本文關鍵詞：長期施肥下根際碳氮轉化與微生物多樣性研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：根際碳氮循環(huán)對土壤養(yǎng)分轉化及植物養(yǎng)分有效性具有重要影響。利用肥料長期定位試驗可確切認識不同施肥制度下根際微生物參與土壤碳氮轉化的機制,其闡明施肥的效應是短期試驗所不能比擬。本論文以華北石灰性潮土長達36年的肥料長期定位試驗為基礎,利用變性梯度凝膠電泳(DGGE)、磷脂脂肪酸分析(PLFA)、穩(wěn)定同位素探針(SIP)、定量PCR、454高通量測序、Illumina Mi Seq測序等現代分子生態(tài)學技術,結合大田與盆栽試驗,研究長期施用有機肥料和無機肥料下作物(小麥和玉米)根際微生物群落結構與酶學特性、根際碳沉積轉化過程、根際氨氧化過程、以及根際反硝化過程。論文取得的主要進展如下:1.長期施肥下作物產量與根際養(yǎng)分的變化特征。小麥和玉米根際p H顯著低于非根際土壤,而全量、速效養(yǎng)分(NO3--N除外)含量高于非根際土壤。施用化肥或有機肥均可以顯著提高作物產量,其中小麥產量較CK提高344%~521%,玉米產量較CK提高63%~68%;然而有機肥不僅具有增產效應,還能夠增加根際有機碳和全氮含量,對培肥地力貢獻較大。2.長期施肥下根際微生物量與胞外酶活性的消長規(guī)律。小麥根際土壤微生物量碳、氮和磷分別是非根際土壤的1.9、2.5和1.8倍,而微生物量碳/氮比值顯著低于非根際土壤,表明更多的氮素被暫時固定在根際微生物體內,成為小麥氮素營養(yǎng)的潛在來源之一;化肥對根際微生物量影響不大,相反,有機肥處理下根際微生物量氮、磷提高85.8%~178.3%。作物根系對土壤酶具有明顯的激發(fā)效應,根際11種胞外酶活性較非根際平均增加87%;長期施用有機肥提高了石灰性潮土α-葡萄苷酶、β-木糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡糖苷酶、磷酸酯酶和脲酶活性;然而,化肥對根際中大部分胞外酶活性具有抑制作用。3.長期施肥下根際微生物群落結構的響應機制。根際土壤PLFA總量較非根際平均增加84%,而G+/G-、細菌/真菌和放線菌/真菌比值均低于非根際土壤。長期施用有機肥顯著提高了土壤PLFA總量,其含量是CK的1.7~2.0倍,微生物群落結構也顯著不同于化肥處理。根際土壤中,G+/G-比值受有機肥影響較大,增幅為34.3%~36.9%,而細菌、真菌和放線菌豐度在化肥和有機肥處理間差異不顯著。有機碳、氮素和p H是影響PLFA總量和群落結構變異的重要因子。DGGE測序分析表明變形菌(Proteobacteria)是石灰性潮土的優(yōu)勢菌群之一,且有機肥促進變形菌的生長。4.長期施肥下根際碳沉積的分解過程。小麥根際碳沉積分解轉化過程中發(fā)揮關鍵作用的細菌類群為變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria),二者占整個13C-根系分泌物標記微生物組的70%;而根際酸桿菌(Acidobacteria)、綠彎菌(Chloro?exi)、厚壁菌(Firmicutes)、擬桿菌(Bacteroidetes)主要參與土壤有機質的分解。施用32年有機肥后,石灰性潮土細菌多樣性顯著增加;而化肥處理選擇性地刺激了少數微生物的生長,例如放線菌和硝化螺菌(Nitrospirae),導致土壤微生物多樣性降低。5.長期施肥下根際氮素的氨氧化過程。不同施肥處理下小麥、玉米根際土壤硝化潛勢在1.5~3.1μg NO3--N g-1 h-1之間,較非根際平均增加42.7%;研究表明,石灰性潮土氨氧化過程主要由氨氧化細菌(AOB)主導,而不是氨氧化古菌(AOA),盡管后者在數量上是前者的10倍。施用氮肥對根際氨氧化過程影響較大,顯著改變了AOB群落結構,有利于亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)第3和4簇多樣性的增加;而有機肥顯著增加AOA數量,平均增幅為113.2%,對土壤硝化潛勢和AOB數量的影響小于化肥處理。6.長期施肥下根際氮素的反硝化過程。小麥根系內部存在一個獨特的反硝化過程。施肥后根系內生反硝化菌數量豐富,nir K、nir S和nos Z基因數量均能達到1.0×109 copies g-1 dw root以上,且N2O/(N2O+N2)比值高于土壤部分。Mi Seq測序結果表明,根系中nir K型、nir S型和nos Z型反硝化內生菌群落組成更加簡單,多樣性更低,其中79%集中分布在假單胞菌目、黃單胞菌目、伯克氏菌目、根瘤菌目和紅細菌目�；驶蛴袡C肥均顯著降低了根系nir K/nir S比值,提高了根系N2O釋放比例。總之,長期單施化肥提高了石灰性潮土根際放線菌、硝化螺菌數量,尤其促進了AOB生長,加速銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉化,但降低了土壤微生物多樣性及根際胞外酶活性;而長期配施有機肥可增加根際綠彎菌、擬桿菌及厚壁菌數量,增加氨氧化古菌及反硝化基因數量,能夠將施用化肥所改變的細菌群落向其初始的狀態(tài)進行恢復。
【關鍵詞】：根際微生物 群落結構 土壤酶 根際沉積 氨氧化作用 反硝化作用
【學位授予單位】：中國農業(yè)科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S147.2
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-17
• 英文縮略表17-18
• 第一章 引言18-28
• 1.1 植物根際沉積作用18-21
• 1.1.1 根際沉積的概念與組成18-19
