亚热带森林红壤剖面和根际氮循环功能基因丰度特征研究

来源 :沈阳农业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:jonathanwu
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土壤氮(N)循环是生态系统土壤元素循环的核心之一。氮循环微生物驱动土壤氮循环,其特征影响整个土壤生物地球化学循环过程。土壤氮循环功能基因包括矿化(chiA)、固氮(nifH)、硝化作用限速步骤细菌与古菌的氨氧化(AOB、AOA)、反硝化(nirS、nirK)等,编码土壤氮循环关键过程的关键功能微生物。土壤氮循环功能基因丰度可表征土壤氮矿化、固氮、硝化、反硝化过程的潜在能力,氮循环功能基因的研究对氮素养分供应、硝酸盐淋失、温室气体中的N2O排放具有重要意义。本研究以江西省千烟洲亚热带森林红壤为研究对象,选取了马尾松,针阔混交林和自然恢复的针阔混交林,挖掘从地表到基岩的土壤剖面,每个剖面分7个层次,共获得21个土壤样品。在杉木(AM)、马尾松和湿地松(ECM)的纯林内各选5棵树木,分别采集根际土壤和一级根系,共获得15个根际土壤样品。通过实时荧光定量PCR方法测定剖面和根际土壤氮循环功能基因的丰度;测定土壤理化性质;采用镜检法测定3个树种一级根的菌根侵染率。通过冗余分析及pearson’s相关分析研究氮循环功能基因丰度与土壤环境因子的相关性。分析亚热带森林红壤垂直梯度上氮循环功能基因剖面分布特征,以及根际热点区域氮循环功能基因分布特征,揭示亚热带森林红壤氮循环功能基因分布特征及影响因素。结果如下:在从地表到基岩的土壤剖面中,1.除AOA与AOB外,0-40 cm处与40-基岩处氮循环功能基因丰度的差异均不显著;2.经有机碳和DNA标准化的后“特定”氮循环功能基因丰度在土壤层(0-基岩)随深度增加而逐渐增高,而基岩中的“特定”氮循环功能基因丰度最低;3.矿化功能基因(chiA)丰度在氮循环功能基因中占主导地位,在所测定功能基因丰度中占68-27%,nifH、AOA、AOB、nirK和nirS在不同土层具有不同的相对丰度,表明氮循环微生物在土壤剖面中分布模式不同;4.冗余分析显示,氮循环微生物丰度在剖面上的变化,主要取决于土壤中碳氮及有效磷的含量。在根际土壤的氮循环功能基因丰度为1.chiA在3个树种间差异不显著(p>0.05);nifH在马尾松中较低,在杉木与湿地松中差异不显著(p>0.05);nirK和nirS基因在湿地松中较高,在杉木与马尾松中差异不显著(p>0.05);AOA和AOB基因在杉木中较高,在马尾松与湿地松中差异不显著(p>0.05);2.有机碳标准化后的“特定”氮循环功能基因丰度与未标准化后的丰度相同;DNA标准化后的chiA、nifH、nirK和nirS的“特定”丰度在湿地松中较高,AOA和AOB基因在杉木中较高,在其余两树种间差异不显著;3.3种类型人工林根际土壤氮循环功能基因相对丰度差异不显著(p﹥0.05);4.Pearson’s相关分析显示,氮循环功能基因丰度在杉木、马尾松、湿地松根际差异主要受菌根侵染率、溶解有机碳(DOC)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、有机碳(SOC)和总氮(TN)的影响。本研究表明红壤剖面中N转化主要发生在表层土壤,与基岩层相比,土壤层中氮循环微生物具有较高的活性和效率,土壤中碳氮及有效磷的含量驱动氮循环功能微生物在不同土层占据不同的生态位。杉木、马尾松、湿地松根际土壤N转化能力、循环微生物活性和效率不同。4种氮循环功能微生物在不同树种间受菌根侵染率和土壤养分含量(DOC、NH4+-N、NO3--N、SIN、SOC和TN)影响。本研究结果为了解红壤微观尺度的土壤氮循环微生物机制提供了新的理解。
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