不同种植年限水稻土中甲烷及氮循环相关微生物群落的研究

【摘要】：不同母质的土壤类型,长期种植水稻后,均向着水稻土所特有的形态剖面和理化特性方向发展。水稻种植时间的长短直接或间接影响水稻土的熟化发育情况,种植年限对水稻土的影响主要体现在两大方面,分别是耕层有机质的累积和剖面的分化。稻田是重要的甲烷排放源,氮素是水稻生长的限制因子,因此水稻土是研究甲烷及氮循环的模式土壤类型。微生物是调控甲烷及氮循环的关键环节,已有不少研究关注成熟水稻土中,参与甲烷及氮循环的微生物群落结构和功能,但却鲜有研究报道这些功能微生物类群对种植年限的响应。 本研究立足于水稻土理化特性随种植年限的变化规律,重点关注甲烷及氮循环相关微生物类群的演替,旨在揭示这些功能微生物类群与种植年限的相互关系,为制定合理的农田管理措施,在提高土壤肥力的同时,减少温室气体的排放提供科学依据。本研究自江西鹰潭采集三种水稻土(种植年限分别为15年、30年和100年),所有土样来源于同一地理位置(间距不超过1千米),发育自相同土壤母质,并处于相同的气候条件以及生态背景之下,是理想的研究材料。 本研究首先在实验室厌氧培养条件下,系统研究了耕层土壤产甲烷过程及相关微生物群落对种植年限的响应,主要结论如下：成熟的产甲烷古菌群落早在水耕熟化发育初期阶段的耕层土壤中已经形成,且在随后的熟化发育过程中基本保持稳定；伴随种植年限的延长,耕层土壤的有机碳以及可利用底物含量的增加,提高了产甲烷的活性以及产甲烷菌群的数量,但未改变群落的组成。耕层土壤的细菌群落对种植年限的响应,主要涉及酸杆菌Gp1和厌氧粘细菌,二者均随年限的增加而减少,可能与土壤本身的营养水平以及可利用铁氧化物的含量有关。不同年限土壤的细菌群落,在厌氧培养过程中的演替规律基本一致,初始阶段以厚壁菌为主,严格梭菌是主要的厚壁菌类群；培养过程中酸杆菌、变形菌、绿弯菌以及绿菌逐渐取代厚壁菌,Gpl和Gp3是主要的酸杆菌类群,厌氧粘细菌和地杆菌是主要的变形菌类群,Bellilinea和Longilinea是主要的绿弯菌类群,Ignavibaclerium是主要的绿菌类群；培养末期,以丙酸以及芳香化合物等难降解物质为底物进行互营降解的微生物类群丰度显著增加。 本研究还直接分析了不同种植年限水稻土中,参与甲烷及氮循环相关微生物群落的剖面分布,并选取100年土壤采集点附近的旱地土作为不同土地利用方式的对照,主要结论如下：进一步证实成熟的产甲烷菌群以及甲烷氧化菌群,在水稻土发育熟化早期阶段即己形成并初具规模；随种稻年限的延伸,甲烷循环相关微生物向深层土壤拓展；未明确鉴定的Methanosarcinales(包括ZC-Ⅰ在内)可能为土著产甲烷菌,主要分布于水稻土耕作层以下土壤中；相比其它类型的甲烷氧化菌,type Ib型更能适应长期种稻的土壤环境。氮循环相关微生物类群对种植年限的响应较为复杂：酸性红壤以及酸性水稻土中,起主要作用的是氨氧化古菌而非氨氧化细菌,土地利用方式的改变所导致的pH变化,可能是造成群落结构差异的主要因素；固氮细菌类群多样性极其丰富,各个年限水稻土不同土层的固氮细菌群落结构基本一致,与早地各土层的固氮细菌群落结构差异明显；进行亚硝酸盐还原的潜在反硝化菌以nirK型为主,且主要分布于0-30cm土层,nirK型反硝化菌群随土地利用方式以及种稻时间的变化发生相应的演替；含有nosZ基因的反硝化菌群则分布于各个土层。由于T-RFLP和克隆测序的分辨率以及覆盖度有限,仍需借助于其它精细手段来进行深入探索研究。 综上所述,甲烷循环相关功能微生物类群,在水稻土发育熟化早期阶段即己形成并初具规模,且随种植年限的延伸维持相对稳定,并向深层土壤拓展其生存空间；而氮循环相关功能微生物类群对种植年限的响应较为复杂,需借助其它更精细的技术进行深入剖析,相比种植年限,土地利用方式的改变可能对氮循环相关功能微生物类群的影响更为显著。 【关键词】：种植年限 剖面分布 水稻土 产甲烷古菌 甲烷氧化菌 氮循环相关细菌群落
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S154.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 缩写词表11-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究意义12
• 1.2 水稻土的水耕熟化发育12-15
• 1.3 水稻土中参与甲烷循环的微生物类群15-18
• 1.4 水稻土中参与氮循环的微生物类群18-20
• 1.5 研究目标、内容和技术路线20-22
• 第二章 材料和方法22-30
• 2.1 实验材料22-23
• 2.2 实验方法23-30
• 第三章 不同种稻年限耕层土壤产甲烷古菌群落的结构和功能30-47
• 3.1 前言30
• 3.2 方法30-32
• 3.3 结果分析32-45
• 3.4 讨论45-46
• 3.5 结论46-47
• 第四章 不同种稻年限耕层土壤细菌群落的结构47-57
• 4.1 前言47
• 4.2 方法47-48
• 4.3 结果分析48-54
• 4.4 讨论54-56
• 4.5 结论56-57
• 第五章 不同种植年限水稻土中甲烷循环相关微生物群落的剖面分布57-79
• 5.1 前言57
• 5.2 方法57-58
• 5.3 结果分析58-75
• 5.4 讨论75-78
• 5.5 结论78-79
• 第六章 不同种植年限水稻土中氮循环相关微生物群落的剖面分布79-94
• 6.1 前言79
• 6.2 方法79-80
• 6.3 结果分析80-89
• 6.4 讨论89-92
• 6.5 结论92-94
• 第七章 结论与展望94-96
• 7.1 结论94
• 7.2 主要创新点94-95
• 7.3 展望95-96
• 参考文献96-109
• 致谢109-110
• 个人简历110

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