• 1.1.2 根際沉積的產生機制19
• 1.1.3 根際沉積的產生部位19-21
• 1.2 根際微生物多樣性21-24
• 1.2.1 根際微生物群落結構多樣性21-22
• 1.2.2 根際微生物群落結構的形成機理22-23
• 1.2.3 植物與微生物之間的根際碳流23
• 1.2.4 根際微生物在促進植物養(yǎng)分吸收中的作用23-24
• 1.3 環(huán)境變化對植物-微生物關系的影響24-26
• 1.3.1 全球氣候變化的影響24-25
• 1.3.2 農田肥料長期施用的影響25
• 1.3.3 植物-微生物關系的研究趨勢25-26
• 1.4 本文研究契機與總體思路26-28
• 1.4.1 研究契機26-27
• 1.4.2 總體思路27-28
• 第二章 長期施肥下根際養(yǎng)分和作物產量的變化特征28-35
• 2.1 材料與方法28-29
• 2.1.1 肥料長期定位試驗概況28-29
• 2.1.2 土壤基本理化性狀的測定29
• 2.1.3 數據處理29
• 2.2 結果與分析29-32
• 2.2.1 長期施肥對根際土壤pH和養(yǎng)分的影響29-30
• 2.2.2 長期施肥對作物產量的影響30-32
• 2.3 討論32-34
• 2.4 小結34-35
• 第三章 長期施肥下根際微生物量和胞外酶活性的消長規(guī)律35-47
• 3.1 材料和方法35-38
• 3.1.1 土壤采集與處理35-36
• 3.1.2 土壤微生物量碳、氮、磷的測定36
• 3.1.3 土壤胞外酶活性測定36-38
• 3.1.4 數據處理38
• 3.2 結果與分析38-41
• 3.2.1 長期施肥對根際微生物量碳的影響38-39
• 3.2.2 長期施肥對根際微生物量氮的影響39-40
• 3.2.3 長期施肥對根際微生物量磷的影響40
• 3.2.4 長期施肥對根際胞外酶活性的影響40-41
• 3.3 討論41-45
• 3.4 小結45-47
• 第四章 長期施肥下根際微生物群落結構的響應機制47-59
• 4.1 材料和方法47-49
• 4.1.1 土壤采集與處理47-48
• 4.1.2 變性梯度凝膠電泳分析（DGGE）與測序48
• 4.1.3 土壤磷脂脂肪酸（PLFA）分析48-49
• 4.1.4 數據處理49
• 4.2 結果與分析49-57
• 4.2.1 長期施肥下根際細菌DGGE圖譜分析49-52
• 4.2.2 長期施肥對根際土壤磷脂脂肪酸含量的影響52-55
• 4.2.4 長期施肥下土壤pH對微生物群落結構的影響55-57
• 4.3 討論57-58
• 4.4 小結58-59
• 第五章 長期施肥下根際碳沉積的分解過程59-72
• 5.1 材料與方法59-61
• 5.1.1 ~(13)C-CO_2小麥盆栽標記試驗59-60
• 5.1.2 穩(wěn)定性同位素核酸探針技術60-61
• 5.1.3 羅氏454高通量測序61
• 5.1.4 數據分析61
• 5.2 結果與分析61-69
• 5.2.1 根際沉積物在土壤中的分配特征61-63
• 5.2.2 參與根際碳沉積分解的根際微生物組63-66
• 5.2.3 微生物在根際中的富集及其機制66-67
• 5.2.4 長期施肥對根際微生物組的影響67-69
• 5.3 討論69-71
• 5.4 小結71-72
• 第六章 長期施肥下根際氮素的氨氧化過程72-86
• 6.1 材料和方法73-74
• 6.1.1 土壤采集與處理73
• 6.1.2 硝化潛勢的測定73
• 6.1.3 DGGE分析與測序73-74
• 6.1.4 氨氧化細菌與古菌定量PCR74
• 6.1.5 數據分析74
• 6.2 結果與分析74-82
• 6.2.1 長期施肥對根際土壤硝化潛勢的影響74-75
• 6.2.2 長期施肥對根際氨氧化細菌和古菌豐度的影響75-77
• 6.2.3 長期施肥對根際氨氧化細菌和古菌群落結構的影響77-81
• 6.2.4 氨氧化作用與根際理化性質的關系81-82
• 6.3 討論82-84
• 6.4 小結84-86
• 第七章 長期施肥下根際氮素的反硝化過程86-105
• 7.1 材料與方法86-88
• 7.1.1 土壤采集與處理86-87
• 7.1.2 反硝化潛勢與潛在N_2O釋放速率測定87
• 7.1.3 Illumina MiSeq高通量測序87-88
• 7.1.4 nirK、nirS和nosZ基因定量PCR88
• 7.1.5 數據分析88
• 7.2 結果與分析88-102
• 7.2.1 根系、根際與非根際土壤反硝化潛勢88-89
• 7.2.2 根系、根際與非根際土壤反硝化基因數量89-90
• 7.2.3 根系、根際與非根際土壤nirK型反硝化菌群落結構90-94
• 7.2.4 根系、根際與非根際土壤nirS型反硝化菌群落結構94-98
• 7.2.5 根系、根際與非根際土壤nosZ型反硝化菌群落結構98-102
• 7.3 討論102-104
• 7.4 小結104-105
• 第八章 全文結論與展望105-107
• 8.1 研究結論105
• 8.2 創(chuàng)新點105-106
• 8.3 展望106-107
• 參考文獻107-123
• 致謝123-124
• 作者簡歷124

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前9條

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  本文關鍵詞：長期施肥下根際碳氮轉化與微生物多樣性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：467476