黑土区典型作物轮作和连作对土壤微生物群落结构的影响

论文摘要

土壤微生物是土壤生态系统重要的组成部分,在土壤有机物分解、养分循环和土传病害发生过程中发挥着引擎的作用。农田土壤微生物的群落结构主要受农田管理方式的影响,其中作物连作和轮作是重要的农田管理方式之一。在作物轮作和连作条件下,由于单一作物和多种作物组合后,土壤生态环境发生变化,导致土壤微生物的群落结构也产生相应的变化,进而影响土壤的生态功能。目前,关于作物长期连作对土壤微生物群落结构及相关功能微生物群落结构影响的系统研究鲜见报道。大豆、玉米和小麦是东北黑土区种植的主要旱地作物,因此,基于长达27年的田间定位试验开展黑土区三种典型旱地作物连作和轮作对土壤微生物影响的系统研究。采用Biolog、qPCR以及Illumina Miseq的方法系统研究了东北黑土区大豆、玉米和小麦在长期连作和轮作条件下土壤微生物的碳源代谢特征,土壤细菌、真菌、固氮菌和碱性磷酸酶基因群落结构的变化规律,以及潜在功能细菌和功能真菌的响应变化,主要结论如下:(1)大豆、玉米和小麦长期连作和轮作间的土壤微生物碳源代谢功能差异显著。三种典型旱地作物长期连作后显著降低了土壤微生物的代谢活性,大豆和小麦长期连作土壤微生物对糖类物质的利用率显著低于轮作,玉米长期连作土壤微生物对多聚物和胺类物质的利用率显著低于玉米轮作,三种作物之间土壤微生物群落对土壤碳源利用存在差异。(2)大豆、玉米和小麦长期连作后对土壤细菌群落结构产生显著影响。三种作物长期连作细菌的多样性显著降低,作物长期连作和轮作之间细菌群落结构差异显著,且三种作物之间的细菌群落结构的差异要大于长期连作和轮作之间的差异。三种作物长期连作显著降低了与C、N有关的优势功能细菌(Nocardioides、Pseudonocardia、Pseudolabrys、Nitrospira和Rhizobium等)的相对丰度。土壤pH是影响土壤细菌的丰度、多样性和群落结构的土壤因子。(3)大豆、玉米和小麦长期连作对土壤真菌群落结构的影响不同。大豆长期连作后真菌丰度显著高于大豆轮作,玉米长期连作后真菌丰度显著低于玉米轮作,而小麦长期连作后真菌丰度变化不显著。大豆长期连作真菌群落的多样性显著高于大豆轮作,作物长期连作和轮作之间真菌群落结构差异显著,三种作物之间的真菌群落结构的差异大于长期连作和轮作之间的差异。三种作物长期连作后属水平上的相对丰度有明显变化,三种作物长期连作的潜在致病菌(Fusarium、Cylindrocarpon和Gibberella等)的相对丰度显著高于轮作,大豆长期连作潜在的有益菌(Mortierella、Purpureocillium和Acremonium等)的相对丰度显著高于轮作,而在玉米和小麦长期连作潜在的有益菌(Purpureocillium、Metacordyceps和Metarhizium等)的相对丰度显著低于轮作。土壤pH是显著影响土壤真菌群落结构的土壤因子。(4)大豆、玉米和小麦长期连作和轮作之间固氮菌群落结构发生变化,三种作物之间的固氮菌群落结构也存在显著差异。大豆长期连作固氮菌丰度显著高于大豆轮作,而玉米和小麦长期连作固氮菌丰度显著低于玉米和小麦轮作。Proteobacteria和Bradyrhizobium为三种作物相对丰度最高的优势固氮菌门和菌属,玉米和小麦长期连作后Bradyrhizobium的相对丰度显著降低。土壤pH是影响固氮菌群落结构的主要土壤因子。(5)大豆、玉米和小麦长期连作后碱性磷酸酶基因在属水平上的群落组成发生明显变化。大豆长期连作后Afipia的相对丰度降低,玉米长期连作后Amycolatopsis和Acidovorax的相对丰度下降,小麦长期连作后Pseudomonas和Stenotrophomonas的相对丰度下降。三种作物长期连作之间的碱性磷酸酶基因的群落结构存在显著差异。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景与意义
•     1.1.1 黑土区主要旱地作物在轮作和连作条件下存在的问题
•     1.1.2 土壤微生物在作物轮作和连作过程中的功能
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 土壤微生物在农田生态系统中的作用
•     1.2.2 作物轮作和连作对土壤细菌群落的影响
•     1.2.3 作物轮作和连作对土壤真菌群落的影响
•     1.2.4 作物轮作和连作对土壤功能菌群落的影响
•     1.2.5 土壤微生物多样性研究方法
•   1.3 研究内容、技术路线和创新点
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
•     1.3.3 创新点
• 第2章 典型旱地作物轮作和连作对土壤微生物碳源代谢的影响
•   2.1 材料与方法
•     2.1.1 研究区概况
•     2.1.2 样品的采集与处理
•     2.1.3 Biolog微板法测定
•     2.1.4 数据统计分析
•   2.2 结果与分析
•     2.2.1 典型旱地作物轮作和连作土壤微生物平均颜色变化率的动态变化
