圆叶决明对果园红壤可溶性氮及细菌群落动态变化的影响

论文摘要

本研究对亚热带丘陵山地果园红壤可溶性氮动态及其微生物学机理、果园红壤细菌群落结构和功能对绿肥施用或套种的响应机制尚不清楚等相关问题,采用常规土壤农化分析方法和微生物高通量测序方法,通过模拟培养和果园套种试验相结合,研究豆科绿肥施用和套种对果园红壤可溶性氮以及细菌群落的影响。模拟培养试验以空白（CK）和添加杂交狼尾草（P）为对照,研究两种温度（15℃和25℃）恒温恒湿培养180d,果园红壤施用圆叶决明（J）后土壤可溶性氮含量、细菌群落数量、结构和组成等的动态变化;果园套种试验以清耕处理（TPN）为对照,研究长期套种圆叶决明（TPC）对土壤氮素状况、细菌群落数量、结构和组成的变化,分析阐明圆叶决明对亚热带果园红壤可溶性氮和微生物群落的影响机理,为圆叶决明作为豆科绿肥的推广应用提供理论依据。主要研究结论如下:1、两种温度恒温恒湿培养条件下,供试果园红壤添加圆叶决明后,培养初期（10～40d）,有降低果园红壤TSN、SON和SIN含量的趋势,其中,SIN含量达到显著水平;培养中后期（40/60～180d）,显著增加了果园红壤TSN、SON和SIN含量。与添加禾本科的杂交狼尾草的处理相比,两种温度恒温恒湿培养,添加豆科的圆叶决明显著增加了果园红壤TSN、SIN和SON含量。25℃恒温恒湿培养条件果园红壤TSN、SIN和SON含量高于15℃培养。2、两种温度恒温恒湿培养,添加圆叶决明对果园红壤不同分类水平（门、冈、目、科和属）细菌种群数均产生显著影响。其中,添加圆叶决明与空白对照之间的差异大于添加圆叶决明与添加杂交狼尾草之间的差异。15℃恒温恒湿培养添加圆叶决明对果园红壤细菌种群数的影响发生在培养全期,而25℃恒温恒湿培养的影响主要发生在培养10～80d。培养温度对添加圆叶决明的果园红壤不同分类水平细菌的种群数也产生显著影响,在不同分类水平（门、冈、目、科和属）均存在相对丰度具有显著性差异的细菌种群数。3、两种温度恒温恒湿培养,添加圆叶决明对果园红壤细菌种群数造成显著影响。添加圆叶决明至果园红壤显著提高了门水平变形菌门和拟杆菌门细菌的相对丰度,及属水平Rhizomicrobium属、苯基杆菌、慢生根瘤菌属、中生根瘤菌属、Devosia属、马赛菌属、伯克霍尔德菌属、粘细菌属、Acidibacter属、CandidatusKoribacter属、Mucilaginibacter属和Niastella属的相对丰度;显著降低了鞘氨醇单胞菌属、Variibacter属、Pseudolabrys属、溶杆菌属、CandidatusSolibacter属、Bryobacter属和嗜酸栖热菌属的相对丰度。显著降低了门水平酸杆菌门、放线菌门、厚壁菌门、绿弯菌门和疣微菌门相对丰度,及属水平鞘氨醇单胞菌属、芽单胞菌属、Variibacter属、Pseudolabrys属、溶杆菌属、CandidatusSolibacter属、Bryobacter属和嗜酸栖热菌属相对丰度。