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黄土高原雨养区苜蓿种植年限影响土壤碳排放的微生物驱动机制

蔡雪梅  
【摘要】:黄土高原雨养区严重的水土流失不仅破坏生态环境,而且降低土壤质量,减少土壤碳固存。紫花苜蓿(Medicago sativa)因其营养价值和生态功能,在该区域生态修复和土壤质量提高中起着重要的作用,但是,苜蓿连续种植多年后会导致草地严重退化,牧草产量下降,土壤的固碳效应也会因种植年限的延长而发生变化。目前针对影响黄土高原雨养区苜蓿人工草地CO_2排放的微生物机理研究较少,本研究以黄土高原雨养区不同种植年限(2 a、9 a、16 a和18 a)紫花苜蓿人工草地为研究对象,农田(玉米田)作为对照,采用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统进行土壤呼吸速率测定,同时借助Illumina Mi Seq测序技术研究土壤细菌和固碳功能基因cbb L群落结构、丰度及多样性,并结合土壤理化因子和生育期土壤CO_2-C排放测算,探讨生物和非生物因素与土壤碳排放之间的关系,揭示黄土高原雨养区苜蓿种植年限对土壤碳排放的影响及其微生物学机制,以期为黄土高原雨养区人工苜蓿草地的可持续利用提供理论依据。本研究主要结论如下:(1)黄土高原雨养区苜蓿土壤呼吸速率呈现出双峰变化趋势,分别于6月15和7月30达到两次峰值,整个生育期平均土壤呼吸速率表现为16 a(3.67±1.22μmol·m~(-2)·s~(-1))9 a(3.39±1.14μmol·m~(-2)·s~(-1))农田(3.20±1.22μmol·m~(-2)·s~(-1)),18 a(3.19±1.00μmol·m~(-2)·s~(-1))2 a(2.84±1.03μmol·m~(-2)·s~(-1));土壤碳排放量和排放效率均随种植年限的延长呈先增加后降低趋势,其中土壤碳排放量在16 a达到最大值,碳排放效率在9 a达到最大值。(2)黄土高原雨养区土壤细菌群落优势门为放线菌门(Actinobacteria,19.49%-28.39%)、变形菌门(Proteobacteria,22.09%-24.69%)、酸杆菌门(Acidobacteria,12.54%-15.46%)、绿弯菌门(Chloroflexi,9.41%-10.49%)和浮霉菌门(Planctomycetes,5.62%-8.35%)。其中放线菌门相对丰度表现为苜蓿土壤高于农田,且随着苜蓿种植年限的延长呈增加趋势;变形菌门相对丰度表现为苜蓿土壤低于农田,随着苜蓿种植年限的延长变化较为稳定;酸杆菌门和绿弯菌门相对丰度随着苜蓿种植年限的延长呈先增加后降低趋势;浮霉菌门相对丰度随着苜蓿种植年限的增加呈降低趋势。节杆菌属(Arthrobacter,2.22%-3.15%)和微枝形杆菌属(Microvirga,2.00%-2.44%)是已分类细菌属中的优势属,其相对丰度均随苜蓿种植年限的延长呈先降低后增加趋势。(3)黄土高原雨养区土壤固碳细菌群落优势门为变形菌门(Proteobacteria,82.93%-89.25%)和放线菌门(Actinobacteria,10.14%-15.09%),变形菌门相对丰度随着苜蓿种植年限的延长呈先增加后降低趋势,9 a达到最高值(89.25%);放线菌门相对丰度随着种植年限的延长呈先降低后增加的趋势,其中16 a苜蓿最高,9 a苜蓿最低;与农田相比,种植苜蓿能够提高变形菌门和放线菌门相对丰度,降低浮霉菌门相对丰度。已分类固碳细菌优势属为Starkeya属(5.96%-13.23%)和慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium,3.06%-11.47%),其中慢生根瘤菌属相对丰度处理之间差异显著。(4)冗余分析表明,土壤速效磷和微生物量碳是影响土壤细菌群落结构的主要因子;土壤速效磷和硝态氮是影响土壤固碳细菌群落结构的主要因子。(5)黄土高原雨养区不同年限苜蓿土壤呼吸速率受土壤温度和水分的共同影响,但温度影响更为强烈;土壤微生物量碳是影响土壤碳排放的主要因子,Gemmatimonadota和装甲菌门(Armatimonadetes)是影响土壤碳排放的主要生物类群。


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