长期施用无机肥对潮土微生物群落结构的影响

论文总字数：21652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土壤微生物DNA的提取 4

2.4目的基因的荧光实时定量PCR 分析 5

2.5焦磷酸高通量测序分析土壤微生物群落 5

2.6数据分析 6

3.结果与分析 6

3.1 不同施肥处理下土壤的理化性质 6

3.2 不同施肥处理对土壤微生物绝对丰度的影响 7

3.3不同施肥处理对土壤微生物多样性的影响 9

3.4不同施肥处理对土壤中优势微生物相对丰度的影响 11

3.5 平衡施肥条件下特定微生物的响应 17

四.讨论 19

五.结论与展望 20

参考文献 20

致谢 22

长期施用无机肥对潮土微生物群落结构的影响

张钱

，China

Abstract: The research on soil microbial community structure diversity is the hotspot of soil ecology research in recent years. This study uses fluorescence quantitative PCR and a new generation of high flux sequencing technology, in situ soils with different inorganic fertilizers were studied, including no fertilization soil (CK), phosphorus potassium fertilizer application soil (PK), Nitrogen fertilizer application soil (NK), nitrogen and phosphorus fertilizer application soil (NPK), The composition, abundance and diversity of soil microorganisms were analyzed from the level of the whole microbial community, and the response mechanism of soil microbial community to different fertilization methods was comprehensively revealed. The results showed that microbial bacteria were the highest in the soil, the archaea were the second, the fungi were the lowest, and the Balanced fertilization (NPK) significantly increased the abundance of bacteria, archaea and fungi. In addition, NPK and PK treatments have a tendency to increase soil micro-biodiversity, contrary to NK treatment. Proteobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi and Actinobacteria are the dominant species of soil, and the relative abundance of different fertilization treatments has changed significantly, which is closely related to the change of soil ph and organic carbon content. Long-term balanced fertilization (NPK) significantly increased the nitrososphaera and nitrospira of microorganisms with low relative abundance in soil, indicating that nitrogen fertilization stimulated soil nitrification. The long-term application of different kinds of chemical fertilizers can change the physical and chemical properties of soil, and affect the soil microbial community and ecological function in different degrees. This study provides a scientific basis for understanding soil microbial Community succession, evaluating farmland soil quality and guiding scientific fertilization.

Key words: long-term fertilization, high-throughput sequencing, microbial relative abundance, soil microbial community

1.前言

土壤在陆地生态系统中有着关键作用，同时土壤还是一个具有生物多样性的复杂体系，其生态系统的功能主要由土壤微生物群落结构和数量所控制^[1]。细菌、古菌和真菌是土壤中的主要微生物群落，它们参与了土壤有机质的分解过程和矿化作用，同时促进了土壤养分的循环和生物有效性。植物的营养成分还有很大一部分来自于土壤微生物的代谢产物，因此土壤微生物既能够促进土壤有机物质的转化，也是植物营养元素的活性库^[2]。此外，土壤的理化性质和生物学性质还受土壤微生物活动的直接影响。

在农业生态系统中，施肥是农业生产活动中的关键环节，对土壤和作物有重要的影响。植物需要的各种营养元素包括碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙和镁，而植其长需要和成熟收获时会带走量大量的营养元素，其中最主要的是氮、磷和钾，但它们通过自身残骸和根的形式最终归还到土壤中的数量较少，所以通过施用肥料的方式补充土壤损失的养分是很有必要的^[3]。施用不同肥料会影响土壤属性，进而改变土壤微生物数量、群落结构及其生理功能，并对作物产量及生态环境安全产生重要影响，因此研究不同施肥方式对农业生态环境和土壤养分循环具有重要的意义^[4]。

通过施肥不仅可以提高土壤中营养成分的含量和增加土壤的肥力，还可以为微生物群落营造良好的生存环境，以此来促进微生物群落的生长和活动。现有研究表明，长期施肥能够显著增加土壤有机质含量和速效N、P、K含量，而土壤微生物数量的多少与土壤中氮、磷的转化密切相关^[5]。耕层土壤微生物的组成主要是细菌，放线菌次之，真菌最少，不同施肥处理措施会对土壤微生物群落的结构和数量造成不同程度的影响^[6]。长期配施无机肥(NP、NPK)土壤细菌数量显著高于单施无机肥(N)，长期平衡配施无机肥(NPK)土壤细菌数量明显增多^[5]。因此通过跟踪土壤微生物群落组成、结构及功能变化，以此科学评价农田土壤健康质量，能够为寻求作物稳产、高产的土壤生态化学环境，更好地培肥土壤提供科学依据^[7]。

长久以来，微生物的多样性都是微生物生态学研究的热点，但是由于技术手段的限制，土壤微生物原位研究却相对滞后。深入了解土壤中的微生物群落，不仅有助于评价土壤质量以及土壤质量随时空的演变规律，还能够被用于调控土壤的物质能量转化过程。自现代科学技术发展以来，新一代高通量测序技术的发展迅速。相比较传统测序方法，例如变性梯度凝胶电泳（DGGE），虽然能够研究土壤微生物群落多样性变化的规律，但是所获得的微生物DNA序列通常低于100条，很难全面分析土壤微生物群落。而新一代高通量测序技术，16S rRNA基因的PCR产物可以直接被测序，每次测序分析获得的基因序列数众多，以百万甚至亿万计，因此通量高，并且能够同时分析上百个不同的样品，在解析复杂环境中微生物群落组成和相对丰度起着重要作用^[8]。总之，高通量测序技术不但能够在整体微生物群落水平上分析物种遗传多样性，而且能够比较客观地反映其中具有重要功能的低丰度微生物^[9]。

为了全面认识长期施用无机肥对潮土微生物群落结构的的影响，本实验采用荧光定量PCR和焦磷酸高通量测序的方法，以中国科学院封丘农业生态实验站中不同施肥处理土壤为研究对象，系统分析了土壤微生物群落的组成、丰度和多样性，同时结合土壤的理化性质，明确了长期平衡施用化肥（施NPK肥）及缺素施肥（分别施用NK和PK）对潮土微生物群落结构的影响，为理解土壤微生物对不同化肥的响应机制以及提高土壤质量提供科学依据。

2.材料和方法

2.1供试土壤概况

土壤采样点位于中国科学院封丘农业生态实验站（35º00´N，114º24´E）。土壤以轻质壤质潮土为主。采集的实验站土壤来自4个处理，即不施肥处理（CK）和3个施肥处理（PK、NK和NPK），单个小区面积为47.5 m²。肥料品种：氮肥为尿素（CON₂H₄）；磷肥为过磷酸钙（Ca(H₂PO₄)·H₂O）；钾肥为硫酸钾（K₂SO₄）。肥料用量分别为氮肥（N）300 kg hm^-2，磷肥（P₂O₅）135 kg hm^-2，钾肥（K₂O）300 kg hm^-2。

土壤样品采集于2016年9月，所采集样品为0-20 cm表层土壤。采用五点交叉取样法采样后，装袋低温保存带回实验室，保存于4℃待用。将供试土壤去除杂物、碾碎，使之通过2 mm 筛子并混匀。样品一部分用于新鲜土壤DNA提取；其余土样风干后测定土壤理化性质。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：21652字