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摘要： 1

Abstract: 2

1 引言 3

2 材料和方法 4

2.1 土壤 4

2.2 实验设计 4

2.3 CO₂、CH₄、N₂O等气体排放 5

2.4 DNA的提取、浓度测定及琼脂糖凝胶电泳监测 6

2.5 荧光定量PCR监测所有样品中不同微生物的丰度 6

2.6 计算和统计分析 7

3结果与分析 7

3.1 气体排放 7

3.1.1 磷添加对CO₂排放的影响 7

3.1.2 磷添加对N₂O排放的影响 8

3.1.3 磷添加对CH₄排放的影响 9

3.2 DNA浓度与琼脂糖凝胶电泳检测结果 9

3.2.1 DNA浓度 9

3.2.2 琼脂糖凝胶电泳检测结果 10

3.3 整体微生物群落组成 10

3.4 特殊功能微生物 12

4讨论 15

4.1 长期缺磷对微生物丰度及群落结构的影响 15

4.2 缺磷土壤中微生物对不同磷浓度的响应 15

4.3 富磷土壤中微生物对不同磷浓度的响应 16

5 结论 16

参考文献 17

致谢 20

土壤有效磷对农田潮土微生物群落结构及功能的影响

周欢

，China

Abstract: Based on current studies, we know that soil available P can affect soil microbial communities, but little is known about the effects of soil available phosphorus on soil microbial community structure and function. In order to better understand the effect of available phosphorus in soil on soil microorganisms, we use P-deficient soil without fertilization (CK) and P-sufficiency soil with long-term application of organic fertilizer (OM) respectively in no adding phosphate (H, G) and adding different concentrations of phosphorus (5 mg P/kg soil (LP), 20 mg P/kg soil (MP), 60 mg P/kg soil (HP)) after 8 days of treatment conditions. The concentrations of CO₂, N₂O and CH₄ in culture flasks were determined by gas chromatography. DNA was extracted from all samples, and the abundance of various microorganisms was monitored by fluorescent quantitative PCR. In the present study, P-deficient soil limits microbial growth and function. In the p-deficient soil, the growth of fungi was inhibited by adding phosphorus, and the growth of bacteria was stimulated by adding phosphorus to the P-sufficiency soil. The results showed that soil available P could indirectly affect soil nutrient uptake and cycling through affecting soil microbial community structure.

Key words：Soil available P; P addition; microbial community structure; P deficiency; soil microorganism

1引言

农田土壤微生物是土壤肥力的核心,它对维持与提高农业生产力与环境健康质量具有重要意义。土壤微生物作为土壤中最为活跃的部分对土壤生态系统及其重要^[1],它不仅是土壤养分重要的储蓄者和汇总者,还是土壤各类养分转化和供应的调控者^[2],驱动着碳、氮、磷、硫等地球化学循环^[3]。土壤微生物对环境变化非常敏感，生态系统的变化和环境胁迫都能使它产生激烈反应，最显著的变化就是它的群落结构改变^[4]。因此，土壤可利用的养分，尤其是氮（N）和磷（P）能够影响土壤微生物的生物量和群落组成^[5]。然而，相比于有效氮对土壤微生物的影响，有关有效磷对土壤微生物的影响的研究还非常少^[5-7]。目前关于土壤有效磷含量对土壤微生物丰度及群落结构的影响的研究偏少且研究结论有所出入。这会使人们在土壤微生物与土壤有效磷之间的关系问题上有所局限，并对微生物在农田土壤生态系统中的分解与养分循环作用了解有限^[8]。

在这些有限的研究中，DeForest等人发现，在温带落叶林无冰期或冰期的土壤中添加磷后土壤微生物量没有显着变化^[9]；在Li等的研究中，土壤有效磷的增加使土壤微生物生物量增长，真菌与细菌的比例也变大（F：B），并改变了缺磷热带森林中的微生物群落组成^[10]；还有研究发现磷添加还改变了丛生根菌的多样性和群落结构^[11]；其他学者则发现磷对温带森林土壤微生物的积极、中性甚至负面影响^[12-14]。

在有限研究的基础上，Jing等提出缺磷土壤中的微生物群落种类比含磷土壤中的多,可能是缺磷土壤的GCR(The retention of glucose-C)比含磷土壤的高的原因；磷有效性可能决定在一个新的群落中哪一种微生物能够得到发育；含磷土壤在加入葡萄糖后芽孢杆菌得到快速发育并在微生物群落中占主导位置^[8]。而Huang等的研究结果又指出有效磷含量的升高对土壤微生物没有太大影响，磷添加主要通过影响土壤碳循环和土壤的理化性质（如pH），从而间接的影响土壤微生物。土壤微生物生物量和大部分微生物类群在高浓度的磷添加影响下增大，例如细菌、真菌和从生根菌（AMF）的丰度，但是中高浓度的磷添加处理对土壤微生物的影响并不明显^[15]。此外，施瑶等的研究显示缺磷条件下，添加适当浓度的磷能够显著提高土壤微生物生物量，并且改善土壤微生物的群落结构；但是过量磷添加会抑制土壤微生物的生长^[16]。

