论文部分内容阅读
本文以江苏常熟连续8年稻麦轮作田间定位试验为基础,研究了以下四种不同施肥[不施用氮肥(NNF)、施用化肥处理(CF)、有机无机肥处理(OIMF)、施用有机肥处理(OF)]措施下,土壤微生物在不同土壤深度的空间尺度以及不同作物生育时期(即采样时间,下同)的时间尺度上的响应,旨在探讨施用不同肥料对土壤细菌群落,以及氮循环相关微生物的影响,并且探究作物产量与土壤微生物间的关系。结果表明:1)与NNF相比,CF的水稻产量提高了 43%,小麦产量提高了 120%,显著高于OF。四个施肥处理中,OIMF的土壤铵态氮和硝态氮含量的平均值在不同土壤深度中最高(分别为1.4 mg kg-1、2.86 mg kg-1),CF在不同作物生育时期的土壤铵态氮和硝态氮含量的平均值(分别为2.4 mg kg-1、19.06 mg kg-1)最高;而OF在不同土壤深度以及不同采样时期pH值(分别为7.75、7.88)、有机质(分别为9.5 g kg-1、20.5 g kg-1)以及全氮(分别为1.3 g kg-1、2.2 g kg-1)含量最高;NNF的土壤中速效磷以及速效钾的含量(分别为125.5 mg kg-1、69.9 mg kg-1)最高。2)利用高通量测序与荧光定量PCR的方法研究了土壤细菌的群落结构与丰度。结果表明:不同作物生育时期是影响土壤细菌群落丰度与组分的主要因素,而施肥处理也显著影响了土壤细菌群落丰度与组分。此外,土壤细菌的群落结构在稻麦轮作间差异较大。与小麦季比较,水稻季的土壤有较多的厌氧或者兼性厌氧的细菌。就施肥处理而言,NNF有较高的蓝细菌门(Cyanobacteria)相对丰度,OIMF与CF相比氨氧化微生物奇古菌门(Thaumarchaeota)的相对丰度较低。与有机肥相比,施用无机肥(CF以及OIMF)明显提高了贫营养型细菌如酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度。OF则提高了富营养型细菌如变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度。3)利用荧光定量PCR技术对固氮酶基因nifH进行定量分析表明,nifH基因丰度随土壤剖面深度的增加而降低,尽管如此,在80-100cm的深层土壤中仍能检测到较高的nifH基因丰度。对于不同作物生育时期的nifH基因丰度的研究发现,水稻季的nifH基因丰度要高于小麦季。利用多元方差分析发现,不同作物生育时期显著影响了nifH基因的丰度,而不同的施肥处理对nifH基因的影响不显著。不同的作物生育时期,不同的施肥处理对固氮菌丰度的影响不同。利用限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析固氮菌的群落结构发现,固氮菌的群落结构主要受不同作物生育时期的影响,且小麦季与水稻季的固氮菌群落结构明显不同。置换检验表明,作物生育时期而不是施肥处理是影响固氮菌群落结构形成的重要因素,表明固氮微生物群落随着季节的变化而变化。4)利用荧光定量PCR以及T-RFLP,分别研究了氨氧化细菌(AOB)及氨氧化古菌(AOA)的amoA基因的丰度以及群落结构。结果表明,长期施用不同肥料是影响AOB群落丰度以及结构的主要决定因素。在不同土壤深度以及水稻小麦作物生育期中,施入的尿素态氮肥越多,AOB越丰富,而有机肥料中的氮对AOB丰度影响较小。T-RFLP的结果表明AOB群落中的优势种为109 bp(Nitrosospira amoA Cluster 3b)以及280 bp(Nitrosospira amoA Cluster 3c)的T-RFs,将其与荧光定量的结果相结合后发现长期施肥对109 bp的组分影响最大。而与AOB不同,尽管AOA群落同样受不同作物生育期以及施肥处理的影响,但是规律不明显。此外,AOB在土壤硝化作用中扮演最重要的作用,可以解释48.7%的硝化速率,而AOA只能解释6.7%的硝化速率。5)利用荧光定量PCR分析反硝化微生物nosZ、nirK以及nirS基因,结果表明nirS以及nirK基因丰度随着土壤深度的增加而急剧降低,表明反硝化作用大多数仍是发生在表层。其中OIMF其nirS以及nirK基因的丰度在0-20 cm的表层土中均最高,而施用化肥则提高了nirS以及nirK基因在底层土的丰度。nosZ基因的丰度在3-9月份的小麦水稻生育期中比较稳定,但是在10月份水稻收获期时突然升高。其中OF的nosZ基因丰度高于其他三个施肥处理。T-RFLP的结果表明施肥处理对反硝化微生物的群落结构的影响要大于不同作物生育时期,其中有机肥处理与其他三个处理间差别较大。6)土壤细菌、固氮菌的群落以及氨氧化古菌的群落与作物产量的关系较弱;氨氧化细菌与水稻以及小麦产量之间均有显著的正相关关系;反硝化微生物与作物产量呈负相关关系,但是只与小麦的产量的相关性达到显著性水平,而与水稻产量的关系不显著。综上所述,施肥可以显著改变土壤细菌以及氮转化相关微生物的丰度以及群落结构。其中施肥对氨氧化微生物群落结构与丰度、以及反硝化微生物群落结构与丰度影响大于作物生育时期;而不同作物生育时期对细菌、固氮菌的影响较大。通过探讨土壤微生物与作物产量的相互关系,可以为将来调控高产土壤微生物区系提供一定的科学依据。