长期施肥条件下青藏高原高寒草甸土壤中反硝化细菌丰度和群落结构的季节性变化研究

发布时间：2020-05-25 10:42

【摘要】：作为生物体必需的营养元素之一,氮(N)往往是地上生物量和初级生产者的限制因素,因此,氮循环一直是生态学领域研究的热点。大量研究表明,微生物在整个氮循环中起着非常重要的作用,由反硝化细菌参与的反硝化过程作为温室气体的主要来源之一,已经得到人们的广泛关注。青藏高原很少受到人为干扰,对全球气候变化极为敏感。然而,近年来自然灾害(如鼠害)和人为因素(如过度放牧)导致高寒草甸严重退化,这不仅阻碍了当地畜牧业的发展,同时也对青藏高原整个生态系统的稳定性和可持续发展造成了重大影响。为了增加牧民的收益,维持生态系统的稳定性,施肥被认为是主要的恢复措施。然而大量关于青藏高原的研究表明施肥对地上植物群落组成和多样性具有较大影响,但是关于高寒草甸地下微生物如何响应施肥的研究却较少。本研究以甘南州玛曲县高寒草甸为研究对象,采用构建克隆文库和实时荧光定量PCR技术相结合的方法,研究了三个季节不同的施肥梯度(0,30,60,90,120 g m-2 year-1)对反硝化细菌丰度和群落结构多样性的影响,同时揭示了高寒草甸土壤中反硝化细菌丰度和群落结构与环境因素和植物群落之间的关系。实验主要得到以下结果：1.长期施肥对反硝化细菌丰度的影响基于nirK基因的实时荧光定量PCR结果显示,施肥对高寒草甸土壤中反硝化细菌的丰度没有显著地影响(p0.05)。不同施肥处理下nirK基因拷贝数在7.43(±1.08)×106到2.33 (±0.15)×107 copies g-1 dry soil之间变化,与不施肥的处理相比,施肥增加了nirK基因的拷贝数,但是随着施肥梯度的增加不同施肥处理之间nirK基因的拷贝数并没有发生显著地变化。2.长期施肥对反硝化细菌群落结构组成的影响nirK基因克隆文库结果显示：长期施肥明显的改变了反硝化细菌的群落结构(r--0.5212,p=0.001)。1)三个季节508条序列总共划分为9个Cluster,其中Cluster Ⅰ (59.97～94.96%)占主导优势、Cluster Ⅳ, Cluster IV次之,而Cluster Ⅱ、 Ⅲ、Ⅴ、Ⅷ、Ⅸ中克隆子分布较少。2)不同施肥处理之间,nirK群落组成有所变化。5月份中,随施肥梯度的增加,Cluster Ⅰ总体呈现下降的趋势；Cluster Ⅴ只在施肥30,60,90里面出现,且随施肥梯度增加而增加。7月份中,Cluster Ⅳ随施肥梯度的增加而逐渐减少；Cluster Ⅵ只是在施肥处理中出现,而Cluster Ⅸ只在不施肥的处理中出现。9月份中,不同施肥处理之间,Cluster Ⅰ变化不明显；Cluster Ⅷ只在不施肥的处理中出现。3.反硝化细菌丰度和群落结构与环境因素之间的关系Pearson相关性分析表明,施肥处理中nirK基因与土壤环境因子之间没有显著地相关性(p0.05)。而NMDS分析表明：土壤湿度、有机C含量和N含量对nirK群落结构具有显著地影响(p0.05)。5月份中,土壤NH4+-N, total N、 available N和N03--N是影响nirK群落结构的主要因子(p0.05)；7月份中,土壤有机C、total N、available N和N03--N是nirK群落结构变化的主要影响因素(p0.05)。而9月份中,则只有土壤湿度(r2=0.4137,p=0.03)影响nirK群落结构变化。4.反硝化细菌丰度和群落结构的季节性变化不施肥的处理中,nirK基因的拷贝数有明显的季节变化(F4=9.367,p=0.004)。7月份最高,其拷贝数分别是5月份和9月份的2.6倍和2.2倍。Pearson相关性分析表明,nirK基因与土壤湿度(r=0.604,p=0.022)成正相关,而与土壤有机C (r=-0.838, p0.001)、total N (r=-0.783, p=0.001)成负相关。nirK群落结构也有明显的季节变化(p0.05)。NMDS分析表明：土壤湿度、有机C、total N和N03--N对nirK群落结构具有较大的影响。5.反硝化细菌群落结构与植物群落结构之间的关系对反硝化微生物群落结构和植物群落作mantel's test检验,分析发现：植物多样性对反硝化细菌群落结构组成具有显著地影响(r=0.3631,p=0.003)；而植物群落结构组成的变化并没有影响反硝化细菌的群落结构组成,二者之间没有明显的相关关系(p0.05)。这一研究结果表明,本研究中反硝化细菌的群落结构受地上植物多样性的影响,而不受植物群落结构的影响。综上所述,长期施肥明显改变了反硝化细菌的群落结构组成,但对其丰度影响不大；反硝化细菌的丰度和群落结构都具有显著地季节变化；植物群落对反硝化细菌群落结构没有显著地影响,而植物多样性、土壤湿度、有机C含量和N含量对nirK群落结构具有显著地影响(p0.05)。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S812.2

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