長期施肥下稻麥輪作體系土壤團(tuán)聚體碳氮轉(zhuǎn)化特征.pdf

1、有機(jī)培肥是稻麥輪作體系作物增產(chǎn)的主要措施，也是農(nóng)田可持續(xù)利用的重要保證。團(tuán)聚體作為土壤最基本的結(jié)構(gòu)單元，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是土壤碳氮轉(zhuǎn)化的主要場所。理解有機(jī)培肥下土壤團(tuán)聚體碳氮轉(zhuǎn)化特征是科學(xué)施肥的基礎(chǔ)。本論文以稻麥輪作體系有機(jī)培肥長期定位試驗為基礎(chǔ)，利用交叉極化-魔角旋轉(zhuǎn)固態(tài)13C核磁共振技術(shù)(CP/MAS13C-NMR)、磷脂脂肪酸分析(PLFA)、定量PCR(qPCR)、末端限制性片段長度多態(tài)性(T-RFLP)、454高通量測

2、序等現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)技術(shù)，研究不同粒徑團(tuán)聚體碳氮分布、腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、與碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的胞外酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)分異特征、參與土壤氨氧化及纖維素分解過程的功能微生物多樣性，從而闡明長期施肥下稻麥輪作體系土壤團(tuán)聚體碳氮轉(zhuǎn)化特征。論文取得的主要進(jìn)展如下:
　　(1)長期施肥下土壤團(tuán)聚體碳氮分布。土壤團(tuán)聚體可分為大團(tuán)聚體（＞2000μm）、粗砂(2000-200μm)、細(xì)砂(200-63μm)、粉粒(63-2μm)和粘粒（2-0.1μm）

3、5個粒徑。長期施肥影響了黃棕壤性水稻土土壤團(tuán)聚體組成，麥季土壤以粉粒和大團(tuán)聚體為主，稻季以粗砂和粉粒為主，細(xì)砂含量在兩季均最低。與單施化肥相比，有機(jī)無機(jī)肥料配施顯著降低了兩季大團(tuán)聚體的比例，提高了粗砂粒徑的比例，改善了土壤結(jié)構(gòu)。團(tuán)聚體效應(yīng)對土壤碳氮分布影響顯著，其中細(xì)砂粒徑的有機(jī)碳、全氮含量及碳氮比顯著高于其他粒徑，此外，土壤有機(jī)碳和碳氮比均呈大粒徑團(tuán)聚體(＞63μm)大于粉粘粒(63-0.1μm)的規(guī)律;麥季全氮在粗砂中較高，稻季則在

4、粘粒中含量較高。施用有機(jī)肥普遍顯著提高了兩季耕層和各團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳、全氮含量，降低了土壤碳氮比。
　　(2)長期施肥下土壤團(tuán)聚體酶活性變化。土壤胞外酶活性隨團(tuán)聚體粒徑、施肥措施變化顯著，且與土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比顯著相關(guān)。十種胞外酶磷酸酯酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、酚氧化酶和過氧化物酶中，除磷酸酯酶和硫酸酯酶外，其余胞外酶均在細(xì)砂土壤中活性最高

5、。此外，除麥季粗砂磷酸酯酶、硫酸酯酶、乙酰氨基葡糖苷酶、β-木糖苷酶和稻季硫酸酯酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡糖苷酶外，有機(jī)無機(jī)配施較單施化肥處理顯著提高了其余土壤團(tuán)聚體各胞外酶活性。
　　(3)長期施肥下土壤團(tuán)聚體微生物群落結(jié)構(gòu)特征。施肥效應(yīng)和粒徑效應(yīng)對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響顯著，兩季磷脂脂肪酸總量均呈現(xiàn)大粒徑團(tuán)聚體(＞63μm)大于粉粘粒的規(guī)律(63-0.1μm)，以粉粒中最低;施用有機(jī)肥提高了兩季耕層及各土壤團(tuán)聚體的磷脂脂肪

6、酸總量。麥季＞200μm粒徑土壤具有較低的革蘭氏陽性菌∶陰性菌和較高的真菌∶細(xì)菌比值。研究發(fā)現(xiàn)，影響麥季土壤團(tuán)聚體微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因子是全氮、碳氮比、磷酸酯酶、硫酸酯酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶活性，而稻季是有機(jī)碳、全氮、土壤碳氮比、α-葡萄糖苷酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和酚氧化酶活性。
　　(4)長期旋肥下土壤團(tuán)聚體氨氧化微生物分異特征。團(tuán)聚體粒徑和施肥措施對土壤硝化潛勢和氨氧化微生物群落影響顯著

7、，土壤碳氮含量及其轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性對其群落結(jié)構(gòu)的變異解釋達(dá)40％。與不施肥相比，有機(jī)無機(jī)配施處理顯著提高了耕層土壤及各粒徑團(tuán)聚體的硝化潛勢，其氨氧化細(xì)菌豐度顯著高于單施化肥處理。稻季土壤的氨氧化微生物數(shù)量高于麥季，施肥處理降低了土壤氨氧化古菌∶氨氧化細(xì)菌比值，且以粘粒中最高。盡管氨氧化古菌數(shù)量高出氨氧化細(xì)菌數(shù)倍，氨氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對施肥及團(tuán)聚體粒徑的響應(yīng)更為敏感。高通量測序結(jié)果顯示氨氧化古菌主導(dǎo)類群大多歸屬于奇古菌Ⅰ.1b類群（Thau

8、marchaeota GroupⅠ.1b），氨氧化細(xì)菌的主導(dǎo)類群大多歸屬于亞硝化螺菌屬(Nitrosospira Cluster3a)。
　　(5)長期施肥下土壤團(tuán)聚體纖維素分解酶基因多樣性。參與纖維素轉(zhuǎn)化的真菌糖苷水解酶cbhI基因和細(xì)菌糖苷水解酶GH48基因豐度隨團(tuán)聚體粒徑和施肥處理變異顯著，于細(xì)砂中最高，粘粒中最低，且在有機(jī)肥的施用下普遍增加。對纖維素分解標(biāo)記基因豐度與土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，纖維素分解基因在腐殖化程

9、度較低的粒徑中(＞63μm)較為豐富，這些組分的土壤胡敏酸芳香度高、脂化度低、烷基碳∶氧烷基碳比值相對較低，而在腐殖化程度較高的粒徑(63-0.1μm)中纖維素分解基因豐度較低。
　　總之，有機(jī)無機(jī)配施顯著降低了＞2000μm團(tuán)聚體的比例，提高了2000-200μm團(tuán)聚體比例，大粒徑團(tuán)聚體(＞63μm)的碳氮含量、碳氮水解酶活性、磷脂脂肪酸總量、氨氧化細(xì)菌豐度以及纖維素分解相關(guān)基因豐度普遍高于小粒徑團(tuán)聚體(63-0.1μm)，有機(jī)