長期不同施肥對中國東北黑土甲烷氧化菌群落特征與功能的影響

【摘要】：不同施肥方式對我國旱地農(nóng)田土壤甲烷氧化影響的微生物機制尚不明確。本研究以“黑龍江省黑河農(nóng)科所長期定位試驗站”與“哈爾濱黑土肥力長期定位試驗站”的長期定位施肥試驗為研究對象,采集以下四個施肥處理:1)對照(CK,不施肥);2)有機肥(M);3)無機肥(黑河:NP;哈爾濱:NPK);4)有機肥+無機肥(黑河:MNP;哈爾濱:MNPK),分別代表低投入、有機農(nóng)業(yè)、無機農(nóng)業(yè)和常規(guī)農(nóng)業(yè)施肥方式。利用氣相色譜測定土壤甲烷氧化速率,分別利用聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)、變性梯度凝膠電泳(DGGE)和實時熒光定量PCR(QCR)技術(shù)測定甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與豐度,研究了長期不同施肥下土壤甲烷氧化速率與土壤物理化學(xué)性質(zhì)和甲烷氧化菌群落特征的關(guān)系。主要研究結(jié)果如下: 1、與CK處理相比,長期無機肥處理(NP/NPK)后,黑河試驗點土壤甲烷氧化速率變化不明顯,而哈爾濱試驗點土壤甲烷氧化速率下降了79.1%;長期M處理后黑河和哈爾濱試驗點土壤甲烷氧化速率均無明顯變化;長期有機肥無機肥配施處理(MNP/MNPK)后黑河和哈爾濱兩個試驗點土壤甲烷氧化速率均顯著下降,分別下降了61.2%和52.9%。 2、將土壤甲烷氧化速率除以甲烷氧化菌群落豐度(pmoA基因豐度)得到甲烷氧化菌的比活性,結(jié)果表明施用有機肥的黑河試驗點土壤(M和MNP)甲烷氧化菌的比活性顯著低于不施有機肥的土壤(CK和NP);與CK相比,哈爾濱試驗點土壤M處理顯著降低了甲烷氧化菌比活性,而NPK和MNPK處理無顯著變化。 3、DGGE圖譜表明,與CK相比,黑河試驗點長期施用有機肥處理(M和MNP)土壤條帶數(shù)量顯著增多,NP處理無明顯變化;哈爾濱試驗點M和MNPK處理也增加了條帶數(shù)量,而NPK處理土壤條帶數(shù)量明顯減少。DGGE圖譜數(shù)字化結(jié)果表明,黑河試驗點M和MNP處理Shannon指數(shù)顯著提高,NP處理變化不明顯;與CK相比,哈爾濱試驗點MNPK處理土壤的Shannon指數(shù)顯著提高,而NPK處理的Shannon指數(shù)顯著下降,M處理則無明顯變化。 4、定量PCR結(jié)果表明,與CK相比,黑河試驗點M和MNP處理pmoA基因豐度顯著提高,NP處理變化不明顯;哈爾濱試驗點M處理顯著提高了土壤pmoA基因豐度,NPK和MNPK處理變化不明顯。 5、黑河試驗點土壤甲烷氧化速率與甲烷氧化菌比活性呈顯著正相關(guān),相關(guān)性系數(shù)及顯著性為0.685(p = 0.014);哈爾濱試驗點土壤甲烷氧化速率與甲烷氧化菌群落豐度和甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)呈顯著正相關(guān),相關(guān)性系數(shù)及顯著性分別為0.648(p = 0.032)和0.304 (p = 0.020),表明供試土壤甲烷氧化速率與甲烷氧化菌群落特征存在密切的聯(lián)系。 6、冗余分析結(jié)果表明,甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與黑河試驗點土壤pH、TN、OM呈顯著正相關(guān),相關(guān)性系數(shù)及顯著性分別為0.825(p = 0.002,pH)、0.620(p = 0.002,TN)和0.500(p = 0.006,OM);與哈爾濱試驗點土壤Moisture、pH呈顯著正相關(guān),相關(guān)性系數(shù)及顯著性分別為0.359(p = 0.006,Moisture)、0.303(p = 0.010,pH)。此結(jié)果明確表明土壤物理和化學(xué)性質(zhì)影響了土壤甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)。 7、黑河試驗點土壤甲烷氧化菌pmoA基因系統(tǒng)發(fā)育樹表明,施用有機肥使土壤中I型甲烷氧化菌由原來的Cluster 2全部轉(zhuǎn)換為甲基暖菌屬,而施用有機肥對于II型甲烷氧化菌沒有明顯的影響。 綜上所述,本研究表明長期不同施肥可以通過改變黑土土壤物理和化學(xué)性質(zhì)影響甲烷氧化菌群落特征,進而改變土壤甲烷氧化速率。特別的是,黑河暗棕壤有機肥處理土壤中I型甲烷氧化菌由原來的Cluster 2全部轉(zhuǎn)換為甲基暖菌屬,而II型甲烷氧化菌沒有明顯的改變。應(yīng)該指出的是,黑河土壤甲烷氧化菌群落豐度與甲烷氧化速率缺乏緊密的聯(lián)系,表明黑河有機肥處理土壤中只有部分甲烷氧化菌是“活躍”的。因此,進一步明確如何激活施用有機肥土壤中大量“不活躍”的甲烷氧化菌,將會大幅度增加土壤氧化甲烷的潛力。 【關(guān)鍵詞】：甲烷氧化菌 pmoA基因 實時定量PCR 甲烷氧化速率 群落特征 冗余分析 Monte Carlo檢驗 PCR-DGGE
【學(xué)位授予單位】：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：S154.3
【目錄】：

