我國(guó)亞熱帶土壤碳氮轉(zhuǎn)化微生物及其功能研究.pdf_第1頁(yè)
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1、我國(guó)亞熱帶地區(qū)面積遼闊,占國(guó)土面積的21%,是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)酸性土壤在世界上占有獨(dú)特的地位,該地區(qū)土壤具有pH低、高度風(fēng)化、氧化勢(shì)高等特點(diǎn)。我國(guó)亞熱帶地區(qū)土壤碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)與環(huán)境變化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等密切相關(guān),了解碳、氮轉(zhuǎn)化微生物特性及其生態(tài)功能對(duì)把握該地區(qū)碳、氮地球生物化學(xué)循環(huán)規(guī)律、發(fā)展該地區(qū)可持續(xù)綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。
  本研究選取亞熱帶地區(qū)典型水稻種植區(qū)(湖北武漢)稻田土壤為研究對(duì)象,測(cè)定田間原位和溫室盆栽

2、條件下種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Bt水稻)對(duì)土壤主要溫室氣體(CH4、CO2和N2O)排放的影響,采用定量PCR(Quantitative PCR,qPCR)、PCR-DGGE等現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)手段測(cè)定種植Bt水稻對(duì)溫室氣體排放相關(guān)功能微生物的影響,并采用穩(wěn)定同位素核酸標(biāo)記技術(shù)來(lái)分析種植轉(zhuǎn)Bt基因水稻對(duì)土壤功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌群落的影響,以了解該地區(qū)C轉(zhuǎn)化微生物群落特征及其功能。主要結(jié)果如下:
  (1)田間原位和溫室盆栽實(shí)驗(yàn)

3、結(jié)果均顯示種植Bt水稻顯著的、持久的降低了土壤CH4、N2O和CO2排放通量,對(duì)產(chǎn)甲烷古菌、甲烷氧化細(xì)菌、產(chǎn)N2O功能微生物、N2O還原功能微生物群落也有顯著影響。種植Bt水稻顯著的、持久的降低了土壤CH4排放通量,對(duì)根際產(chǎn)甲烷古菌和甲烷氧化細(xì)菌群落豐度和組成(香農(nóng)多樣性指數(shù)H')也有顯著的負(fù)面影響。在S2和S5階段,Bt水稻根際產(chǎn)N2O功能微生物豐度顯著低于Ck水稻(p<0.05),在S3階段Bt水稻根際產(chǎn)N2O功能微生物豐度顯著高于

4、Ck水稻(p<0.05),而在S1和S4階段,兩種水稻根際產(chǎn)N2O功能微生物豐度無(wú)顯著差異(p>0.05)。在S2階段,Bt水稻根際N2O還原功能微生物豐度顯著低于Ck水稻(p<0.05),在S1和S4階段Bt水稻根際N2O還原功能微生物豐度顯著高于Ck水稻(p<0.05),而在S3和S5階段,兩種水稻根際N2O還原功能微生物豐度無(wú)顯著差異(p>0.05)。在苗期(S1)和分蘗期(S2),Bt水稻根際總細(xì)菌豐度顯著低于Ck水稻(p<0.

5、05);而在曬田期(S3)、灌漿期(S4)和成熟期(S5),這種顯著差異消失(p>0.05)。在S3階段,Bt水稻根際總古菌豐度顯著高于Ck水稻(p<0.05);在其它生長(zhǎng)階段,Bt水稻和Ck水稻根際總古菌豐度無(wú)顯著差異(p>0.05)。相關(guān)分析結(jié)果顯示土壤CH4排放通量與產(chǎn)甲烷古菌豐度成顯著正相關(guān)(R2=0.564,p<0.05);土壤N2O排放通量與產(chǎn)N2O功能微生物豐度成顯著正相關(guān)(R2=0.564,p<0.05)。推測(cè):與Ck水

6、稻相比,Bt水稻根系分泌物含量較低,產(chǎn)甲烷微生物、產(chǎn)N2O功能微生物豐度較低,苗期和分蘗期植株生物量較低,土壤氧化還原電位較高等是導(dǎo)致Bt水稻土壤溫室氣體排放通量較低的主要原因。
  (2)穩(wěn)定同位素核酸標(biāo)記結(jié)果顯示種植Bt水稻顯著降低了功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌群落豐度,但沒(méi)有顯著影響功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌群落組成。Bt水稻和Ck水稻分蘗期根際土壤中功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌類(lèi)群有Ricecluster-(I)(RC-(I))、M

7、ethanosaetaceae、Methanosarcinaceae和Methanobacteriaceae,其中RC-(I)占所有功能“活躍的”產(chǎn)甲烷古菌類(lèi)型的60%~66.7%,為最活躍的產(chǎn)甲烷古菌類(lèi)群。
  我們還選取了亞熱帶地區(qū)福建萬(wàn)木林自然保護(hù)區(qū)典型森林土壤(細(xì)柄阿丁楓,ALG;浙江桂,CIC)及由其轉(zhuǎn)變的農(nóng)業(yè)利用土壤(杉木,CUL;桔園,ORG)為研究對(duì)象,采用qPCR、PCR-DGGE等現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)手段測(cè)定氨氧化古

8、菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和氨氧化細(xì)菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)群落豐度和組成,研究森林土壤向農(nóng)田十壤轉(zhuǎn)變對(duì)土壤氨氧化微生物群落及其氨氧化功能的影響,以表征該地區(qū)N轉(zhuǎn)化微生物群落特征及其功能。主要結(jié)果如下:
  (1)人為利用和施肥顯著提高了我國(guó)亞熱帶地區(qū)土壤氨氧化勢(shì)。該地區(qū)森林土壤轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田土壤顯著增加了AOA和AOB的群落豐度,且顯著減小了AOA和A

9、OB豐度比值。DGGE指紋圖譜顯示森林土壤轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田土壤也明顯改變了AOA和AOB群落組成,其中隸屬于Group1.1a-associated lineage的AOA類(lèi)群(A7~A10)在施肥利用后沒(méi)有檢測(cè)到,而隸屬于Cluster3a lineage的AOB類(lèi)群(B6)在施肥利用后也沒(méi)有檢測(cè)到。
  (2)添加尿素培養(yǎng)后,天然林(ALG和CIC)土壤AOA豐度顯著增加,AOB豐度無(wú)顯著變化;未施肥種植林(CUL)土壤AOA和AO

10、B豐度均顯著增加;而施肥土壤(ORG) AOA和AOB豐度均無(wú)顯著變化。添加尿素培養(yǎng)明顯改變了AOA群落結(jié)構(gòu);但沒(méi)有顯著改變AOB群落結(jié)構(gòu)??梢?jiàn),天然林(ALG和CIC)土壤中AOA對(duì)添加尿素培養(yǎng)有明顯響應(yīng);種植林土壤(CUL)和施肥土壤(ORG)中AOA和AOB對(duì)添加尿素培養(yǎng)有明顯響應(yīng)。因此,我們推斷天然林(ALG和CIC)土壤中AOA對(duì)自養(yǎng)氨氧化過(guò)程貢獻(xiàn)大,種植林土壤(CUL)和施肥土壤(ORG)中AOA和AOB對(duì)自養(yǎng)氨氧化過(guò)程均有

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