中国东北黑土区设施土壤细菌群落的时空变化及其驱动因素

论文摘要

东北黑土区土壤有机质含量高,营养丰富,是我国最重要的商品粮生产基地。近年来,化肥、农药和塑料薄膜的大量使用导致一些石化产品大量输入并积累在土壤,最终致使东北黑土区农田生态系统出现了一系列的有机污染和重金属污染等问题。微生物是土壤生态系统中最活跃且最重要的生物组成,在驱动生物地球化学过程、控制病原体和最终使生态系统能够发挥作用并为人类提供服务方面发挥着关键作用。土壤微生物对环境胁迫响应较为敏感,其组成和多样性的变化可以及时地反映土壤质量的变化,是评估由自然或人为干扰引起的土壤变化的关键指标。土壤微生物在全球范围表现出明显的空间分布格局,其群落结构主要受当代环境因素和历史进化因素的影响。为了更好地了解黑土中细菌群落的组成、多样性及其驱动因素,本研究在东北黑土区选择了9个具有类似的常规管理的设施农业用地进行取样,基于Illumina Miseq测序技术在一个大的空间尺度上对它们进行了描述。本研究的主要结果如下:(1)土壤有机质(SOM)、p H、阳离子交换量(CEC)、全磷(TP)、速效磷(AP)和全氮(TN)等在季节上的变化没有呈现特定的规律性,但是这些理化性质与纬度具有相关性,除土壤全氮,其他性质与纬度均为正相关。(2)设施农业黑土不同季节细菌群落的α多样性的差异性表现为:夏季>秋季>冬季>春季。基于OUT(可操作性分类单元)水平的主成分分析发现,细菌群落分布表现出明显的季节差异,夏季和秋季的细菌群落类似,春季和冬季类似,但夏秋季节和春冬季节的细菌群落显著不同。不同地区的春季土壤细菌的α多样性差异较大,将α多样性指数与理化性质和地理纬度进行相关性分析发现,OTU数与土壤全磷(r=0.783,P=0.013)呈显著相关性,Shannon指数与土壤p H(r=0.700,P=0.036)和有机质(r=0.683,P=0.042)呈显著相关性,但α多样性指数与纬度没有显著相关性。(3)Illumina Miseq测序结果表明,设施农业黑土中检出37个门、89个纲和538个属,不同季节的优势菌门和优势菌纲基本一致且丰度差异不大。夏季与秋季、春季与冬季优势菌属一致且丰度基本一致,但夏秋季节与春冬季节属水平细菌群落丰度差异较大。不同地区土壤细菌群落的优势菌门和优势菌纲基本相同,但其丰度差异较大。(4)土壤优势菌属与土壤理化性质和PAEs(酞酸酯)的主成分分析显示土壤性质(即p H、有机质、容重和氮钾磷含量)和PAEs水平,而非地理纬度解释了是细菌群落结构的主要变异。这些因素共占细菌群落总变异的73.04%。其中,PAEs作为一种典型的土壤污染物是驱动设施农业黑土中细菌群落组成的主要因素。

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英文摘要

1 引言

1.1 研究背景

1.2 微生物的物种多样性时空尺度

1.2.1 微生物的物种多样性

1.2.2 物种多样性与尺度效应

1.3 土壤微生物群落的影响因素

1.3.1 土壤类型和植被

1.3.2 气候

1.3.3 塑料薄膜

1.3.4 农药和化肥

1.4 土壤微生物的研究方法

1.4.1 平板纯培养法

1.4.2 磷脂脂肪酸法

1.4.3 微平板分析法

1.4.4 分子生物学技术

1.5 研究目的及意义

1.6 研究内容及技术路线

1.6.1 研究内容

1.6.2 技术路线

1.7 课题来源

2 材料与方法

2.1 试验材料与仪器

2.1.1 研究区域概况

2.1.2 供试土壤样品

2.1.3 试验药品

2.1.4 试验仪器

2.2 试验设计

2.3 试验方法

2.3.1 土壤样品的采集及前处理

2.3.2 土壤理化指标的测定

2.3.3 土壤中主要污染物的测定

2.3.4 Illumina Miseq高通量测序

2.4 Illumina Miseq高通量数据分析

2.4.1 物种分类学分析

2.4.2 α-多样性分析

2.4.3 β-多样性分析

3 结果与分析

3.1 设施黑土理化性质的时空变化特征

3.1.1 土壤pH的时空变化

3.1.2 土壤有机质的时空变化

3.1.3 土壤阳离子交换量的时空变化

3.1.4 土壤全氮的时空变化

3.1.5 土壤全磷的时空变化

3.1.6 土壤速效磷的时空变化

3.1.7 土壤速效钾的时空变化

3.2 设施黑土细菌群落多样性分析

3.2.1 设施黑土细菌群落的α多样性

3.2.2 设施黑土细菌群落的β多样性

3.3 设施黑土细菌群落丰度时空分布特征

3.3.1 细菌群落门水平时空分布特征

3.3.2 细菌群落纲水平时空分布特征

3.3.3 属水平细菌群落丰度的时空变化特征

3.4 设施黑土细菌群落的驱动因素分析

3.4.1 驱动因素的筛选

3.4.2 优势菌属与环境因子的主成分分析

3.4.3 优势菌属与环境因子的相关性分析

4 讨论

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张杏

导师: 闫立龙

关键词: 设施农业黑土,细菌群落,驱动因素,酞酸酯

来源: 东北农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,农业科技

专业: 生物学,环境科学与资源利用,农业基础科学,农艺学

单位: 东北农业大学

基金: 国家杰出青年科学基金黑土污染与生物修复(41625002)

分类号: X53;S154.3

总页数: 59

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