长期施肥棕壤中氮代谢功能基因的变化特征

论文摘要

农业生态系统中,不同施肥管理方式可通过影响土壤理化特征,改变功能微生物的丰度及群落结构,进而对土壤质量和生态功能产生影响。许多研究表明,较单施化肥相比,配施有机肥的农田管理模式,有助于优化土壤微生物群落结构,改良土壤理化属性和养分状况,维持并提高土壤质量。研究长期定位施肥处理下,土壤氮代谢微生物基因丰度的季节变化和垂直分布特征,有助于深入认识不同施肥处理下棕壤氮素转化的微生物调控机制,可为该地区科学施肥、培肥地力提供理论依据。以沈阳农业大学长期定位试验田为平台,采用化学分析、PCR扩增、结合实时荧光定量PCR（Real-time PCR,qPCR）的方法,检测不同采样时期中（4月、7月、11月）,不同土壤深度下（020cm、2040cm、4060cm）氮代谢功能基因丰度对不同施肥处理（不施肥CK、施低量无机氮肥N2、施高量无机氮肥N4、有机无机氮肥配施M2N2）的响应方式。通过分析土壤理化性质、施肥处理和采样时期对氮代谢功能基因丰度变化的作用关系,探讨功能基因预警土壤环境变化的可能性。研究结果如下:（1）每克土中细菌和古菌的基因丰度分别在4.3×109-1.76×1012与4.09×106-4.0×109之间,无机氮肥处理显著降低微生物的数量,而配施有机肥则呈现相反的结果;不同采样时期中细菌数量表现为:11月>7月>4月,古菌数量表现为:4月>7月>11月。随土层加深土壤微生物数量显著降低。（2）土壤硝化过程氮代谢基因表现为:每克土中AOB和AOA的amoA基因拷贝数分别在5.2×103-2.8×106和1.41×106-5.73×107之间。无机氮肥处理显著降低AOA丰度、增加AOB丰度。不同采样时期下AOB丰度表现为:4月>7月>11月,AOA多表现为:11月>4月>7月。每克土nxr基因和hao基因拷贝数在1.56×104-1.53×107与4.36×105-2.99×108之间,无机氮肥显著降低二者的基因丰度,而配施有机肥则显著增加其丰度。不同采样时期下hao基因表现为:7月>11月>4月,而nxr基因没有显著变化。随土层加深,土壤硝化微生物数量显著降低。（3）土壤反硝化过程氮代谢基因表现为:每克土nap基因和narG基因丰度分别在1.65×106-2.46×109与1.91×103-1.12×108之间,高量无机氮肥显著降低二者的丰度。每克土中nirK和nirS基因拷贝数在1.09×106-9.64×107与4.03×105-7.53×106之间。nirK和nirS基因丰度分别受施肥处理和采样时期显著影响。每克土中norB和nosZ基因拷贝数分别在1.95×105-1.88×105和6.78×104-3.44×108之间,无机氮肥显著降低二者的丰度,不同采样时期下norB基因表现为:11月>4月>7月,nosZ基因丰度对采样时期不敏感。（4）土壤固氮与氨化过程氮代谢基因表现为:每克土中固氮nifH和氨化gdh基因丰度分别在1.27×104-1.24×109与1.81×102-7.85×105之间。施肥降低了nifH基因丰度,低量无机氮肥可增加gdh基因丰度。不同采样时期下gdh基因表现为:7月>11月>4月。不同土壤剖面中,nif H与gdh基因均没有显著差异。（5）土壤施肥处理、采样时期和土壤深度对土壤理化性质的影响各异。不同环境因子与氮代谢基因的相关性分析表明:供试土壤中,020cm表土层中,细菌数量、AOA和反硝化基因nap、nirK、nosZ和norB基因对环境因子变化最为敏感。硝化基因AOA-amoA则是2040cm亚表层土壤中敏感基因。RDA结果表明,采样时期是引起供试土壤中氮代谢基因丰度变化的重要环境因子。相关性分析表明,pH和铵态氮分别是影响表层和深层土壤中氮代谢基因丰度变化的主要因素。VPA分析结果表明,与施肥处理和采样时期相比,土壤理化性质的改变是影响土壤氮代谢功能基因变化的重要因素。采样时期和土壤施肥处理导致的土壤理化性质变化是引起供试土壤中氮代谢功能基因丰度变化的关键因素。其中,pH和铵态氮分别是影响020cm和2060cm土壤中氮代谢基因丰度的主要因素;供试14个氮代谢功能基因中,总细菌16S rDNA和参与硝化途径中的AOA、反硝化途径中的nap、nirK、norB和nosZ基因对表层土壤环境因子变化最为敏感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 土壤微生物的生态功能