• 摘要2-4
• SUMMARY4-8
• 第一章 文獻綜述8-17
• 1.1 引言8
• 1.2 甲烷的排放與氣候變化8-10
• 1.3 甲烷氧化菌的研究概況10-13
• 1.3.1 甲烷氧化菌的重要性10-11
• 1.3.2 甲烷氧化菌的形態(tài)分類以及不同結(jié)構(gòu)功能適應(yīng)性機制11-13
• 1.3.3 甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)13
• 1.4 農(nóng)業(yè)管理方式對土壤吸收甲烷功能的影響13-17
• 1.4.1 長期定位施肥13-14
• 1.4.2 氮肥施用14-15
• 1.4.3 有機肥施用15
• 1.4.4 土地利用方式與土壤耕作15-17
• 第二章 研究思路17-20
• 2.1 課題背景17-18
• 2.2 研究內(nèi)容及目的18
• 2.3 技術(shù)路線18-20
• 第三章 材料與方法20-27
• 3.1 研究地區(qū)概況20-21
• 3.2 試驗設(shè)計21
• 3.3 樣品采集與預(yù)處理21
• 3.4 實驗方法21-26
• 3.4.1 土壤養(yǎng)分與基本物理化學(xué)性質(zhì)分析21
• 3.4.2 土壤甲烷氣體氧化速率測定21
• 3.4.3 土壤微生物總DNA 提取21-22
• 3.4.4 基因組DNA 的PCR 擴增22-23
• 3.4.5 變性梯度凝膠電泳（DGGE）23-24
• 3.4.6 克隆24-25
• 3.4.7 實時熒光定量PCR25-26
• 3.5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與分析26-27
• 第四章 結(jié)果與分析27-40
• 4.1 長期施肥對黑河暗棕壤甲烷氧化菌群落特征與功能的影響27-33
• 4.1.1 土壤養(yǎng)分與物理化學(xué)性質(zhì)27
• 4.1.2 土壤甲烷氧化速率27-28
• 4.1.3 土壤甲烷氧化菌群落特征28-30
• 4.1.4 甲烷氧化速率與甲烷氧化菌群落特征的相關(guān)性30-31
• 4.1.5 甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與土壤性質(zhì)的相關(guān)性31-32
• 4.1.6 甲烷氧化速率、比活性與土壤性質(zhì)的相關(guān)性32
• 4.1.7 甲烷氧化菌pmoA 基因系統(tǒng)進化樹的構(gòu)建32-33
• 4.2 長期施肥對哈爾濱土壤甲烷氧化菌群落特征與功能的影響33-40
• 4.2.1 土壤甲烷氧化速率33-34
• 4.2.2 土壤養(yǎng)分與物理化學(xué)性質(zhì)34
• 4.2.3 甲烷氧化菌的群落特征34-37
• 4.2.4 甲烷氧化速率與甲烷氧化菌群落特征的相關(guān)性37
• 4.2.5 甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與土壤性質(zhì)的相關(guān)性37-38
• 4.2.6 甲烷氧化速率、比活性與土壤性質(zhì)的相關(guān)性38-40
• 第五章 討論40-44
• 5.1 不同施肥對土壤甲烷氧化速率的影響40-41
• 5.2 不同施肥對土壤甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與豐度的影響41-42
• 5.3 土壤性質(zhì)、甲烷氧化速率、比活性的關(guān)系42-43
• 5.4 土壤性質(zhì)、甲烷氧化速率與甲烷氧化菌群落特征的關(guān)系43-44
• 第六章 結(jié)論與展望44-47
• 6.1 結(jié)論44-45
• 6.2 研究展望45-47
• 致謝47-48
• 參考文獻48-55
• 作者簡介55-56
• 導(dǎo)師簡介56-59

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