我國亞熱帶土壤碳氮轉化微生物及其功能研究.pdf

1、我國亞熱帶地區(qū)面積遼闊，占國土面積的21％，是重要的農業(yè)生產區(qū)。該地區(qū)酸性土壤在世界上占有獨特的地位，該地區(qū)土壤具有pH低、高度風化、氧化勢高等特點。我國亞熱帶地區(qū)土壤碳、氮生物地球化學循環(huán)與環(huán)境變化、農業(yè)生產等密切相關，了解碳、氮轉化微生物特性及其生態(tài)功能對把握該地區(qū)碳、氮地球生物化學循環(huán)規(guī)律、發(fā)展該地區(qū)可持續(xù)綠色農業(yè)生產具有指導意義。
　　本研究選取亞熱帶地區(qū)典型水稻種植區(qū)（湖北武漢）稻田土壤為研究對象，測定田間原位和溫室盆栽

2、條件下種植轉Bt基因水稻（以下簡稱Bt水稻）對土壤主要溫室氣體(CH4、CO2和N2O)排放的影響，采用定量PCR(Quantitative PCR,qPCR)、PCR-DGGE等現代分子生態(tài)學手段測定種植Bt水稻對溫室氣體排放相關功能微生物的影響，并采用穩(wěn)定同位素核酸標記技術來分析種植轉Bt基因水稻對土壤功能“活躍的”產甲烷古菌群落的影響，以了解該地區(qū)C轉化微生物群落特征及其功能。主要結果如下:
　　(1)田間原位和溫室盆栽實驗

3、結果均顯示種植Bt水稻顯著的、持久的降低了土壤CH4、N2O和CO2排放通量，對產甲烷古菌、甲烷氧化細菌、產N2O功能微生物、N2O還原功能微生物群落也有顯著影響。種植Bt水稻顯著的、持久的降低了土壤CH4排放通量，對根際產甲烷古菌和甲烷氧化細菌群落豐度和組成（香農多樣性指數H'）也有顯著的負面影響。在S2和S5階段，Bt水稻根際產N2O功能微生物豐度顯著低于Ck水稻(p＜0.05)，在S3階段Bt水稻根際產N2O功能微生物豐度顯著高于

4、Ck水稻(p＜0.05)，而在S1和S4階段，兩種水稻根際產N2O功能微生物豐度無顯著差異(p＞0.05)。在S2階段，Bt水稻根際N2O還原功能微生物豐度顯著低于Ck水稻(p＜0.05)，在S1和S4階段Bt水稻根際N2O還原功能微生物豐度顯著高于Ck水稻(p＜0.05)，而在S3和S5階段，兩種水稻根際N2O還原功能微生物豐度無顯著差異(p＞0.05)。在苗期(S1)和分蘗期(S2)，Bt水稻根際總細菌豐度顯著低于Ck水稻(p＜0.

5、05);而在曬田期(S3)、灌漿期(S4)和成熟期(S5)，這種顯著差異消失(p＞0.05)。在S3階段，Bt水稻根際總古菌豐度顯著高于Ck水稻(p＜0.05);在其它生長階段，Bt水稻和Ck水稻根際總古菌豐度無顯著差異(p＞0.05)。相關分析結果顯示土壤CH4排放通量與產甲烷古菌豐度成顯著正相關（R2=0.564，p＜0.05）;土壤N2O排放通量與產N2O功能微生物豐度成顯著正相關(R2=0.564，p＜0.05)。推測:與Ck水

6、稻相比，Bt水稻根系分泌物含量較低，產甲烷微生物、產N2O功能微生物豐度較低，苗期和分蘗期植株生物量較低，土壤氧化還原電位較高等是導致Bt水稻土壤溫室氣體排放通量較低的主要原因。
　　(2)穩(wěn)定同位素核酸標記結果顯示種植Bt水稻顯著降低了功能“活躍的”產甲烷古菌群落豐度，但沒有顯著影響功能“活躍的”產甲烷古菌群落組成。Bt水稻和Ck水稻分蘗期根際土壤中功能“活躍的”產甲烷古菌類群有Ricecluster-(I)(RC-(I))、M

7、ethanosaetaceae、Methanosarcinaceae和Methanobacteriaceae,其中RC-(I)占所有功能“活躍的”產甲烷古菌類型的60％～66.7％，為最活躍的產甲烷古菌類群。
　　我們還選取了亞熱帶地區(qū)福建萬木林自然保護區(qū)典型森林土壤(細柄阿丁楓，ALG;浙江桂，CIC)及由其轉變的農業(yè)利用土壤(杉木，CUL;桔園，ORG)為研究對象，采用qPCR、PCR-DGGE等現代分子生態(tài)學手段測定氨氧化古

8、菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和氨氧化細菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)群落豐度和組成，研究森林土壤向農田十壤轉變對土壤氨氧化微生物群落及其氨氧化功能的影響，以表征該地區(qū)N轉化微生物群落特征及其功能。主要結果如下:
　　(1)人為利用和施肥顯著提高了我國亞熱帶地區(qū)土壤氨氧化勢。該地區(qū)森林土壤轉變?yōu)檗r田土壤顯著增加了AOA和AOB的群落豐度，且顯著減小了AOA和A

9、OB豐度比值。DGGE指紋圖譜顯示森林土壤轉變?yōu)檗r田土壤也明顯改變了AOA和AOB群落組成，其中隸屬于Group1.1a-associated lineage的AOA類群(A7～A10)在施肥利用后沒有檢測到，而隸屬于Cluster3a lineage的AOB類群(B6)在施肥利用后也沒有檢測到。
　　(2)添加尿素培養(yǎng)后，天然林(ALG和CIC)土壤AOA豐度顯著增加，AOB豐度無顯著變化;未施肥種植林(CUL)土壤AOA和AO

10、B豐度均顯著增加;而施肥土壤(ORG) AOA和AOB豐度均無顯著變化。添加尿素培養(yǎng)明顯改變了AOA群落結構;但沒有顯著改變AOB群落結構。可見，天然林(ALG和CIC)土壤中AOA對添加尿素培養(yǎng)有明顯響應;種植林土壤(CUL)和施肥土壤(ORG)中AOA和AOB對添加尿素培養(yǎng)有明顯響應。因此，我們推斷天然林(ALG和CIC)土壤中AOA對自養(yǎng)氨氧化過程貢獻大，種植林土壤(CUL)和施肥土壤(ORG)中AOA和AOB對自養(yǎng)氨氧化過程均有