•   1.2 土壤微生物与施肥制度
•   1.3 土壤微生物与氮素循环
•     1.3.1 硝化微生物
•     1.3.2 反硝化微生物
•     1.3.3 固氮微生物
•     1.3.4 氨化微生物
•   1.4 土壤微生物研究的主要方法
•     1.4.1 传统微生物培养法
•     1.4.2 实时荧光定量PCR技术
•     1.4.3 宏基因组学和宏转录组学
•   1.5 本研究的内容、目的与意义
•     1.5.1 研究目的与意义
•     1.5.2 研究内容
• 2 材料与方法
•   2.1 试验材料
•   2.2 试验方法
•     2.2.1 土壤采集与处理
•     2.2.2 土壤理化性质的测定
•     2.2.3 土壤微生物DNA的提取与检测
•     2.2.4 绝对荧光定量PCR标准曲线建立
•     2.2.5 实时定量PCR检测氮循环功能微生物丰度
•   2.3 数据处理
• 3 结果与分析
•   3.1 不同施肥处理土壤理化因子的变化特征
• 20cm土层不同施肥处理土壤理化性质的变化特征'>    3.1.1 0²0cm土层不同施肥处理土壤理化性质的变化特征
• 40cm土层不同施肥处理土壤理化性质的变化特征'>    3.1.2 20⁴0cm土层不同施肥处理土壤理化性质的变化特征
• 60cm土层不同施肥处理土壤理化性质的变化特征'>    3.1.3 40⁶0cm土层不同施肥处理土壤理化性质的变化特征
•   3.2 不同施肥处理棕壤微生物与氮代谢功能基因的变化特征
•     3.2.1 荧光定量PCR标准曲线的绘制
•     3.2.2 土壤总细菌与古菌丰度变化特征
•     3.2.3 土壤固氮基因丰度变化特征
•     3.2.4 土壤硝化基因的变化特征
•     3.2.5 土壤中反硝化基因丰度变化特征
•     3.2.6 土壤氨化基因丰度变化特征
•   3.3 土壤环境因子对氮代谢功能基因丰度的影响
• 20cm土层土壤理化因子对氮代谢功能基因丰度的影响'>    3.3.1 0²0cm土层土壤理化因子对氮代谢功能基因丰度的影响
• 40cm土层土壤理化因子对氮代谢功能基因丰度的影响'>    3.3.2 20⁴0cm土层土壤理化因子对氮代谢功能基因丰度的影响
• 60cm土层土壤理化因子对氮代谢功能基因丰度的影响'>    3.3.3 40⁶0cm土层土壤理化因子对氮代谢功能基因丰度的影响
• 4 讨论
•   4.1 不同施肥处理下土壤理化性质的变化特征
•   4.2 不同处理下氮代谢功能基因丰度的变化特征
•   4.3 土壤环境因子对氮代谢功能基因的影响
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位论文期间发表文章

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 任灵玲

导师: 刘灵芝

关键词: 功能基因,土壤氮代谢,长期定位施肥,实时荧光定量

来源: 沈阳农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农艺学

单位: 沈阳农业大学

分类号: S154.3

DOI: 10.27327/d.cnki.gshnu.2019.000553

总页数: 76

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