环境因素对菜地土壤氮素转化及其生物学特性的影响

论文摘要

蔬菜是一种年复种指数高、需肥多、投入大、产出高的一种经济作物。施肥是蔬菜生产中一项的关键的农艺措施,但是过量偏施氮肥已成为当前蔬菜施肥中最突出的问题之一。不合理的施肥和管理易导致菜园土壤质量退化,土壤养分失调,土壤微生物群落多样性降低,蔬菜产量品质下降等。氮是蔬菜作物生长发育过程中最重要的大量元素之一。土壤氮素主要以有机态存在,而作物所吸收的氮以无机态为主,故土壤固有的有机氮和施入的有机氮肥需转化为无机氮才能有效地被作物吸收利用,但当无机氮积累在土壤中就有可能会通过淋溶、挥发和反硝化等途径导致氮素损失并引起生态环境问题。因此,研究土壤氮素形态转化过程,不仅有利于了解土壤供氮能力和确定合理的施氮量,而且对于提高氮肥利用率、减少氮素损失和保护生态环境均有重要意义。国内外关于环境因素对土壤氮素转化的影响已有不少报道,但大多针对水分或温度单一因子进行,较少考虑水分和温度的相互作用对土壤氮素转化的影响,而且常把水分处理设置为恒定含水量,这与农业生产中土壤水分波动的实际情况有明显的差异。因此,本论文以典型菜地土壤为研究对象,针对集约化蔬菜生产中频繁灌溉和气候变化等造成干湿交替和低温胁迫的实际问题,采用室内培养试验研究了水分、温度等环境因子对菜地土壤氮素转化的影响及其生物学机制,旨在为发挥养分与环境要素的协同效应,提高肥料利用率提供理论依据和技术支撑。取得的主要结果如下:1.采用室内培养试验,研究了3种水分状况[恒干（CDC,维持30%WHC）、恒湿（CWC,维持75%WHC）、干湿交替（DW,30%-75%WHC）]对不同类型的菜地土壤（潮土、小粉土、青紫泥）氮素转化及其相关酶活性的影响。结果表明,干湿交替处理（DW）的土壤硝态氮、无机氮含量高于恒干（CDC）和恒湿处理（CWC）;3种土壤的净矿化氮量、矿化率、净硝化量和硝化率的大小表现为DW＞CWC＞CDC。土壤脲酶、天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶、芳基酰胺酶、N-乙酰基-β-氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性对水分的响应因土壤类型不同而异,但总体趋势为DW＞CWC。土壤天冬酰胺酶、谷氨酰胺酶、芳基酰胺酶、NAG等酶的活性与土壤氮素转化过程有密切的关系。由此可见,干湿交替过程有利于土壤氮素的矿化和硝化作用,对土壤氮素转化的影响与其对土壤酶活性的影响有关。2.采用碳素利用法（BIOLOG）和磷脂脂肪酸（PLFA）方法比较了3种水分状况[恒干（维持30%WHC）、恒湿（维持75%WHC）、干湿交替（30%-75%WHC）]对不同类型的菜地土壤（潮土、小粉土、青紫泥）微生物群落多样性的影响。BIOLOG的结果表明,不同类型土壤微生物群落的平均吸光值（AWCD）在时间的响应上存在明显的差异,潮土、小粉土和青紫泥的AWCD值分别在48h、96h和60h之后才随着培养时间的延长而逐渐升高;除了小粉土的AWCD值表现为DW＞CWC＞CDC外,潮土和青紫泥都表现为在培养初期DW＞CWC,但培养后期则为CWC＞DW;恒湿有利于维持微生物群落丰富度及均匀度;干湿交替提高了潮土的微生物对酚类混合物、醣类和胺类的利用,而促进了青紫泥的微生物对氨基酸类、羧酸类和聚合物的利用。PLFA结果发现,干湿交替能显著提高表征真菌和细菌的特征磷脂脂肪酸的相对含量。表明,水分状况显著影响微生物群落功能多样性和结构多样性,其影响因土壤类型的不同而有异。3.采用土壤培养试验,研究了温度（30℃和5℃）、水分恒湿[维持75%WHC)和干湿交替（30%-75%WHC）]及不同施肥处理（对照、尿素、猪粪）对菜地土壤氮素转化及其动态的影响。结果表明,土壤硝态氮、无机氮含量、矿化量、硝化量、矿化率和硝化率均表现为30℃处理＞5℃处理,干湿交替处理（DW）＞恒湿处理（W）,其中不施肥土壤无机氮含量30℃比5℃高21.4%,尿素处理无机氮含量DW(244.0 mg·kg-1)比CWC(194.2 mg·kg-1)高20.4%;施用尿素的土壤氮素平均矿化量和硝化量为51.1 mg·kg-1和59.5 mg·kg-1,分别是不施肥对照的3.25倍和2.68倍,而有机肥处理土壤氮的矿化量和硝化量分别是不施肥对照的2.0倍和1.8倍;温度、水分、肥料及各因素的互作对土壤矿化硝化量均有极显著的影响。可见,较高的温度和干湿交替（DW）有利于土壤氮素的矿化和硝化作用,合理调控水分和温度等环境因子可促进土壤氮素形态转化过程。4.采用碳素利用法（BIOLOG）和磷脂脂肪酸（PLFA）方法研究了温度（30℃和5℃）、水分[恒湿（维持75%WHC）和干湿交替（30%-75%WHC）]及不同施肥处理（对照、尿素、猪粪）对河北潮土的微生物群落功能多样性和结构多样性的影响。BIOLOG的结果表明,低温处理提高AWCD值,表明低温提高了微生物的活性;AWCD、丰富度（S）,Shannon指数（H）,均匀度指数（E）均表现为施有机肥处理＞不施肥对照＞尿素处理;PLFA与Biolog有类似的趋势,5℃培养土壤PLFA含量明显高于30℃培养土壤的PLFA含量;施肥明显提高各PLFA含量,增加土壤PLFA的丰富度;主成分分析的结果表明,施猪粪提高土壤革兰氏阳性细菌、真菌及放线菌的含量;而施尿素的土壤微生物群落以低碳原子数的微生物为优势种群,不施肥对照处理没有明显的优势种群。相同温度下,干湿交替处理不利于维持微生物群落丰富度和均匀度,降低了多不饱和脂肪酸含量,但增加了PLFIA总量,表征真菌、细菌和放线菌的脂肪酸含量,以及革兰氏阳性细菌（G+）、革兰氏阴性细菌（G-）、总饱和脂肪酸、羟基脂肪酸和环丙基脂肪酸cy17:0的含量。可见,施肥、温度和水分及其相互作用对供施土壤微生物活性、群落结构和功能多样性有显著的影响。

