氮肥与双氰胺对土壤中氨氧化和甲烷氧化等微生物的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 戴宇 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2013-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 贺纪正 |
| 关键词 | 氮肥 硝化抑制剂双氰胺 氨氧化微生物 甲烷氧化菌 实时荧光定量PCR N2O和CH4气体排放量 454焦磷酸测序 田间试验 室内培养实验 nitrogen fertilizer a nitrification inhibitor dicyandiamide ammonia oxidizing microorganisms methanotroph real-time quantitative PCR N2O and CH4 emissions 454 pyrosequencing field experiment indoor cultivation experiment |
| 其他题名 | Effects of nitrogen fertilizer and dicyandiamide (DCD) application on ammonia oxidizing, methane oxidizing and other microorganisms in soils |
| 学位专业 | 生态学 |
| 中文摘要 | 氮肥的使用为解决世界粮食危机，提高农作物品质做出了巨大贡献。然而，为了追求经济利益，人们长期盲目地过量使用氮肥，这不仅造成了资源的浪费还给环境带来一些不必要的负面影响。过量氮肥在农田土壤中经过土壤微生物的硝化作用转化为硝态氮（NO3-），进一步由反硝化微生物转化为一系列氮氧化气体（如N2或N2O），这些氮素的副产品对水体质量和全球气候变化造成了严重危害。双氰胺（DCD）是一种可以抑制微生物硝化活性的化合物，近年来在农田生态系统中得到了广泛的应用。土壤微生物是一些重要元素生物地球化学循环的主要参与者。其中碳氮转化相关微生物在全球物质能量循环和气候变化中起着主导作用。本文将以氨氧化细菌（Ammonia oxidizing bacteria, AOB）、氨氧化古菌（Ammonia oxidizing archaea, AOA）和甲烷氧化菌（Methane oxidizing bacteria, MOB）等参与碳氮转化的主要功能微生物为研究对象，利用分子生物学手段（包括定量PCR和454焦磷酸测序），并结合大田温室气体排放等数据来研究氮肥和DCD在农田生态系统中的应用效果及其对环境和土壤微生物的影响。主要研究结果如下： 1）新西兰林肯大学农场田间试验：共8个施肥处理，分别是：对照（CK）、尿素50和100 kg N ha-1（Urea-N 50和Urea-N 100）、牛尿300和600 kg N ha-1（Urine-N 300和Urine-N 600）以及尿素50 kg N ha-1 + 双氰胺10 kg DCD ha-1（Urea-N 50 + DCD）、牛尿300或600 kg N ha-1 + 双氰胺10 kg DCD ha-1（Urine-N 300 + DCD和Urine-N 600 + DCD）。研究发现，氨氧化细菌（AOB） amoA基因拷贝数介于3.17 × 106 和 1.03 × 108 g-1 dry soil之间，其值在整个试验期间的所有处理中都高于氨氧化古菌（AOA） amoA基因拷贝数（其值介于2.83 × 105 和 2.22 × 106 g-1 dry soil）。AOB与AOA基因拷贝数的比值在处理Urine-N 600下达到最高，高达106.6。AOB amoA基因拷贝数随氮肥施用量增加而增加，且DCD能显著减少AOB amoA基因拷贝数，氮肥施用量最高时DCD抑制效果最显著。而氮肥和DCD的处理对AOA amoA基因拷贝数无显著影响。N2O总排放量介于0.25和6.82 kg ha-1之间。施用氮肥可显著增加N2O排放量，处理Urine-N 600下N2O总排放量最高且此浓度下添加DCD后N2O总排放量的抑制率最高，达到了69%。DCD对N2O排放因子的抑制率介于58%到83%之间。N2O排放量和NO3--N浓度与AOB的生长显著相关，而与AOA不相关。该田间研究证实了新西兰放牧草地土壤中AOB在氨氧化过程中起主导作用，且硝化抑制剂DCD能显著抑制AOB的生长并且降低N2O的排放量。 2）甲烷氧化菌DNA和mRNA的pmoA 基因拷贝数均不受尿素、牛尿或者DCD施用的影响。甲烷氧化菌DNA和mRNA pmoA 基因拷贝数在此次选用的新西兰草原土壤中较低，分别低于7.13×103 g-1 dry soil和3.75 × 103 μg-1 RNA。在整个试验期间，CH4日通量无显著差异，介于-12.89 CH4 ha-1 day-1 和 -0.83 g CH4 ha-1 day-1之间。该研究表明，在放牧草地土壤中，甲烷氧化菌的丰度对不同浓度的氮肥处理和硝化抑制剂DCD的添加不敏感。 3）室内水稻土烤田期培养实验：选取滨海（BH）和上虞（SY）水稻土为研究对象，共设3个处理，分别是对照（CK），Urea-N 300 mg ha-1（N）和Urea-N 300 mg ha-1 + DCD 30 mg ha-1（NDCD）。研究发现DCD可显著抑制两种土壤的硝化活性，并且在BH碱性水稻土中通过抑制AOB的活性来抑制土壤氨氧化，而在SY酸性水稻土中则很可能是通过实验前期抑制AOA，实验后期抑制AOB的活性来抑制土壤氨氧化。氮肥的添加对氨氧化古菌、产甲烷古菌和全古菌的基因丰度均有所抑制，而对氨氧化细菌和全细菌的基因丰度在实验初期就有所促进。DCD的添加虽然对AOB和AOA的丰度有所抑制，但其对甲烷氧化菌、产甲烷古菌、反硝化细菌和全细菌的丰度在多数时间有促进作用。在BH土壤中N肥可提高土壤放线菌门丰度，而DCD则对其有显著抑制效果；DCD还可以显著提高BH土壤变形菌门Alphaproteobacteria纲Sphingomonadales目的丰度，而氮肥则在实验中对其有所抑制。SY土壤中N肥在实验后期显著提高了TM7门TM7-3纲的丰度，而DCD则对其丰度显著抑制；与只施氮肥的处理相比，DCD能显著抑制SY土壤浮霉菌门Planctomycetia纲Gemmatales目的丰度，而且相对于CK和N处理，DCD可显著提高土壤硝化螺菌门Nitrospira纲Nitrospirales目的丰度。DCD和氮肥在两种典型酸、碱性水稻土中对土壤主要功能微生物的影响效果不太一样，但DCD均能较好地抑制两种土壤的硝化活性，说明在水稻生长的烤田期施入DCD可以有效防止氮素流失。 综上所述，本文通过田间试验和室内培养实验探讨了氮肥和硝化抑制剂DCD对土壤功能微生物的影响，发现DCD对氨氧化微生物的活性具有显著抑制作用，且在碱性土壤或者富氮土壤中主要对AOB起抑制作用。DCD对甲烷氧化菌的丰度在田间试验中没有显著影响，但细菌454结果表明DCD对土壤某些微生物的丰度具有抑制或者促进作用，需要通过进一步研究来探明其影响机制。 |
| 公开日期 | 2014-07-07 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7559]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_土壤环境科学实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 戴宇. 氮肥与双氰胺对土壤中氨氧化和甲烷氧化等微生物的影响[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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