长期不同施肥对中国东北黑土甲烷氧化菌群落特征与功能的影响

【摘要】：不同施肥方式对我国旱地农田土壤甲烷氧化影响的微生物机制尚不明确。本研究以“黑龙江省黑河农科所长期定位试验站”与“哈尔滨黑土肥力长期定位试验站”的长期定位施肥试验为研究对象,采集以下四个施肥处理:1)对照(CK,不施肥);2)有机肥(M);3)无机肥(黑河:NP;哈尔滨:NPK);4)有机肥+无机肥(黑河:MNP;哈尔滨:MNPK),分别代表低投入、有机农业、无机农业和常规农业施肥方式。利用气相色谱测定土壤甲烷氧化速率,分别利用聚合酶链式反应(PCR)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)和实时荧光定量PCR(QCR)技术测定甲烷氧化菌群落结构与丰度,研究了长期不同施肥下土壤甲烷氧化速率与土壤物理化学性质和甲烷氧化菌群落特征的关系。主要研究结果如下: 1、与CK处理相比,长期无机肥处理(NP/NPK)后,黑河试验点土壤甲烷氧化速率变化不明显,而哈尔滨试验点土壤甲烷氧化速率下降了79.1%;长期M处理后黑河和哈尔滨试验点土壤甲烷氧化速率均无明显变化;长期有机肥无机肥配施处理(MNP/MNPK)后黑河和哈尔滨两个试验点土壤甲烷氧化速率均显著下降,分别下降了61.2%和52.9%。 2、将土壤甲烷氧化速率除以甲烷氧化菌群落丰度(pmoA基因丰度)得到甲烷氧化菌的比活性,结果表明施用有机肥的黑河试验点土壤(M和MNP)甲烷氧化菌的比活性显著低于不施有机肥的土壤(CK和NP);与CK相比,哈尔滨试验点土壤M处理显著降低了甲烷氧化菌比活性,而NPK和MNPK处理无显著变化。 3、DGGE图谱表明,与CK相比,黑河试验点长期施用有机肥处理(M和MNP)土壤条带数量显著增多,NP处理无明显变化;哈尔滨试验点M和MNPK处理也增加了条带数量,而NPK处理土壤条带数量明显减少。DGGE图谱数字化结果表明,黑河试验点M和MNP处理Shannon指数显著提高,NP处理变化不明显;与CK相比,哈尔滨试验点MNPK处理土壤的Shannon指数显著提高,而NPK处理的Shannon指数显著下降,M处理则无明显变化。 4、定量PCR结果表明,与CK相比,黑河试验点M和MNP处理pmoA基因丰度显著提高,NP处理变化不明显;哈尔滨试验点M处理显著提高了土壤pmoA基因丰度,NPK和MNPK处理变化不明显。 5、黑河试验点土壤甲烷氧化速率与甲烷氧化菌比活性呈显著正相关,相关性系数及显著性为0.685(p = 0.014);哈尔滨试验点土壤甲烷氧化速率与甲烷氧化菌群落丰度和甲烷氧化菌群落结构呈显著正相关,相关性系数及显著性分别为0.648(p = 0.032)和0.304 (p = 0.020),表明供试土壤甲烷氧化速率与甲烷氧化菌群落特征存在密切的联系。 6、冗余分析结果表明,甲烷氧化菌群落结构与黑河试验点土壤pH、TN、OM呈显著正相关,相关性系数及显著性分别为0.825(p = 0.002,pH)、0.620(p = 0.002,TN)和0.500(p = 0.006,OM);与哈尔滨试验点土壤Moisture、pH呈显著正相关,相关性系数及显著性分别为0.359(p = 0.006,Moisture)、0.303(p = 0.010,pH)。此结果明确表明土壤物理和化学性质影响了土壤甲烷氧化菌群落结构。 7、黑河试验点土壤甲烷氧化菌pmoA基因系统发育树表明,施用有机肥使土壤中I型甲烷氧化菌由原来的Cluster 2全部转换为甲基暖菌属,而施用有机肥对于II型甲烷氧化菌没有明显的影响。 综上所述,本研究表明长期不同施肥可以通过改变黑土土壤物理和化学性质影响甲烷氧化菌群落特征,进而改变土壤甲烷氧化速率。特别的是,黑河暗棕壤有机肥处理土壤中I型甲烷氧化菌由原来的Cluster 2全部转换为甲基暖菌属,而II型甲烷氧化菌没有明显的改变。应该指出的是,黑河土壤甲烷氧化菌群落丰度与甲烷氧化速率缺乏紧密的联系,表明黑河有机肥处理土壤中只有部分甲烷氧化菌是“活跃”的。因此,进一步明确如何激活施用有机肥土壤中大量“不活跃”的甲烷氧化菌,将会大幅度增加土壤氧化甲烷的潜力。