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土壤熏蒸对氮循环功能微生物及N_2O生成的影响与机制

方文生  
【摘要】:尽管土壤熏蒸剂广泛应用于作物种植前防控毁灭性土传病原物如细菌、真菌、线虫等,但熏蒸剂对土壤氮循环微生物及氮转换关键过程的影响尚不清。本研究采用顶空-气相色谱技术研究五种熏蒸剂(氯化苦CP、1,3-二氯丙烯1,3-D、棉隆DZ、二甲基二硫DMDS、异硫氰酸烯丙酯AITC)处理下N_2O的排放特征;通过二代测序及定量qPCR手段分析amoA、nirS、nirK等氮循环11个功能微生物群落多样性及组成结构的响应动态;借助宏转录组学及~(18)N、~(15)O同位素标记法分析熏蒸后氨氧化、反硝化等氮循环关键过程及N_2O生成路径的变化。以期明确熏蒸胁迫下氮循环功能微生物的响应特征,阐明熏蒸土壤中N_2O的生成机制。结果如下:1.1,3-D熏蒸对氮循环微生物群落组成结构的影响在两种类型土壤(北京潮土和江西红壤)中,1,3-D均短期内减少参与氮循环过程11个功能基因的丰度,且1,3-D对功能基因的抑制作用在红壤中比潮土强、抑制时间较长。在我们关注的11个氮循环功能基因中,含有nifH、nxrB、napA和qnorB基因的微生物对1,3-D较敏感。与此同时,在熏蒸后期1,3-D显著增加nifH、AOBamoA、nirS、qnorB和cnorB基因丰度。1,3-D熏蒸显著减少固氮螺菌属Azospirillum、亚硝化单胞菌属Nitrosomonas、硝化螺菌属Nitrospira以及反硝化细菌假单胞菌属Pseudomonas、副球菌属Paracoccus等丰度;而增加固氮微生物根瘤菌属Rhizobium、反硝化微生物芽孢杆菌属Bacillus、食碱菌属Alcanivorax、链霉菌属Streptomyces等丰度。总的来说,1,3-D熏蒸显著影响了氮循环微生物,但功能微生物丰度在熏蒸后期培养的不同阶段(59 d)恢复到对照水平。2.DZ熏蒸对氮循环微生物及氧化亚氮排放的影响DZ熏蒸显著降低江西红壤中参与N循环过程的11种功能微生物及土壤总细菌16S rRNA的丰度。这种抑制作用也同样存在于北京潮土中,但比江西红壤较弱。DZ短期内增加细菌多样性,并对微生物群落组成结构产生一定影响。此外,熏蒸后土壤中N_2O的排放与土壤关键环境因子NH_4~+-N、DAA、MBN显著相关但与功能基因丰度无显著相关性。随着土壤中熏蒸剂浓度下降,DZ熏蒸引起的抑制作用消失,熏蒸后期土壤微生物群落恢复到对照水平,但微生物的恢复速度与土壤理化性质密切相关。3.CP熏蒸对氧化亚氮排放与生成的影响CP熏蒸显著刺激N_2O的排放,但降低了16S rRNA和N循环功能基因的丰度。同时,CP降低了土壤细菌多样性,引起了群落组成的变化。熏蒸土壤N_2O排放与土壤环境因子(NH_4~+、DAA、MBN、NO_3~-)显著相关,而与功能基因丰度无关。CP抑制N_2O生成和消耗过程相关基因家族的表达,导致N_2O排放路径从硝化途径转变为反硝化途径,使硝化作用成为N_2O生成的主要途径。当解除熏蒸胁迫后,熏蒸剂的抑制作用消失,土壤微生物群落恢复到正常水平,而微生物恢复的快慢取决于土壤类型。4.DMDS和AITC熏蒸土壤中氧化亚氮的生成机制DMDS和AITC均短期降低16S rRNA和N循环功能基因的丰度。当熏蒸胁迫解除后,功能微生物丰度逐步恢复到对照相似水平(59 d),但微生物的恢复速度与土壤理化性质关系密切。熏蒸土壤中N_2O排放与土壤环境因子(NH_4~+、DAA、MBN、NO_3~-)显著相关,而与功能基因丰度无关。熏蒸后土壤有效性N库(NH_4~+、DAA)的增加,是驱动N_2O代谢的重要因素。两种熏蒸剂均显著抑制氨氧化过程,amo家族基因表达量分别下降62.5%和94.1%。而且DMDS同时刺激了N_2O生成和消耗过程中基因家族的表达,而AITC只增加了NO_2~-转换成NO和有机氮分解过程家族基因的表达丰度。从而导致硝化路径对N_2O生成的贡献降低,使反硝化途径成为DMDS熏蒸后土壤中N_2O生成的主要路径,而硝化细菌的反硝化过程成为AITC熏蒸后N_2O生成的主导途径。


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