本文關(guān)鍵詞：三峽庫(kù)區(qū)消落帶的微生物群落結(jié)構(gòu)、碳氮礦化和硝化作用的研究　出處：《西南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：在半陸地生態(tài)系統(tǒng)中,特別是消落帶地區(qū)土壤,土壤學(xué)和水文學(xué)相結(jié)合的研究挑戰(zhàn)前不久已被確認(rèn),相對(duì)于陸地土壤,消落帶地區(qū)土壤的屬性和生態(tài)過(guò)程的研究還較少。消落帶地區(qū)土壤受到較大的水位波動(dòng)影響而具有不同的土壤水分條件。通常他們有一個(gè)允許有氧過(guò)程發(fā)生的氧化帶。然而,他們?cè)谘蜎](méi)時(shí)可以被還原,對(duì)土壤微生物群落有毀滅性的影響。由于有機(jī)物質(zhì)的大量積累,消落帶地區(qū)土壤經(jīng)常表現(xiàn)為高碳和氮含量。而且,土壤微生物群落的組成和多樣性很大程度上決定了生物地球化學(xué)循環(huán)、有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)過(guò)程、土壤的肥力和質(zhì)量。因此,土壤中微生物多樣性的定量已成為微生物研究者面臨的一個(gè)意義重大又最為困難的任務(wù)之一。有許多關(guān)于影響河岸帶植物多樣性的因素的研究,如消落帶,并發(fā)現(xiàn)物種的存在和豐度在很大程度上取決于各種環(huán)境因素(即淹水情況,土壤污染和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng))。因此,理解環(huán)境因素和植物多樣性之間的關(guān)系對(duì)重建生物多樣性的河岸帶至關(guān)重要�，F(xiàn)在很清楚的是,土壤群落是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最豐富的組成部分之一,并已被描述為“窮人"的雨林。土壤通過(guò)土壤微生物在土壤剖面頂部5-10厘米處代謝每年的大部分碳和養(yǎng)分改變量,在生物圈中扮演著關(guān)鍵角色。此外,土壤微生物特性與土壤變化之間的快速響應(yīng)是由自然和人為因素引起的。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)是土壤質(zhì)量的一個(gè)重要而敏感的指標(biāo)。土壤微生物生物量被認(rèn)為是可用的營(yíng)養(yǎng)的一個(gè)源或庫(kù),并在養(yǎng)分轉(zhuǎn)換中起著至關(guān)重要的作用。此外,微生物生物量可用于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量以及評(píng)估土壤擾動(dòng)和恢復(fù)。所有濕地,例如消落帶地區(qū),都有一個(gè)共同點(diǎn)。它們是周期性的或永久性的水飽和的土壤環(huán)境,具有特征性的植被和地下水位位于或接近土壤表面。最后,土壤氧化還原條件下的陡峭梯度形成了一個(gè)維持復(fù)雜的元素生物地球化學(xué)循環(huán)模式。然而,基于物理和化學(xué)參數(shù)很難完全解釋和預(yù)測(cè)復(fù)雜的土壤性質(zhì)和功能的變化。微生物在土壤中具有較大的豐度和多樣性,在有機(jī)物分解和養(yǎng)分循環(huán)中起著關(guān)鍵作用,不同的微生物群體的功能之間有很大的差異。例如,細(xì)菌和真菌為主的能源渠道被認(rèn)為與不同的生態(tài)系統(tǒng)功能有關(guān)。除了微生物群落的重要功能外,微生物的組成對(duì)各種環(huán)境因素也很敏感。因此,微生物組成可以作為一個(gè)很好的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)人類活動(dòng)的影響,包括土壤管理措施對(duì)土壤性質(zhì)和功能的影響。一個(gè)不斷變化的環(huán)境為微生物帶來(lái)了壓力。土壤微生物有各種各樣的進(jìn)化適應(yīng)性和生理適應(yīng)機(jī)制,這使他們?cè)诿鎸?duì)環(huán)境壓力時(shí)能夠生存和保持活躍。