长期施有机肥对潮土微生物群落结构的影响

论文总字数：21322字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1.前言 3

2.材料和方法 4

2.1 供试土壤概况 4

2.2 土壤理化性质的测定 4

2.3 核酸DNA/RNA的提取 5

2.4 高通量测取土壤微生物16S rRNA及其基因 5

2.5 土壤总DNA的实时荧光定量PCR 6

2.6 统计分析 6

3.结果 6

3.1 不同施肥处理对土壤养分的影响 6

3.2 不同施肥处理对土壤微生物绝对丰度的影响 6

3.3 不同施肥处理对土壤微生物多样性的影响 7

3.4 不同施肥处理对土壤中优势微生物相对丰度的影响 8

3.5 有机肥条件下特定微生物的响应 14

4.讨论 14

5.结论 15

参考文献 16

致谢 18

长期施有机肥对潮土微生物群落结构的影响

李泽芳

，China

Abstract: Microbial community structure is the early warning and sensitive index of soil ecosystem change. It can be used to characterize soil quality and its ecological function change. The effects of long-term application of organic fertilizer on the microbial community structure of the tidal soil in the North China Plain were studied by high-throughput sequencing at the DNA and RNA levels. The results showed that long-term application of organic fertilizer not only increased soil organic carbon, total nitrogen, available phosphorus and available potassium, but also improved soil acidity and alkalinity. Long-term application of fertilizer and organic fertilizer also changed the community structure of soil microbes and increased the abundance of archaea, bacteria and fungi. The diversity index showed that the long-term application of organic fertilizer resulted in the decrease of soil microbial diversity and was more effective at RNA level, indicating that RNA was more sensitive in the detection of microbial community changes. Long-term application of organic fertilizer also showed significant changes in soil microbial communities at different classification levels. In particular, compared with the long-term application of organic fertilizer without fertilization, Firmicutes increased significantly at the DNA and RNA levels, and Bacillus at the class level and Bacillus at the generic level increased significantly at the DNA and RNA levels. In addition, the DNA and RNA concentrations of Lysobacter Streptomyces and Amaricoccus also showed the ecological function of microbes after long-term application of organic manure. This study not only provides the basis for understanding the response mechanism of soil microbes to organic fertilizer, but also provides a certain reference for studying the coupling relationship between soil physical and chemical properties and ecological functions of soil microbial communities from the DNA and RNA levels in the future.

Keywords: tidal soil; organic fertilizer; high-throughput sequencing; microbial community structure

1.前言

施用肥料是提高土壤肥力和农作物产量最基本和最重要的一种方式。近 20 年来，我国的化肥用量持续高速增长，肥料利用率却始终不高，粮食产量也始终增加缓慢^[1]。因此，这种过度依赖于“大药大水大肥”的生产方式很难再进一步提高粮食单产，而且长期过量使用化肥导致土壤有机质含量下降、土壤结构退化、土壤微生物多样性和生物活性降低，进而引起土壤肥力下降^［2-3］，不利于农业可持续发展。施用有机肥可以有效改良土壤结构，提高土壤有机质含量，调节土壤养分的释放强度和速率，使作物在生长过程中得到均衡稳定持续的养分供给，从而促进农作物增产^［4］。而且增施有机肥可以促进作物生长，改善品质，提高产量，例如，郝海婷等^[5]的研究得出有机堆肥对增加百合鳞茎鲜质量作用显著，相比化肥增产76.6%。另外，我国每年产生的诸如人畜粪便，秸秆，屠宰场废弃物等大量有机废物，若处置不当，将造成严重的生态环境问题。例如人畜粪便随意堆积将会使大量营养物质随雨水流失进入地下水甚至进入河流湖泊造成严重的水污染，还有我国每年因焚烧秸秆会在秋冬两季造成严重的雾霾。可见，倘若，资源若不能合理利用将会造成严重的环境问题，相反，废物倘能合理利用将会极大的改善生态环境。因此，我国已经在解决这这些问题上面出台了相关政策，例如已经定了在2020年化肥使用量实现零增长的目标和秸秆回田等相关鼓励措施，在此背景下更有必要研究施用有机肥对土壤理化性质及农田生态系统的影响，为合理施用有机肥提供合理的理论依据。

土壤微生物及其控制的生物过程对于维护农业生态系统的长期稳定性具有十分重要的作用，其是土壤发育及养分循环的重要影响因子^[8]，土壤微生物量及群落结构受不同施肥措施影响。张焕军等^[18]发现，长期施用肥料有机肥改变了土壤微生物的群落结构，提高了细菌数量，降低了放线菌含量，而对真菌数量没有明显影响，导致真菌与细菌的比值下降；白震等^[9]却得出，有机肥施用显著地增加了 SMBc（SMBN）和真菌、细菌的PLFA含量以及磷酸酶活力，极大地提高了土壤真菌/细菌比值；Liu等^[6]研究表明，长期有机无机肥料配施显著促进了土壤微生物量碳、氮以及土壤酶活性。可见，土壤微生物与施肥及土壤质量变化密切相关，研究土壤微生物对长期施肥的响应特征对于评价土壤质量演变、制定科学施肥方案具有重要的参考价值^[7]。

然而，以上研究很大程度上是基于传统手段，例如，变性梯度凝胶电泳（DGGE）能够研究土壤微生物群落多样性变化规律，但其所获得的微生物DNA序列通常低于100条，难以对土壤微生物进行全面分析。而本研究采用新一代高通量测序技术，可直接测序16S rRNA基因的PCR产物，每次分析获得的基因序列数以百万甚至亿万计，不仅通量高，而且能够同时分析上百个不同的样品，是解析复杂环境中微生物群落物种组成和相对丰度的重要工具^[10]。

本研究的一个亮点就是除了使用高通量测序技术从DNA水平上研究土壤微生物群落结构，还从RNA水平上检测土壤微生物群落结构，以往的研究很大程度上都是基于DNA水平上。rRNA是生物三域分类理论基础。微生物生理代谢不一定导致细胞分裂增殖（rDNA的增加），也可能只导致核糖体rRNA的合成增加来合成更多蛋白参与代谢活动。因此，RNA较 DNA水平在研究微生物生理代谢状况的灵敏度更高。RNA可以被用来评价微生物的活性，而DNA通常被用于微生物多样性的资源评价^[11]。然而，RNA降解快，通常以秒计，而DNA相对稳定，可在土壤中保留较长时间。RNA易降解的特性以及复杂环境提取手段的限制，制约了以往RNA在评价土壤微生物生态功能方面的研究。本研究采用有效的土壤微生物RNA提取技术，通过PCR扩增了土壤16S rRNA基因和16S rRNA，并结合高通量测序技术，系统分析评价了DNA和RNA水平上土壤微生物的整体群落概貌，在研究复杂环境微生物生理生态过程的调控机制方面具有重要意义。在稻田红壤的研究中已经发现，RNA水平较DNA水平能够更加灵敏地反映甲烷氧化的微生物过程^[26]。

黄淮海平原土壤以轻质潮土为主，是集约化小麦-玉米一年两熟轮作种植区^[12],也是我国重要的粮食主产区，粮食播种面积占全国总面积的 20% 左右，粮食产量约占全国总量的 23%^[13]。本文以中国科学院封丘农业生态实验站有机肥长期定位试验田土壤样品为研究对象，采用高通量测序方法，分别从DNA和RNA水平，设置不施肥和施有机肥两个处理探讨长期施有机肥对土壤微生物多样性及其群落结构的影响，期望为合理施肥提供科学依据。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：21322字

相关图片展示：