4、两种温度恒温恒湿培养,添加圆叶决明改变了果园红壤细菌群落组成、结构、特征和功能。添加圆叶决明改变了果园红壤门和属水平细菌群落组成,显著降低了细菌Simpson指数和Shannon指数;25℃培养10～80d,则显著增加了ACE指数和Chao1指数显著。与添加禾本科的杂交狼尾草的处理相比,添加豆科圆叶决明的处理提高了果园红壤细菌Simpson指数,对Shannon指数。培养温度对添加圆叶决明的果园红壤细菌群落多样性也产生显著影响,恒温恒湿培养10～30d,25℃培养较15℃培养果园红壤细菌Simpson指数和Shannon指数显著提高;而培养100～180d,则相反。添加圆叶决明改变了果园红壤门和属水平细菌群落结构,15℃恒温恒湿培养影响土壤细菌群落结构的因素排序为:是否添加有机物料、培养时间和有机物料种类差异。25℃恒温恒湿培养影响土壤细菌群落结构的因素排序为:培养时间、是否添加有机物料和有机物料种类差异。5、两种温度恒温恒湿培养下,添加圆叶决明均对果园红壤属水平细菌群落功能造成显著影响。添加圆叶决明至果园红壤显著增加了土壤主要氨基酸代谢途径和其它氨基酸代谢途径的功能基因比例,降低了能量代谢过程、Global and overview maps过程和碳水化合物代谢过程相关功能基因的比例。门和属水平细菌与可溶性氮的灰色关联度分析结果表明,绿弯菌门和硝化螺旋菌门对果园红壤SIN的生成贡献率大,是形成SIN的主要驱动力,而变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和浮霉菌门与SON关联度大,是形成SON的主要细菌门。鞘氨醇单胞菌属、慢生根瘤菌属、Acidibacter属、CandidatusSolibacter属和Bryobacter属与SIN关联度大,是形成SIN的主导因素;鞘氨醇单胞菌属、Rhizomicrobium属、慢生根瘤菌属、苯基杆菌属、Acidibacter属、CandidatusSolibacter属、中生根瘤菌属和Bryobacter属与SON关联度大,是形成SON的主导因素。6、长期套种圆叶决明春秋两季能显著增加果园红壤TSN、SIN和SON含量,提高土壤供氮能力,但0-20cm土层夏季高温季节（8月）SON含量有降低趋势,且有向下土层迁移的趋势。高温季节（6月和8月）,TPN（CK）和TPC（套种圆叶决明）处理果园红壤可溶性氮以SON为主,而12月和2月则相反;4月和10月TPN处理果园红壤可溶性氮以SIN为主,而TPC处理则以SON为主。长期种植豆科圆叶决明显著提高了果园红壤TN、TP、AN、NO3--N和有机质含量。高通量测序结果表明,长期套种圆叶决明显著改变了土壤细菌群落的组成、结构和特征,表现为显著降低了厚壁菌门、绿弯菌门、WPS-2和浮霉菌门相对丰度;显著增加了变形菌门和硝化螺旋菌门相对丰度。长期套种圆叶决明的果园红壤细菌群落的Simpson指数、Shannon指数、Chao1指数和ACE指数均显著降低。