磷是植物体生长代谢过程中参与组成植物体内许多重要化合物的不可缺少的必需营养元素之一。土壤中所含的磷素是植物所用磷的主要来源,相较于与其他大量营养元素，磷在土壤中的含量非常低，仅有 0.02%-0.2%^[17]。根据全国土壤普查资料估算，我国缺磷土壤占总土壤的2/3,而且缺磷的主要原因是土壤有效磷含量不足。

有研究显示，缺磷会限制土壤微生物的活动和成长^[18]，而且在缺磷土壤中，磷添加能够显著提高微生物生物量^[19]。林先贵等的研究也显示：土壤缺磷时,微生物不仅代谢效率降低,而且代谢过程还会损失较多的能量，释放相对多的CO₂，从而降低了土壤的质量。但是长期施用添加磷的有机肥能够减少作物对丛生根菌(AMF)依赖性,使土壤中 AMF丰度和种类降低,其他微生物得到更多的发展空间，最终提升农田土壤的可持续性^[20]。因此，提高P有效性对提高土壤生产力和升级中低产农田具有重要意义。

本研究考察了磷素丰缺以及不同浓度的磷添加对培养过程中CO₂、N₂O、CH₄等气体的排放情况以及总细菌、真菌、固氮菌、氨氧化菌、反硝化菌丰度及组成的影响。本研究的目的是：（1）探究长期缺磷对微生物丰度及群落结构的影响；（2）研究缺磷土壤中不同浓度的磷添加对土壤微生物群落的影响；（3）研究富磷土壤中不同浓度的磷添加对土壤微生物群落的影响。本研究的意义在于（1）通过科学合理的试验研究及结果分析，揭示磷在潮土农田微生物生态功能中的调控机理,为土壤微生物的相关研究提供必要的理论参考价值；（2）有助于指导调控土壤微生物更好地服务农田生态系统,实现科学施肥,提高肥料利用率,促进农业生产可持续发展。

2 材料和方法

2.1 土壤

本试验所用土壤采集自河南省封丘县潘店乡(114°E,354°N）。采样点所在地属半干旱、半湿润的暖温带季风气候。年平均降水量为605mm，年蒸发量在1875mm，年平均气温为13.9℃。土壤类型主要为黄河沉积物发育的潮土。本试验选取缺磷（CK）和富磷（OM）两种土壤进行研究。土壤的部分理化性质如表1所示。

表1 土壤的理化性质

2.2 实验设计

每种土壤进行培养实验分别设置6个处理：（1）零时刻样品：包括零时刻的CK土壤（CK-0）和零时刻的OM土壤(OM-0)；（2）只加灭菌水的不施磷对照处理：包括CK土壤加灭菌水（CK H处理）和OM土壤加灭菌水（OM H处理）；（3）加葡萄糖的不施磷对照处理：包括CK土壤加葡萄糖(CK G)和OM土壤加葡萄糖（OM G）；（4）加葡萄糖和低浓度磷处理：包括CK土壤加葡萄糖和低浓度磷（CK G LP）和OM土壤加葡萄糖和低浓度磷（OM G LP）；（5）加葡萄糖和中等浓度磷处理：包括CK土壤加葡萄糖和中浓度磷（CK G MP）和OM土壤加葡萄糖和中浓度磷（OM G MP）；（6）加葡萄糖和高浓度磷处理：包括CK土壤加葡萄糖和高浓度磷（CK G HP）和OM土壤加葡萄糖和高浓度磷（CK G HP）。每个处理有三个重复。

称取6g风干土壤置于120ml培养瓶中，橡胶塞密封，置培养箱28，预培养1天。分别加底物如下：（a）H处理：加灭菌水0.8 ml。（b）G处理：葡萄糖按8 mg C/g加入土壤，每瓶加溶液体积0.8ml.（c）G HP处理：葡萄糖按8 mg C/g， P按60 mg/kg加入土壤，每个瓶子加0.8 ml。（d）G MP处理：葡萄糖按8 mg C/g， P按20 mg/kg加入土壤，每个瓶子加0.8 ml。（e）G LP处理：葡萄糖按8 mg C/g， P按5 mg/kg加入土壤，每个瓶子加0.8 ml。贴好标签，如表2。塞上橡胶塞，加盖铝帽，置培养箱28℃，培养8天。其中零时刻样品密封后，立即采集20mL置于抽真空的采气瓶中，测定CO₂，N₂O和CH₄浓度（气相色谱仪（Agilent7890））。

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