然而,一個(gè)極端的壓力會(huì)迫使他們進(jìn)入休眠或?qū)е滤劳觥Ｌ貏e是由于水文被認(rèn)為是決定濕地特點(diǎn)的最有影響力的因素,改變水文情勢(shì)可能導(dǎo)致濕地結(jié)構(gòu)和功能的劇烈變化。很多研究報(bào)告了濕地的水文變化對(duì)其結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的影響。一般情況下,連續(xù)干燥和洪水會(huì)導(dǎo)致礦化率提高和大量的營(yíng)養(yǎng)鹽浸出。干擾,例如洪水,雖然經(jīng)常被忽略,但其對(duì)地上和地下的生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程均有影響。當(dāng)土壤從有氧變?yōu)檠退疅o(wú)氧時(shí),土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化,由于細(xì)菌和真菌在分解和養(yǎng)分循環(huán)中所扮演的不同的關(guān)鍵角色,地下生態(tài)系統(tǒng)的變化也可能會(huì)影響地上生態(tài)系統(tǒng)的組成。隨著2008年三峽大壩項(xiàng)目的完成,三峽庫(kù)區(qū)的水位在夏季(5月至9月)的145米到冬季(10月至4月)的175米之間波動(dòng),導(dǎo)致形成了沿水庫(kù)總面積約350平方公里的消落帶。降水的輪替時(shí)間,使得消落帶土壤長(zhǎng)期持續(xù)性淹水,水位在海拔30米之間波動(dòng),顯著改變了消落帶的環(huán)境條件。三峽水庫(kù)是一年經(jīng)歷一次氧化還原過(guò)程,由于間歇性季節(jié)降水使得350平方公里的消落帶地區(qū)的水位在海拔30米之間變化。由于巨大的工程建設(shè)影響,水庫(kù)的兩岸因侵蝕其原生植物群落受到相當(dāng)大的破壞。其余分散的原生植物也無(wú)法適應(yīng)因降水而形成的長(zhǎng)時(shí)間的氧化還原干擾以及每年都要遭受的廣泛的水壓力。三峽水庫(kù)的淹水變更時(shí)間和水位消落持續(xù)時(shí)間形成的長(zhǎng)時(shí)間氧化還原干擾嚴(yán)重地導(dǎo)致消落帶的大部分區(qū)域因缺少原生植物而裸露。盡管為恢復(fù)三峽庫(kù)區(qū)的河岸生態(tài)系統(tǒng)做了巨大的努力,但關(guān)于消落帶地區(qū)氧化還原干擾對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)、碳和氮礦化、硝化潛力和凈硝化率的影響還了解甚少。了解這些數(shù)據(jù)有利于加強(qiáng)消落帶區(qū)域的恢復(fù)策略,本研究基于從上游到下游的地理特征于2014年6月在三個(gè)地區(qū)包括上游萬(wàn)州(n30.712576°,e30.712576°)、中游長(zhǎng)壽(n29.799030°,e29.799030°)和下游豐都(n29.904140°,e107.754242°)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查。研究區(qū)域是典型的東南部亞熱帶季風(fēng)氣候,1月年平均溫度為5.3°c,7月為29°c。年平均降水量約1100毫米80%降雨集中在4月和10月之間。研究土壤為始成土,包括中國(guó)土壤分類(gscc)中的紫色土(47.8%,普通始成土按照世界土壤資源參比基礎(chǔ)分類)。從2006年到2014年,季節(jié)性降水引起沿海拔高度形成不同氧化還原梯度,即海拔150米至156米一年有8個(gè)月處于淹水狀態(tài),157米到170米一年有5個(gè)月處于淹水狀態(tài),171米到175米一年有8個(gè)月處于淹水狀態(tài)。土壤樣本采集自從150米至182米的三個(gè)不同海拔高度,代表了三峽庫(kù)區(qū)三個(gè)不同的采樣區(qū)域(水庫(kù)上部的萬(wàn)州,中間部分的長(zhǎng)壽,較低部位的豐都)因重復(fù)性淹水而形成的不同氧化還原體系(點(diǎn))。海拔150米至156米從2006年到2014年經(jīng)歷了8次淹水(8次循環(huán)),161米到170米從2009年到2014年經(jīng)歷了5次淹水(5次循環(huán))以及180米到182米有原生植物群落沒(méi)有被淹水(0次循環(huán))。