土壤酸化对硝化和反硝化微生物类群结构及功能的影响
Impacts of Soil Acidification on the Structure and Function of the Nitrification and Denitrification Microbial Community

长期过量施氮导致了我国耕地土壤大面积酸化,对作物生产产生深刻的影响,并引发一系列环境问题.本研究以长期大量施氮导致不同酸化程度的设施菜田土壤为研究对象,采用实时定量PCR及高通量测序技术,研究种植1、3、5、7和9年土壤中硝化及反硝化关键微生物群落结构的演变特征,结合室内硝化势反硝化势测定及田间原位观测N2O排放规律,明确各关键微生物类群结构演变后功能的变化.研究结果对制定合理的氮肥管理措施,提高氮肥利用率,降低环境负面效应均具有实际意义.主要结果和结论如下:(1)随着种植年限的增加,各处理土壤都发生明显的酸化,种植1、3、5、7、9年土壤pH分别为7.00、6.33、5.69、4.88和4.31.除了土壤pH下降,土壤酸化也导致土壤其他理化指标显著改变.不同处理土壤全氮、全碳和可溶性有机碳分别在0.08-0.22%、0.69-1.5%和25.11-110.87 μg-1之间变化,均在种植5年处理含量最低.同时随酸化程度增加土壤铵态氮含量呈不断上升的趋势,pH为4.31处理达到166.11 mg N kg-1,但土壤NH3含量(0.55-9.07 uM)呈不断下降趋势.土壤硝态氮变化范围为18.13-618.75 mg N kg-1,种植3年和9年处理显著高于其他处理.(2)土壤酸化改变了氨氧化微生物的丰度和结构.随着种植年限和土壤酸度的增加,氨氧化细菌丰度呈先显著上升,后急剧下降的趋势,种植3年处理(pH=6.33)丰度最高,种植5-9年处理(pH<5.69)氨氧化细菌丰度没有差异但均显著小于中性处理(pH =7.00).相比氨氧化细菌,氨氧化古菌对土壤pH有较强的适应性,各处理氨氧化古菌丰度均显著高于氨氧化细菌丰度,分别高出1-3个数量级.土壤酸化显著降低氨氧化细菌的丰度和多样性,但对氨氧化古菌并没有显著影响,其中土壤pH和NH3含量是影响氨氧化细菌丰度的主要因素.土壤酸化后显著影响氨氧化微生物群落结构,但不同种群之间的酸适应能力有明显差别,如氨氧化古菌中OTU1、OTU4和OTU6广泛分布在各处理中,但OTU3仅在中性处理有较高的相对丰度.通过典型相关分析发现,土壤pH、NH3含量和土壤可溶性有机碳是影响氨氧化微生物种群分布的主要因素.通过系统发育分析发现大部分氨氧化细菌均属于Mitrosospira属,氨氧化古菌属于Nitrosopumius属、Nitrosotalea属和Nitrososphaera属.(3)随着酸化程度增加,不同种植年限氨氧化细菌和氨氧化古菌的功能也发生转变.在种植1-3年处理(pH>6.33)中氨氧化细菌占主导地位,种植1年和3年处理硝化贡献率分别为59.44%和61.99%;种植5年处理(pH=5.69)氨氧化古菌和氨氧化细菌地位开始转变,此时氨氧化细菌硝化贡献率达到63.22%;种植7和9年处理(pH<4.88)氨氧化古菌在土壤硝化作用中占绝对地位,94.72-98.27%硝化作用由氨氧化古菌贡献.相关分析表明氨氧化古菌丰度和硝化势并无显著相关性,但是氨氧化细菌丰度和硝化势呈极显著正相关性.(4)土壤酸化显著降低反硝化微生物的丰度和多样性,但不同反硝化微生物对pH的响应不同.其中,nirK型反硝化微生物种群丰度随着酸化程度增加逐渐降低;nirS型反硝化微生物种群丰度在种植3年处理最高,种植7和9年处理(pH<4.88)显著低于中性处理;而nosZ型反硝化微生物对pH比较敏感,仅在中性处理有较高的种群丰度.对比nirK型和nirS型反硝化微生物丰度发现,各处理nirS型反硝化微生物丰度均高于nirK型反硝化微生物丰度.由相关分析可知土壤pH和nirK,nirS及nosZ型硝化微生物种群丰度和多样性均具有显著正相关性.和氨氧化微生物相同,土壤酸化后对nirK,nirS及nosZ型反硝化微生物群落结构影响明显,但各种群都有自己独特的生态位,如nirK型反硝化种群的OTU43、OTU44等仅pH为5.69的处理有较高的相对丰度.通过典型相关分析发现,土壤pH和可溶性有机碳是影响反硝化微生物种群分布的主要因素.通过系统发育分析发现大部分nirS,nirK永nosZ基因型反硝化微生物种群均属于未培养细菌.(5)土壤酸化显著降低土壤反硝化势,增加N2O/(N2O+N2),促进N2O排放.由相关分析可知,nirK型反硝化微生物丰度与土壤反硝化势呈极显著正相关性,而nosZ型反硝化微生物丰度与N2O/(N2O+N2)呈极显著负相关性;此外反硝化微生物种群多样性与土壤反硝化势呈显著正相关,但与N2O/(N2O+N2)呈显著负相关性.由田间N2O观测发现,各处理N2O累积排放量均显著高于同期该地区传统小麦玉米轮作土壤.通过相关分析发现,N20累积排放量与土壤反硝化势并无相关性,而与土壤硝化势呈极显著正相关性.(6)此外,种植3年及9年处理土壤硝态氮含量分别高达379.59和618.75 mg N kg-1,而二者硝化潜势均显著高于中性处理,此时的硝酸盐环境淋洗风险较大.