的土壤微生物功能多样性指数随茶园植茶年龄增加而减小(P<0.05),不同利用方式的大小顺序为荒地>林地>茶园。DGGE测定的基因多样性指数从8年茶园至50年茶园显示明显增加趋势,从50年茶园至90年茶园显示明显减小趋势(P<0.05),不同利用方式的大小顺序为荒地>茶园>林地。PLFA分析显示,茶园植茶年龄及利用方式明显影响土壤微生物群落组成和脂肪酸所指示的特定微生物(革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、细菌、真菌、放线菌以及革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的比值、真菌与细菌的比值)(p<0.05),但土壤微生物群落结构多样性指数在茶园不同植茶年龄和茶园—荒地—林地不同利用方式土壤之间均没有明显区别。从微生物对Biolog微平板碳素利用剖面、微生物16S rDNA片段的DGGE指纹图谱和微生物PLFA图谱的聚类分析表明三种测试技术所得数据的分析结果趋势完全一致,即茶园三个不同植茶年龄的土壤在较短距离尺度聚为一类,茶园、荒地和林地三种不同利用方式的土壤在较大距离尺度聚为明显不同的3类,表明不同利用方式相对于茶园植茶年龄对土壤微生物群落结构的形成有更大的影响。 3.施尿素实验室培养试验对茶园、荒地和林地的土壤微生物量、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性等生化指标均显示很快促进作用,在第5天就达到最大值。而后茶园土壤明显下降,至第45天趋于平缓。荒地、林地土壤则不再发生变化。施尿素使茶园土壤微生物群落功能多样性指数明显下降(p<0.05),其下降幅度是8年茶园>50年茶园>90年茶园。8年茶园土壤微生物群落基因多样性指数增加,50年和90年明显降低。施尿素对茶园土壤微生物群落结构多样性指数没有明显影响,但脂肪酸所指示的特定微生物(革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、细菌、真菌、放线菌以及真菌与细菌的比值)均发生了明显变化(p<0.05)。施尿素使荒地和林地土壤微生物功能、基因和结构多样性指数均明显增加。Biolog、DGGE和PLFA数据的主成分分析均表明施尿素对茶园土壤微生物群落结构的影响明显不同于荒地和林地。 4.施石灰对土壤微生物群落结构及多样性的影响显示,Biolog分析表明,茶园和林地土壤微生物群落平均吸光值(AWCD)和功能多样性指数均随着石灰用量的增加而增加,而荒地则随施用量增加而下降。其数据的主成分分析表明,施石灰对茶园土壤微生物群落结构的影响与荒地和林地的明显不同。PLFA分析表明,茶园、荒地和林地土壤微生物结构多样性指数均随石灰用量增加而增加。施石灰使茶园、荒地和林地土壤细菌特征脂肪酸增加。茶园土壤真菌和放线菌的特征脂肪酸则低施用量(0—1.6—3.2g CaCO_3 kg~(-1))上升,高施用量(3.2—6.4g CaCO_3 kg~(-1))下降。荒地和林地土壤真菌特征脂肪酸均随石灰用量增加而减小,放线菌特征脂肪酸则随石灰用量增加而增加,其数据的主成分分析表明施石灰对茶园土壤微生物群落结构的影响与林地相似,与荒地明显不同。 5.从50年酸性茶园土壤分离到两株异养硝化细菌N1和N2,根据其形态学特征、以及16S rDNA测序与系统发育分析,可初步断定菌株N1为假单胞菌属(Pseudomonas),菌株N2为无色杆菌属(Achromobacter)。并且菌株N2与无色杆菌属中Achromobacter xylosoxidans的16S rDNA序列相似性高达98%-99%。菌株N1和N2的最适氨氧化pH值分别为7.5和7.0,最适氨氧化温度分别为32℃和30℃,并且两株菌在pH值低至3.5的培养基上仍具有较高氨氧化能力。菌株N1和N2在无机培养基中生长时均能使培养基pH值明显减小。 6.茶园土壤氮的净矿化作用和净硝化作用显著大于荒地和林地,并且,随植茶年龄增加,从8年幼龄茶园到50年中龄茶园有明显增加趋势,从50年中龄茶园到90年老龄茶园则有明显减小趋势(p<0.05)。茶树凋落物、尿素和石灰的施用均能提高土壤硝化率,茶园土壤硝化率的增加率明显大于荒地和林地土壤(p<0.05)。对于茶园土壤生态系统,施尿素使8年和50年茶园土壤硝化率的增加率显著大于90年茶园土壤,茶树凋落物和施石灰均使50年茶园土壤硝化率的增加率明显大于8年和90年茶园土壤(p<0.05)。 7.分别采用好气培养法及悬浮液培养法测定了茶园土壤硝化势,发现茶园土壤亚硝化细菌和硝化细菌的数量及硝化势均从8年茶园至50年茶园明显增加,从50年茶园至90年茶园明显减小,亦明显高于荒地和林地(p<0.05)。施用尿素使茶园、荒地和林地土壤硝化势也有不同程度的增加,其大小顺序为茶园>林地>荒地。比较了好气培养法和悬浮液培养法两种方法对土壤硝化势的测定,表明土壤悬浮液培养法能更准确地反映土壤硝化势的强弱和硝化微生物的活性。但经典悬浮液培养法所提供的DH为7.2的培养基,不适于酸碱缓冲能力较强的茶园土壤。只有使培养基接种土壤后的pH为7.2,才能满足硝化微生物发挥最大活性时对环境pH值的基本要求。


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