•     2.2.2 典型旱地作物轮作和连作土壤微生物对各类碳源的利用特征
•     2.2.3 典型旱地作物轮作和连作土壤微生物功能的主成分分析
•     2.2.4 典型旱地作物长期连作土壤微生物代谢特性与土壤理化性质的相关性
•   2.3 讨论
•   2.4 小结
• 第3章 典型旱地作物轮作和连作对土壤细菌群落结构的影响
•   3.1 材料与方法
•     3.1.1 样品的采集与处理
•     3.1.2 土壤理化性质的测定
•     3.1.3 土壤总DNA的提取
•     3.1.4 细菌16S r RNA的荧光定量PCR
•     3.1.5 细菌16S r RNA的 Illumina Miseq高通量测序
•     3.1.6 Illumina Miseq高通量测序数据的分析方法
•     3.1.7 统计分析方法
•   3.2 结果与分析
•     3.2.1 典型旱地作物轮作和连作对土壤细菌丰度和群落组成的影响
•     3.2.2 典型旱地作物轮作和连作对土壤细菌群落多样性的影响
•     3.2.3 典型旱地作物轮作和连作对土壤功能细菌的影响
•     3.2.4 土壤细菌群落与土壤理化性质间的相关分析
•   3.3 讨论
•   3.4 小结
• 第4章 典型旱地作物轮作和连作对土壤真菌群落结构的影响
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 样品的采集与处理
•     4.1.2 真菌ITS的荧光定量PCR
•     4.1.3 真菌ITS的 Illumina Miseq高通量测序
•     4.1.4 Illumina Miseq高通量测序数据的分析方法
•     4.1.5 统计分析方法
•   4.2 结果与分析
•     4.2.1 典型旱地作物轮作和连作对土壤真菌丰度和群落组成的影响
•     4.2.2 典型旱地作物轮作和连作对土壤真菌群落多样性的影响
•     4.2.3 典型旱地作物轮作和连作对潜在的致病菌和潜在的有益菌的影响
•     4.2.4 土壤真菌群落与土壤理化性质间的相关分析
•   4.3 讨论
•   4.4 小结
• 第5章 典型旱地作物轮作和连作对土壤固氮菌群落结构的影响
•   5.1 材料与方法
•     5.1.1 样品的采集与处理
•     5.1.2 固氮菌nifH基因的荧光定量PCR
•     5.1.3 固氮菌nifH基因的Illumina Miseq高通量测序
•     5.1.4 Illumina Miseq高通量测序数据的分析方法
•     5.1.5 统计分析方法
•   5.2 结果与分析
•     5.2.1 典型旱地作物轮作和连作对土壤固氮菌丰度的影响
•     5.2.2 典型旱地作物轮作和连作对土壤固氮菌群落组成的影响
•     5.2.3 典型旱地作物轮作和连作对土壤固氮菌群落多样性的影响
•     5.2.4 土壤固氮菌群落与土壤理化性质间的相关分析
•   5.3 讨论
•   5.4 小结
• 第6章 典型旱地作物轮作和连作对土壤碱性磷酸酶基因多样性的影响
•   6.1 材料与方法
•     6.1.1 样品的采集与处理
•     6.1.2 碱性磷酸酶phoD基因的Illumina Miseq高通量测序
•     6.1.3 Illumina Miseq高通量测序数据的分析方法
•     6.1.4 统计分析方法
•   6.2 结果与分析
•     6.2.1 典型旱地作物轮作和连作对土壤碱性磷酸酶基因群落组成的影响
•     6.2.3 典型旱地作物轮作和连作对土壤碱性磷酸酶基因多样性的影响
•     6.2.4 土壤碱性磷酸酶基因与土壤理化性质间的相关分析
•   6.3 讨论
•   6.4 小结
• 第7章 结论与展望
•   7.1 研究结论
•   7.2 本研究的不足之处
•   7.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘杭

导师: 宋凤斌

关键词: 黑土区,轮作,连作,土壤微生物,高通量测序

来源: 中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)

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: 中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)

基金: 国家重点研发计划项目(2016YFD02003009,2016YFD0300806,2017YFD0300605),国家自然科学基金(41571219,41771327,41671299),国家公益性行业(农业)科研专项项目(GY2017ZB006)

分类号: S154.3

总页数: 149

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