隨機(jī)選取沿海拔高度從150到182米的土壤,每個(gè)采樣點(diǎn)采集3個(gè)小區(qū)(豐都采集了4個(gè)小區(qū))。每個(gè)采樣小區(qū)(1×1米),間隔采集5個(gè)0-20-cm深度土壤樣本,然后混勻成1個(gè)混合土樣。土樣被密封在塑料袋里,于4°c保存進(jìn)行土壤理化分析,如土壤ph值、toc、tn和硝氮,于-20°c保存用磷脂脂肪酸對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析(plfa)分析。風(fēng)干土樣用于研究消落帶c和n礦化和硝化動(dòng)力學(xué)。土壤氮礦化培養(yǎng)設(shè)置兩個(gè)處理:1)無(wú)外加氮源的空白處理,2)添加0.34毫克每克土的精氨酸(含氮88.4mgn每千克土)來(lái)確定兩個(gè)處理之間無(wú)機(jī)n的變化。然而,土壤碳礦化培養(yǎng)也有兩個(gè)處理:1)無(wú)外加碳源的空白處理,2)添加含碳1%的葡萄糖來(lái)確定兩個(gè)處理之間co2-c的變化。對(duì)于硝化動(dòng)力學(xué)研究,我們?cè)O(shè)置兩個(gè)處理:一半的燒瓶添加0.518mg(nh4)2so4g-1干土(相當(dāng)于0.0884mgng-1),另一半作為空白處理。三種土壤樣品于保持最大田間持水量(whc)的70%于28°c下預(yù)培養(yǎng)7天。所有的處理設(shè)置重復(fù)進(jìn)行培養(yǎng),30g土保持最大田間持水量的70%于250ml三角瓶中28oc下黑暗培養(yǎng)15天。在第0天、第5天、第10天、第15天采樣。此外,在培養(yǎng)的第0、5、10和15天,每個(gè)處理隨機(jī)選取3個(gè)重復(fù)提取dna和用定量pcr(qpcr)測(cè)定amoa基因拷貝數(shù)。取0.50g三種土壤用土壤dna快速提取試劑盒根據(jù)制造商的協(xié)議來(lái)提取其dna(mpbiomedicals,unitedstates)。提取的dna的質(zhì)量和數(shù)量用分光光度法測(cè)定(nanodrop,peqlab,germany),然后存儲(chǔ)在-20°c以備使用。對(duì)amoa基因進(jìn)行定量pcr來(lái)分別預(yù)測(cè)氨氧化細(xì)菌和古細(xì)菌群落的豐度。結(jié)果表明,消落帶土壤和原生土壤共有31個(gè)不同的plfa生物標(biāo)記。長(zhǎng)時(shí)間氧化還原擾動(dòng)將引起的plfa官能團(tuán)的變化。在長(zhǎng)壽、萬(wàn)州和豐都三個(gè)采樣點(diǎn),相比于未經(jīng)歷氧化還原的原生土壤,經(jīng)歷了8次及5次氧化還原循環(huán)次數(shù)的土壤中的飽和直鏈plfas分別有18%-22%和22%-18%的增長(zhǎng),而飽和支鏈plfas則分別有10%-12%和24%-26%的增長(zhǎng),同時(shí),環(huán)丙基plfas分別有30%-32%和47%-32%的增加。相比于未經(jīng)歷氧化還原的原生土壤,其他兩種土壤的線性單一不飽和plfas與多元不飽和plfas都減少了。在8次循環(huán)和5次循環(huán)的土壤中單不飽和磷脂脂肪酸分別線性減少41%-43%和19%-20%,在8次循環(huán)的土壤中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)多不飽和脂肪酸;與長(zhǎng)壽,萬(wàn)州和豐都0次循環(huán)的土壤相比,5次循環(huán)的土多不飽和脂肪酸有80%-84%的減少。8次循環(huán)和5次循環(huán)的土壤中以一般的細(xì)菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、硫酸鹽還原菌(srb)和厭氧菌為主,而在長(zhǎng)壽,萬(wàn)州和豐都0次循環(huán)的土壤中,真菌、革蘭氏陰性菌、放線菌、甲烷氧化菌,好氧菌和原生生物比較豐富。