| 题名 | 莱州湾滨海盐土氮循环微生物的分布及土壤微生物群落对生物炭施用的响应 |
| 作者 | 宋延静 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2014-05-20 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 龚骏 |
| 关键词 | 滨海盐土 土壤氮循环 生物炭 分子生态 固氮 氨氧化 反硝化 细菌 古菌 真菌 功能基因 SSU rDNA |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 土壤微生物多样性与土壤生态系统功能密切相关，而盐度作为一个重要的生态因子可能对全球生态系统中微生物多样性及群落组成产生显著影响，从而影响其介导的生物地球化学过程及生态功能与系统服务。当前，土壤盐渍化是全球环境变化的体现之一，是造成滨海土壤质量下降的一个重要原因。解析滨海盐渍化土壤微生物尤其养分循环功能类群的多样性与分布规律，为理解滨海盐渍化土壤生态系统的生态系统功能退化提供基础性数据，对土地合理利用、改良土壤性质、提高肥力，探索并最终形成盐渍化生态系统修复的技术体系具有重要意义。另外，已有研究表明向土壤中添加生物炭可以实现碳封存，是延缓气候变化的一个潜在措施，同时还有改善土壤质量、提高肥力的效果。《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》与《山东半岛蓝色经济区发展规划》两大国家战略、“渤海粮仓计划”提高盐渍化土地利用率的迫切需求是本研究的重要背景。本工作主要以山东莱州湾沿海的盐渍化土壤为研究对象，利用群落指纹图谱技术、定量PCR、基因(16S，18S rRNA，amoA，nifH，nirK，nosZ，nirS)克隆文库分析的分子生物学及活性分析等方法，从自然生态学及实验生态学两个方面研究了盐渍化土壤中微生物群落尤其氮循环类群，即莱州湾滨海盐渍化土壤中氮循环微生物多样性、活性与分布，及生物炭添加对滨海碱土微生物群落及氮循环活性的影响。 土壤盐度梯度对细菌、古菌及真菌的研究较多，但对氮循环功能类群的影响还不多见。本工作对采自莱州湾西岸（黄河口）及南岸的14 个不同盐度（0.63 ~ 5.11%）土壤样品的环境因子及氮循环功能微生物丰度及群落组成进行了分析。固氮菌nifH基因的丰度(P<0.001)和群落结构(P=0.040)均受盐度的极显著和显著影响。以amoA基因为标志物的有关结果显示，氨氧化功能微生物以氨氧化古菌(AOA)为主，但氨氧化细菌(AOB)的丰度与盐度变化的相关性更高；AOA 与AOB 的群落结构与盐度的相关并不明显。对于低盐度与高盐度土壤样品组，中盐度组中的AOA丰度较高；随着盐度的升高，AOB 丰度受到抑制。来源于黄河口和胶莱河畔的样品中AOA的amoA基因多样性显著高于AOB。反硝化细菌主要以nirK 基因型占主导。nirK 基因的丰度只受样带的影响(P<0.001)，nirS 的丰度既受盐度(P<0.001)也受样带的影响 （P=0.002)。不同盐度样品的nosZ 基因丰度差异不显著。反硝化微生物中三个基因多样性比较结果为nosZ >nirK>nirS；只有nirK的多样性受盐度的影响，但与盐度无明显线性关系。 研究土壤微生物群落对生物炭施用的响应是理解土壤功能改变的一个重要内容，其中对微生物群落的研究相对滞后。对土壤不同微生物群落的研究虽有，但将细菌、古菌与真菌整合的系统研究并不多见；另外，对农田酸性土壤氮循环类群研究较多，有关碱性土壤的数据则较少。本工作开展了添加生物炭对滨海碱土（初始pH=8.0）土壤中细菌、古菌、真菌及氮循环微生物多样性、群落结构变化及影响的短期（12 周）模拟实验。实验按生物炭浓度(w/w)分为4 组：0（空白）、5%（低浓度组）、10%（中浓度组）与20%（高浓度组），实验初期均加入等量NPK肥，在孵育过程中的不同时间点（第1、2、4、6、8、12 周）分别取样分析。 