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摘要

ABSTRACT

第一章文献综述

1.1 土壤中氮素转化的研究进展

1.1.1 土壤中氮素的存在形态

1.1.2 影响土壤氮素转化的因子

1.1.2.1 温度

1.1.2.2 干湿交替

1.1.2.3 施肥

1.1.2.4 土壤质地

1.1.2.5 土壤微生物

1.2 土壤微生物群落多样性

1.2.1 土壤微生物群落多样性的研究意义

1.2.2 微生物群落多样性的研究方法

1.2.3 影响土壤微生物多样性的因素

1.2.3.1 温度

1.2.3.2 水分

1.2.3.3 土壤类型

1.2.3.4 施肥

1.3 本研究的目的意义、技术路线及拟解决的问题

1.3.1 本研究的目的和意义

1.3.2 技术路线

1.3.3 拟解决的关键问题

第二章水分状况对不同菜地土壤氮素转化及相关酶活性的影响

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 供试土壤

2.2.2 试验设计

2.2.3 测定方法

2.2.4 数据分析

2.3 结果与分析

2.3.1 水分状况对土壤各形态氮含量的影响

2.3.1.1 水分状况对土壤铵态氮含量的影响

2.3.1.2 水分状况对土壤硝态氮含量的影响

2.3.1.3 水分状况对土壤无机氮含量的影响

2.3.1.4 水分状况对土壤净矿化氮量、矿化率、净硝化量和硝化率的影响

2.3.2 水分状况对土壤酶活性的影响

2.3.2.1 水分状况对土壤脲酶活性的影响

2.3.2.2 水分状况对土壤天冬酰胺酶活性的影响

2.3.2.3 水分状况对土壤谷氨酰胺酶活性的影响

2.3.2.4 水分状况对土壤芳基酰胺酶活性的影响

2.3.2.5 水分状况对土壤N-乙酰基-β-氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性的影响

2.3.3 土壤各形态氮、矿化率、硝化率与土壤酶活性之间的相关性

2.4 讨论

2.5 小结

第三章水分状况对不同菜地土壤微生物群落多样性的影响

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 供试土壤

3.2.2 试验设计

3.2.3 碳素利用法（Biolog）

3.2.4 磷脂脂肪酸法（PLFA）

3.2.5 数据统计与分析

3.3 结果与分析

3.3.1 水分状况对土壤微生物功能多样性的影响

3.3.1.1 土壤微生物碳源利用平均吸光值（AWCD）的动态变化

3.3.1.2 土壤微生物群落功能多样性指数

3.3.1.3 土壤微生物群落利用碳源多样性的主成分分析

3.3.2 水分状况对土壤微生物群落结构多样性的影响

3.3.2.1 水分状况对土壤微生物类群的影响

3.3.2.2 水分状况对土壤微生物群落结构的影响

3.4 讨论

3.5 小结

第四章温度和干湿交替对菜地土壤氮素转化及其动态的影响

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 供试土壤

4.2.2 试验设计

4.2.3 测定方法

4.2.4 数据分析

4.3 结果与分析

4.3.1 温度和干湿交替对土壤铵态氮含量的影响

4.3.2 温度和干湿交替对土壤硝态氮含量的影响

4.3.3 温度和干湿交替对土壤无机氮含量的影响

4.3.4 温度和干湿交替对土壤氮素矿化量和硝化量的影响

4.4 讨论

4.5 小结

第五章温度和干湿交替对菜地土壤微生物群落多样性的影响

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 供试土壤

5.2.2 试验设计

5.2.3 碳素利用法（Biolog）

5.2.4 磷脂脂肪酸法（PLFA）

5.2.5 数据统计与分析

5.3 结果与分析

5.3.1 温度和干湿交替对微生物功能多样性的影响

5.3.1.1 土壤微生物碳源利用平均吸光值（AWCD）的动态变化

5.3.1.2 土壤微生物群落功能多样性指数

5.3.1.3 不同处理土壤微生物群落利用碳源多样性的主成分分析

5.3.2 温度和干湿交替对土壤微生物结构多样性的影响（PLFA）

5.3.2.1 温度和干湿交替对土壤微生物类群的影响

5.3.2.2 温度和干湿交替对土壤微生物群落结构的影响

5.4 讨论

5.5 小结

第六章全文总结

6.1 主要研究结论

6.2 创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

环境因素对菜地土壤氮素转化及其生物学特性的影响

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