消落帶(8次循環(huán)和5次循環(huán))和未經(jīng)歷氧化還原土壤(0次循環(huán))之間存在顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p0.002),這也解釋了某些微生物如真菌、原生動(dòng)物、革蘭氏陰性細(xì)菌、放線菌、好氧細(xì)菌在消落帶生長(zhǎng)被抑制。在長(zhǎng)壽消落區(qū)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)原生生物但在萬(wàn)州和豐都5次循環(huán)消落區(qū)中被發(fā)現(xiàn)。土壤ph值、toc和tn與g+/g-比例呈正相關(guān),但與總plfa,f/b,a/b和mono/branch比呈負(fù)相關(guān)。c:n比與總plfa和g+/g-比例呈正相關(guān),但與f/b,a/b和mono/branch比呈負(fù)相關(guān)。盡管在15天的培養(yǎng)中消落區(qū)的ph是高于所有三個(gè)地區(qū)的未經(jīng)歷氧化還原土壤,但消落區(qū)(8次循環(huán)和5次循環(huán))和未經(jīng)歷氧化還原土壤(0次循環(huán))ph值都呈下降趨勢(shì)。有趣的是,加入精氨酸導(dǎo)致ph值的增加而加入葡萄糖則導(dǎo)致ph降低。未經(jīng)歷氧化還原的0次循環(huán)的土壤中ph值下降最多(0次循環(huán)5次循環(huán)8次循環(huán)),而在所有三個(gè)地區(qū)的消落帶土壤沒(méi)有顯著差異(p0.05)。消落區(qū)(8次循環(huán)和5次循環(huán))和未經(jīng)歷氧化還原土壤(0次循環(huán))在15天的培養(yǎng)期間nh4+和n2o隨著培養(yǎng)時(shí)間而減少,而no3-隨著培養(yǎng)時(shí)間而增加。在15天的培養(yǎng)中所有的氧化還原位點(diǎn)保持顯著下降,雖然消落帶8次循環(huán)和5次循環(huán)的土壤中n2o-n和nh4+-n含量顯著高于未經(jīng)歷氧化還原的0次循環(huán)土壤;由此,在15天的培養(yǎng)過(guò)程中,所有的氧化還原區(qū)域(采樣點(diǎn))都保持顯著增加的趨勢(shì),雖然在第15天時(shí),經(jīng)歷了8次及5次氧化還原循環(huán)次數(shù)的土壤的硝態(tài)氮濃度比未經(jīng)歷氧化還原的原生土壤顯著降低。15天的培養(yǎng)過(guò)程中,原生土壤的凈氮礦化率顯著高于其他兩種土壤,但在培養(yǎng)后期觀察到了其相反趨勢(shì)。結(jié)果表明,只有豐都消落帶經(jīng)歷了8次及5次氧化還原循環(huán)次數(shù)的土壤在第5天減少或固定了其凈氮礦化過(guò)程。但在三個(gè)區(qū)域土壤的培養(yǎng)過(guò)程中原生土壤都沒(méi)有觀察到凈氮礦化的固定。在加入葡萄糖后,三個(gè)氧化還原區(qū)域中所有可交換的二氧化碳濃度均顯著增加,經(jīng)歷8次、5次和0次氧化還原循環(huán)的土壤分別增加至401.74,451.58和568.90mgco2-ckg-1土,整個(gè)培養(yǎng)階段顯著下降。培養(yǎng)之前,經(jīng)歷8次、5次和0次氧化還原循環(huán)的土壤碳礦化分別是370.43,408.21和522.77mgco2-ckg-1土,這表明不同的氧化還原體系間差異顯著。盡管未經(jīng)歷氧化還原的原生土壤co2-c礦化高于其他兩種土壤,但結(jié)果顯示,15天的培養(yǎng)過(guò)程中,氧化還原區(qū)域(采樣點(diǎn))都呈顯著下降趨勢(shì)。添加硫酸氨后,三個(gè)消落帶區(qū)域經(jīng)歷不同氧化還原循環(huán)次數(shù)的土壤在培養(yǎng)14天過(guò)程中,硝態(tài)氮濃度升高。硝化動(dòng)力學(xué)模擬表明,長(zhǎng)時(shí)間氧化還原擾動(dòng)并未改變這些土壤的潛在硝化作用動(dòng)力學(xué)模式,即零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。然而,未經(jīng)歷氧化還原的土壤潛在硝化率為20.2mgkg-1day-1,是經(jīng)歷8次及5次氧化還原循環(huán)次數(shù)的3.4和1.9倍。