长期定位施肥对黄土高原土壤微生物群落结构的影响

论文摘要

中国西北黄土高原农业粮食生产区因干旱贫瘠而广受关注。如何提高作物产量,同时维持土壤肥力和土壤质量成为这一区域农业发展的关键问题。为此,平凉农科所于1979年建立了高平村长期定位实验站,用来评估长期不同施肥效应和小麦-玉米轮作制度对干旱区农业生产力的影响,以期探究土壤生态系统功能对农业管理的响应。实验包括6个处理:N（单施氮肥）、NP（氮磷并施）、SNP（秸秆与氮磷合施）、M（单施厩肥）、MNP（厩肥与氮磷并施）、和CK（无肥对照）。尽管已有报道表明长期不同施肥对该实验地作物产量影响很大,然而,还没有土壤微生物的相关报道,虽然它们与土壤肥力和植物健康密切相关。为了解长期不同施肥对该地区土壤微生物的影响,我们以不同生长期小麦根际土壤总细菌和部分功能菌群:氨氧化细菌（AOB）、假单胞杆菌（Pseudomonas）、及丛枝菌根真菌（AMF）为研究对象,采取PCR及变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术,并结合克隆测序方法分析不同菌群对长期施肥和作物生长期的响应。同时对群落物种组成和土壤理化因子进行CCA分析,以期找出影响该地区微生物群落结构和功能的主要生态因子。结果表明:长期施肥对土壤肥力和微生物结构有很大影响。平衡施肥（MNP）显著提高了土壤肥力水平,而无肥处理土壤肥力最低。同时,MNP和M肥力水平相近,NP和SNP相近,CK和N相近。基于PCR-DGGE凝胶回收条带克隆测序的群落分析表明:多数细菌属于拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门（Proteobacteria）;厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、芽孢杆菌门（Gemmatimonadetes）中细菌成员也占有一定比例。优势类群与克雷伯氏菌属中（Klebsiella.sp）和戴尔福特菌（Delftia tsuruhatensis）极为类似。基于AOB的amoA基因的系统发生表明:亚硝化螺菌属（Nitrosospira）第3进化支（cluster-3）在该地区为优势类群。有趣的是,多数序列的参考序列来自对我国施肥样地的研究。假单胞菌菌落分析表明:施加有机肥（M或S）,有利于部分假单胞菌群落丰度的增加,主要分子种与Pseudomonas fluorescens,Pseudomonas putida等假单胞菌群中最常见物种类似。然而,AMF多样性在本研究样地较低,仅出现了6个分子种,均属于球囊霉菌（Glomus）。极具优势物种序列与摩西球囊霉菌18S部分序列极为相似。CCA分析表明土壤总细菌和AOB群落结构在不同处理下变化明显。但AMF群落对不同施肥处理制度的响应不敏感。与CK相比,施肥（M、S或N、P）有益于土壤微生物多样性的提高。不同处理下小麦产量在1732 kg ha-1（CK）到5620 kg ha-1（MNP）间变化,单因素方差分析表明:MNP和NP、SNP间没有显著差异,但与M、N、CK间差异极其显著（P＜0.01）。总之,我们可以得出以下结论:（1）:长期不同施肥对土壤肥力水平影响很大,尤其是长期施加厩肥。（2）:土壤总细菌和AOB群落结构对不同施肥制度响应明显,细菌分子种丰度随生长季下降明显。AMF和假单胞菌受长期施肥影响较小,但施肥后,特异物种丰度会发生明显改变。（3）:土壤湿度和pH对该地区土壤微生物群落组成的影响最大,土壤有机碳、总碳和土壤总氮的作用次之。（4）:小麦产量对不同施肥处理响应明显。平衡施肥（MNP）对该地区粮食安全和农业生态系统稳定有重要作用。因此,在今后研究中可选择更多具有指示作用的功能群落。更为有力的统计工具的选择将有利于获得可靠的结果,并更好地联系微生物群落结构和生态系统功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 研究意义概述
