長期施肥下稻麥輪作體系土壤團聚體碳氮轉(zhuǎn)化特征.pdf

1、有機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。理解有機培肥下土壤團聚體碳氮轉(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聚體碳氮轉(zhuǎn)化特征。論文取得的主要進展如下:
　　(1)長期施肥下土壤團聚體碳氮分布。土壤團聚體可分為大團聚體（＞2000μm）、粗砂(2000-200μm)、細砂(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聚體組成，麥季土壤以粉粒和大團聚體為主，稻季以粗砂和粉粒為主，細砂含量在兩季均最低。與單施化肥相比，有機無機肥料配施顯著降低了兩季大團聚體的比例，提高了粗砂粒徑的比例，改善了土壤結(jié)構(gòu)。團聚體效應(yīng)對土壤碳氮分布影響顯著，其中細砂粒徑的有機碳、全氮含量及碳氮比顯著高于其他粒徑，此外，土壤有機碳和碳氮比均呈大粒徑團聚體(＞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。施用有機肥普遍顯著提高了兩季耕層和各團聚體土壤有機碳、全氮含量，降低了土壤碳氮比。
　　(2)長期施肥下土壤團聚體酶活性變化。土壤胞外酶活性隨團聚體粒徑、施肥措施變化顯著，且與土壤有機碳、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，有機無機配施較單施化肥處理顯著提高了其余土壤團聚體各胞外酶活性。
　　(3)長期施肥下土壤團聚體微生物群落結(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;施用有機肥提高了兩季耕層及各土壤團聚體的磷脂脂肪

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∶細菌比值。研究發(fā)現(xiàn)，影響麥季土壤團聚體微生物群落結(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)長期旋肥下土壤團聚體氨氧化微生物分異特征。團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40％。與不施肥相比，有機無機配施處理顯著提高了耕層土壤及各粒徑團聚體的硝化潛勢，其氨氧化細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)量高出氨氧化細菌數(shù)倍，氨氧化細菌群落結(jié)構(gòu)對施肥及團聚體粒徑的響應(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基因和細菌糖苷水解酶GH48基因豐度隨團聚體粒徑和施肥處理變異顯著，于細砂中最高，粘粒中最低，且在有機肥的施用下普遍增加。對纖維素分解標記基因豐度與土壤腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)進行相關(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，有機無機配施顯著降低了＞2000μm團聚體的比例，提高了2000-200μm團聚體比例，大粒徑團聚體(＞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聚體(63-0.1μm)，有機