而由潛在硝化作用模擬的硝化反應(yīng)速率(k0),未經(jīng)歷氧化還原的土壤則經(jīng)歷8次及5次氧化還原循環(huán)次數(shù)土壤的3.8和1.95倍。同時(shí),經(jīng)歷8次及5次氧化還原循環(huán)次數(shù)符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,而未經(jīng)歷氧化還原的原生土壤更符合一級(jí)硝化動(dòng)力學(xué)模型。但原生土壤的va和硝化反應(yīng)速率(k0)與其他兩種土壤并無(wú)顯著差異。經(jīng)歷0次、5次和8次氧化還原循環(huán)土壤的va分別是6.39,5.31and4.46mgkg-1day-1soil。經(jīng)歷0次、5次和8次氧化還原循環(huán)土壤初始潛在的硝化作用分別是12.5,21.1and36.3mgkg-1soil。盡管原生土壤n0高于其他兩種土壤,但長(zhǎng)時(shí)間氧化還原擾動(dòng)導(dǎo)致經(jīng)歷5次和8次氧化還原循環(huán)土壤的Va略有增加。三個(gè)采樣點(diǎn)的AOB amoA基因拷貝數(shù)添加氮源后比未加氮源后顯著增長(zhǎng)。加入氮源與未加氮源的土壤在培養(yǎng)期間,AOA amoA基因拷貝數(shù)的動(dòng)態(tài)變化顯示相同的趨勢(shì),且在15天培養(yǎng)結(jié)束的后豐度最高。周期性降水使得消落帶長(zhǎng)期處于氧化還原干擾,其微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變。長(zhǎng)期的氧化還原干擾對(duì)真菌、原生動(dòng)物、革蘭氏陰性細(xì)菌、放線菌、有氧細(xì)菌不利。在所有三峽庫(kù)區(qū)消落帶8次循環(huán)的采樣點(diǎn)有一種原生生物因8年長(zhǎng)期氧化還原擾動(dòng)而完全滅絕。消落帶微生物活性與有效的底物的交互改變對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)不同淹水時(shí)期減少碳和氮礦化是很重要的。除了豐都8次循環(huán)和5次循環(huán)的土壤中在第五天觀察到N的固定,長(zhǎng)壽和萬(wàn)州的土壤在第五天觀察到N的固定礦物。所有0次循環(huán)在15天的培養(yǎng)時(shí)間里沒(méi)有觀察到N的固定。消落帶地區(qū)土壤凈硝化動(dòng)力學(xué)模型受到長(zhǎng)期氧化還原干擾的影響,結(jié)果表明在消落帶土壤中是底物的豐度而非微生物的活性是主導(dǎo)因素,而在未受脅迫的原生植物群落土壤中則是由微生物活性起主導(dǎo)作用。長(zhǎng)時(shí)間氧化還原擾動(dòng)并沒(méi)有改變潛在的硝化作用模式,雖然0次循環(huán)的消落帶土壤硝酸鹽濃度高于8次循環(huán)和5次循環(huán)。此外,長(zhǎng)時(shí)間氧化還原干擾對(duì)于AOA群落是有利的。因此,如周期性的降水等干擾會(huì)使消落帶地區(qū)形成時(shí)間和季節(jié)性的氧化還原梯度帶,由于水位下降時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間的淹水持續(xù)時(shí)間的輪替使得其土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而不同于原生微生物群落。周期性淹水而導(dǎo)致的微生物群落結(jié)構(gòu)的改變或現(xiàn)存的微生物生理的改變可以減少微生物群落礦化有效底物的能力,從而造成碳和氮礦化的減少。此外,消落帶地區(qū)持續(xù)性的氧化還原條件的變化可能會(huì)對(duì)催化的氨氧化的微生物群落產(chǎn)生持續(xù)的毀滅性影響。這可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致硝化作用代謝的減少,進(jìn)而使水位波動(dòng)區(qū)域的底物與催化劑相比越來(lái)越多。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S154.3
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本文編號(hào)：1314044