论文目录

中英文对照

摘要

ABSTRACT

第一章引言

1 土壤可溶性氮研究进展

1.1 土壤可溶性氮

1.2 豆科绿肥对土壤可溶性氮的影响

2 土壤微生物研究进展

2.1 土壤微生物数量和组成

2.2 土壤微生物群落特征

2.3 土壤微生物群落功能

2.4 土壤微生物的影响因素

2.5 高通量测序法在土壤微生物研究上的应用

2.6 豆科绿肥对土壤微生物的影响研究进展

3 存在问题与主要研究内容

3.1 存在问题

3.2 本研究的意义和主要研究内容

3.3 本研究的技术路线

第二章添加圆叶决明对果园红壤可溶性氮的影响

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.2 试验设计

1.3 研究方法

1.4 数据统计与分析

2 结果分析

2.1 不同处理果园红壤可溶性总氮（TSN）及其动态变化差异分析

2.2 不同处理果园红壤可溶性无机氮（SIN）及其动态变化差异分析

2.3 不同处理果园红壤可溶性有机氮（SON）及其动态变化差异分析

3 讨论

4 小结

第三章添加圆叶决明对果园红壤细菌种群数量的影响

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.2 研究方法

1.3 数据统计与分析

2 结果分析

2.1 不同处理不同分类水平具有差异性的果园红壤细菌种群数分析

2.2 基于门水平的不同处理果园红壤细菌相对丰度差异分析

2.3 基于属水平的不同处理果园红壤细菌相对丰度差异分析

2.4 门水平和属水平细菌关联度分析

3 讨论

3.1 添加圆叶决明后果园红壤不同分类水平细菌种群数量的差异

3.2 添加圆叶决明对门水平果园红壤细菌相对丰度的影响

3.3 添加圆叶决明对属水平果园红壤细菌相对丰度的影响

4 小结

第四章添加圆叶决明对果园红壤细菌群落组成与结构特征的影响

1 研究方法

1.1 群落组成分析

1.2 热图（Heatmap）聚类分析

1.3 Alpha多样性指数分析

1.4 主成分（PCA）分析

1.5 数据统计与分析

2 结果与分析

2.1 不同处理果园红壤细菌群落组成差异分析

2.2 不同处理果园红壤细菌群落特征动态变化差异性分析

2.3 基于属水平不同处理果园红壤细菌群落组成聚类热图分析

2.4 基于属水平不同处理果园红壤细菌群落PCA分析

3 讨论

3.1 添加圆叶决明对果园红壤细菌群落组成的影响

3.2 添加圆叶决明对果园红壤细菌群落多样性的影响

3.3 添加圆叶决明对果园红壤细菌群落结构的影响

4 小结

第五章添加圆叶决明后细菌功能预测及与可溶性氮的关系

1 研究方法

1.1 KEGG分析

1.2 灰色关联度分析

1.3 数据统计与分析

2 结果与分析

2.1 果园红壤细菌群落KEGG功能分类分析

2.2 果园红壤主要代谢过程功能基因的差异性分析

2.3 果园红壤SON、SIN与细菌门的灰色关联度分析

2.4 果园红壤SON、SIN含量与细菌属的灰色关联度分析

3 讨论

3.1 添加圆叶决明后果园红壤细菌群落KEGG功能分类及代谢功能基因变化

3.2 添加圆叶决明后果园红壤细菌群落对可溶性氮的作用机制

4 小结

第六章套种圆叶决明后果园红壤可溶性氮的季节动态变化

1 材料与方法

1.1 研究区概述

1.2 试验设计

1.3 土壤样品采集

1.4 研究方法

1.5 数据统计与分析

2 结果与分析

2.1 套种圆叶决明对果园红壤TSN含量影响及季节性动态变化

2.2 套种圆叶决明对果园红壤SON含量影响及季节性动态分析

2.3 套种圆叶决明对果园红壤SIN含量的影响及季节性动态

2.4 不同处理果园红壤SON/TSN的差异及季节性动态

3 讨论

4 小结

第七章套种圆叶决明对果园红壤细菌群落的影响

1 材料与方法

1.1 研究区概述

1.2 试验设计

1.3 土壤样品采集

1.4 研究方法

1.5 数据统计与分析

2 结果与分析

2.1 套种圆叶决明后果园红壤理化性状分析

2.2 套种圆叶决明后果园红壤细菌OUT物种数变化分析

2.3 套种圆叶决明后果园红壤细菌群落组成差异

2.4 套种圆叶决明后果园红壤细菌相对丰度差异性分析

2.5 套种圆叶决明后果园红壤细菌群落多样性分析

2.6 基于属水平的果园红壤细菌群落热图分析

2.7 基于属水平的果园红壤细菌群落PCA分析

3 讨论

3.1 套种圆叶决明对果园红壤理化性状的影响

3.2 套种圆叶决明对果园红壤细菌群落多样性的影响

3.3 套种圆叶决明对果园红壤细菌群落组成与结构的影响

4 小结

第八章主要结论与展望

1 主要研究结论

1.1 圆叶决明降解中后期果园红壤可溶性氮含量显著提高

1.2 圆叶决明降解过程改变果园红壤细菌种群数量及群落组成和结构

1.3 圆叶决明降解过程改变细菌功能及影响可溶性氮形态和含量

1.4 长期套种圆叶决明显著提高果园红壤供氮能力和改变土壤细菌群落结构

2 创新点

3 展望

参考文献

攻读学位期间的学术论文与研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 钟珍梅

导师: 邢世和,翁伯琦

关键词: 圆叶决明,果园红壤,土壤可溶性氮,细菌群落组成,细菌多样性

来源: 福建农林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农业基础科学,农艺学,农艺学

单位: 福建农林大学

基金: 国家自然科学基金项目(41671490),福建省科技重大专项(2015NZ20002-1),福建省农科院科研专项(YC2016-12),福建省属公益类科研院所基本科研专项(2018R1016),国家科技支撑计划课题(2012BAD14B15),福建省自然科学基金项目(2018J01034)

分类号: S154.3;S153

DOI: 10.27018/d.cnki.gfjnu.2019.000016

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