结果发现：低浓度生物炭的添加没有明显增加滨海碱土的pH 值，说明生物炭对盐碱土的改良是有可能性的。生物炭添加在一定程度上促进了细菌丰度（rDNA拷贝数）的增加，并且添加浓度及培养时间均显著影响细菌丰度(P<0.001)。生物炭浓度也显著影响细菌群落结构(P=0.001)，其中中高浓度影响尤为显著(P=0.002)。在培养的4-6 周，5%处理组中细菌的多样性高于对照组，其它时期，生物炭处理组中细菌的多样性都低于对照组。生物炭的添加在培养中后期显著促进了古菌的生长，不同生物炭添加浓度处理间的古菌和泉古菌的丰度存在均显著性差异(P<0.001)。在不同的培养时间，古菌的丰度也存在极显著性差异(P<0.001)。古菌群落结构同样受生物炭添加浓度的影响(P=0.001)，在培养的中期生物炭处理组古菌多样性高于对照土壤，但在培养的后期则低于对照土壤。生物炭处理组中真菌的丰度（rDNA 拷贝数）显著增加；真菌群落结构的变化只与培养时间显著相关(P=0.008)，但对生物炭添加的响应不明显(P=0.282)。生物炭添加使土壤中细菌在总微生物rDNA 的比例上升，细菌丰度所占比率随添加浓度的增加而增大。 模拟实验对氮循环功能微生物群落结构的分析结果显示，土壤中AOB amoA基因的丰度显著高于AOA amoA，但只有AOA 的amoA基因拷贝数与土壤的氨氧化潜势显著相关，暗示不管是否有生物炭添加，AOA都在土壤的硝化作用中占主导。生物炭处理组氨氧化潜势高于对照组，在10%处理组最高。处理组的氨氧化潜势的峰值出现于培养开始后的第3-4 周，晚于对照组氨氧化潜势峰值出现的时间。在培养四周之后，生物炭的添加显著促进了AOA 及AOB amoA 基因丰度，降低了AOA的多样性但使AOB amoA基因型变得更为多样。表明生物炭的添加改变了氨氧化微生物的丰度及群落组成，同时改变了硝化作用的速率及动态。固氮菌 nifH基因丰度的动态变化与培养时间显著相关(P=0.003)，而与生物炭添加剂量关系不大(P>0.05)。生物炭对固氮菌群落结构的影响与添加量显著相关(P=0.001)，而与处理时间无关(P=0.986)。施加生物炭后，滨海土壤中的固氮菌类群会发生更迭，Ideonella 和Skermanella 等属的相对丰度会增加，但一些土壤重要的固氮菌类群如固氮螺菌属(Azospirillum)基本不受影响。不同类型反硝化细菌对生物炭的响应格局大相径庭：在整个培养期，生物炭处理组中nosZ 的丰度都显著高于对照组(P<0.05)。nirS 型反硝化细菌的丰度在不同处理组间(P=0.028)及不同阶段(P<0.001)均存在显著差异。生物炭处理组中nirK 的丰度均显著高于对照组。nosZ型反硝化细菌的群落结构与添加量显著相关(P=0.001)，而与处理时间无关(P=0.598)。生物炭施加生物炭后，滨海土壤的反硝化类群会发生更迭，主要集中在β-和γ-变形菌类群，与森林和农田土壤未培养的反硝化细菌nosZ 序列关系密切，其中我们发现假单胞菌属Pseudomonas 几乎出现在所有样品中，不受生物炭添加的影响。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 生态学 ; 微生物学 ; 环境学 |
| 公开日期 | 2014-06-25 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/6802]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 宋延静. 莱州湾滨海盐土氮循环微生物的分布及土壤微生物群落对生物炭施用的响应[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014. |
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