• 第一章:材料与方法
• 1.1 样地概况
• 1.1.1 高坪样地描述
• 1.1.2 实验设计与处理
• 1.2 样品采集及处理
• 1.3 样品分析
• 1.3.1 土壤理化分析
• 1.3.2 基于培养的微生物平板计数
• 1.4 土壤微生物群落结构分析
• 1.4.1 土壤总DNA的提取
• 1.4.2 根样DNA提取
• 1.4.3 AM孢子分析
• 1.4.4 群落分析分子技术及其可行性
• 1.5 数据转换与统计
• 参考文献
• 第二章:长期施肥对土壤理化性质及部分生态系统功能影响
• 2.1 长期施肥对农田土壤肥力的影响
• 2.2 长期不同施肥下,不同生长期小麦根际菌落变化
• 2.2.1 可培养细菌菌落变化
• 2.2.3 可培养真菌菌落变化
• 2.2.4 可培养放线菌菌落变化
• 2.3 长期不同施肥处理下小麦表型特征与功能特征差异
• 2.3.1 小麦生长表型差异
• 2.3.2 产量差异
• 参考文献
• 第三章:长期施肥对小麦根际细菌多样性及群落结构的影响
• 3.1 土壤微生物
• 3.2 施肥对土壤微生物影响的研究
• 3.3 本研究目的
• 3.4 结果与分析
• 3.4.1 长期施肥下小麦根际细菌群落多样性
• 3.4.2 细菌PCR-DGGE图谱的聚类分析
• 3.4.3 细菌DGGE图谱条带克隆测序的系统发生分析
• 3.4.4 不同处理下细菌丰度比较
• 3.4.5 群落组成与土壤因子的CCA分析
• 3.5 讨论
• 3.6 结论
• 3.7 展望
• 参考文献
• 第四章:长期不同施肥对氨氧化细菌多样性与群落结构的影响
• 4.1 N循环
• 4.1.1 硝化过程
• 4.1.2 AOB的种类及系统发育
• 4.1.3 不同环境中AOB的调查研究
• 4.1.4 AOB研究的分子技术
• 4.1.5 影响AOB群落结构和功能的主要生态因子
• 4.2 长期不同施肥下AOB研究现状
• 4.3 本研究目的
• 4.4 结果与分析
• 4.4.1 小麦根际AOB群落多样性
• 4.4.2 AOB PCR-DGGE图谱的聚类分析
• 4.4.3 细菌DGGE图谱条带克隆测序的系统发生分析
• 4.4.4 不同处理下AOB丰度比较
• 4.5 讨论
• 4.6 结论
• 4.7 前景与展望
• 参考文献
• 第五章:长期不同施肥对小麦根际假单胞杆菌群落结构的影响
• 5.1 植物生长限制子—磷
• 5.2 土壤中主要的解磷微生物
• 5.3 植物根际促生菌
• 5.4 假单胞菌研究概况
• 5.5 本研究目的
• 5.6 结果与分析
• 5.6.1 长期施肥下小麦根际假单胞菌群落结构分析
• 5.6.2 假单胞菌群落的聚类分析
• 5.6.3 假单胞菌DGGE图谱条带克隆测序的系统发生分析
• 5.7 讨论
• 5.8 结论
• 5.9 前景展望
• 参考文献
• 第六章:长期不同施肥对小麦根际土壤及根内AMF群落结构的影响
• 6.1 菌根
• 6.1.1 丛枝菌根真菌
• 6.2 AMF研究进展
• 6.2.1 AMF生态学研究
• 6.2.2 AMF形态学研究
• 6.2.3 AMF研究中的分子技术
• 6.2.4 农业生态系统中AMF的研究
• 6.3 本研究目的
• 6.4 结果与分析
• 6.4.1 不同施肥下AMF孢子数量年季变化
• 6.4.2 AMF群落结构变化
• 6.5 讨论
• 6.6 结论
• 6.7 前景展望
• 参考文献
• 小结
• 在读期间已发表论文
• 致谢