氮磷添加对杉木林土壤磷有效性影响的微生物机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘霜 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 张心昱 |
| 关键词 | 磷有效性 磷循环功能基因 根际热点区 原位酶谱 原生生物 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 中国亚热带地区是全球大气氮沉降最严重的地区之一，氮沉降导致土壤酸化 和生态系统氮磷比失衡，加剧亚热带土壤磷限制。杉木是亚热带地区重要的经济 树种。根际是研究植物和微生物获取磷养分以及植物—土壤—微生物相互作用的 “热点区”。因此，在氮沉降增加背景下，研究亚热带杉木林土壤磷有效性的影 响机制，对亚热带杉木林生态系统磷养分管理具有重要意义。 土壤有效磷是指能被植物和微生物直接利用的磷酸盐化合物，通常用土壤有 效磷含量、土壤有效磷占总磷的比值等参数来表征。植物和微生物获取有效磷的 主要途径是其分泌的磷酸酶水解有机磷，以往的研究多数只关注了磷酸酶的活性 和编码磷酸酶的功能基因丰度对有效磷的影响，较少关注参与磷循环的磷吸收与 转运、无机磷溶解、磷饥饿响应调节等功能基因和微生物种群丰度和多样性对磷 有效性的影响。目前对氮磷添加影响亚热带杉木林土壤磷有效性的微生物机制还 缺乏全面的理解。 本研究依托亚热带杉木林野外长期氮磷添加控制试验和氮磷添加—根箱培 养—原位酶谱实验，长期氮磷添加试验样地自 2011 年开始，处理包括对照、氮 添加（50 kg N ha -1 year -1）、磷添加（50 kg P ha -1 year -1）、以及氮磷混合添加（50 kg N ha -1 year -1 和 50 kg P ha -1 year -1）。氮磷添加—根箱培养—原位酶谱实验于 2021 年实施，处理包括对照、氮添加（150 mg N 根箱-1）、磷添加（150 mg P 根 箱-1）、以及氮磷混合添加（150 mg N 和 150 mg P 根箱-1）。采集不同土层和根际 热点区土壤样品，测定土壤磷循环微生物和原生生物种群丰度和多样性、土壤原 位磷酸酶活性、土壤磷酸酶动力学参数、土壤和植物基本特征等，分析氮磷添加 对亚热带杉木林土壤剖面和根际热点区土壤磷有效性影响的微生物机制。主要研 究结果如下： (1)随着土壤剖面深度增加，杉木林土壤磷有效性逐渐降低，在 0-10 cm 土壤 有效磷含量为 5-13 mg kg -1，在 10-40 cm 土壤有效磷含量为 0.6-5 mg kg -1。相关 分析表明，在 0-10 cm 土壤有效磷含量的主要影响因素是磷酸酶催化效率 （R 2=0.99），在 10-40 cm 土壤有效磷含量的主要影响因素是土壤总磷含量 （R 2=0.95）。表明表层土壤的磷酸酶催化效率对有机磷的矿化是土壤有效磷含量 的主要来源，深层土壤的总磷的风化或溶解是土壤有效磷含量的主要来源。 (2)野外 9 年氮添加控制试验结果表明，氮添加通过影响磷循环功能微生物 群落调节土壤磷有效性。一方面，氮添加导致土壤 pH 降低 0.28 个单位，增加了 磷吸收与转运功能基因 pstB 和关键种功能微生物 Actinobacteria 的相对丰度，提 高了磷循环微生物群落多样性，从而提高土壤磷酸酶催化效率。另一方面，氮添加增加土壤有效氮含量，提高关键种 Actinobacteria 相对丰度和多样性，从而提 高表层土壤磷酸酶催化效率和磷有效性。 (3)野外 9 年磷添加控制试验结果表明，从土壤养分资源—微生物—原生生 物食物网的角度分析发现，磷养分供应增加导致原生生物 Alpha 多样性（Shannon 指数）提高，间接增加了磷循环关键种微生物 Actinobacteria 和 Acidobacteria 相 对丰度，从而提高了土壤磷酸酶催化效率。磷添加处理下编码磷饥饿响应和编码 磷酸酶的功能基因相对丰度降低了 13%，磷酸酶活性的半饱和常数降低到对照的 17%，提高了酶与底物的亲和力，为磷酸酶催化作用提供了丰富的结合位点，从 而增加了磷酸酶催化效率。 (4)应用氮磷添加—根箱培养—土壤原位酶谱实验，结合分子生物学技术，发 现磷和氮磷添加导致根际热点区土壤有效磷含量比对照土壤高 3 倍以上。磷添加 降低了叶片和根系氮磷比值，从 21 降低至 11，低于表征植物磷限制的氮磷比阈 值（16），表明磷添加缓解了植物磷限制。氮添加未显著影响根际土壤磷有效性， 但是增加了叶片和根系氮磷比至 38，加剧了植物磷限制。结构方程模型分析表 明，磷和氮磷添加通过增加土壤溶解性有机碳含量，增加有机磷矿化功能基因丰 度和关键种 Acidobacteria 相对丰度，从而提高杉木根际热点区土壤磷有效性，并 缓解植物磷限制。氮添加增加了关键种微生物 Actinobacteria 相对丰度， Actinobacteria 竞争能力强，促进微生物对磷养分的吸收与同化，降低了植物对磷 养分的获取，导致叶片氮磷比增加，表明关键种微生物丰度增加加剧了植物磷限 制。 本研究从杉木林生态系统不同土层和杉木根际热点区尺度，利用土壤原位酶 谱与分子生物学相结合的技术，综合考虑了土壤微生物食物网中的原生生物捕食、 磷循环功能微生物群落和植物—根际—土壤—微生物互作网络，揭示了杉木林土 壤磷循环功能微生物和植物的磷养分获取机制对氮磷添加的响应模式，为大气氮 沉降增加背景下的杉木林生态系统磷养分管理提供科学依据。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 124 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209276]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘霜. 氮磷添加对杉木林土壤磷有效性影响的微生物机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。