山東省典型農產品基地土壤微生物多樣性與地球化學元素關系研究.pdf

1、土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在推動地球生物化學元素循環(huán)過程中起著重要作用。它們通過相互競爭、協調、驅動養(yǎng)分循環(huán)等作用對土壤營養(yǎng)狀況、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、農作物健康和生產力起著重要作用。近年來土壤微生物多樣性研究一直是微生物生態(tài)學的前沿熱點問題。影響土壤微生物多樣性的因素很多，以往研究主要集中在對土壤類型，有機質，水分，個別營養(yǎng)元素及有害重金屬元素對微生物多樣性的影響，而有關區(qū)域地球化學環(huán)境對土壤微生物多樣性影響的報道卻很少。然而

2、地球化學是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，生物圈元素循環(huán)勢必對農作物的生長、人類健康和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性產生重要影響。因此，配合多目標地球化學調查，研究典型農產品基地區(qū)域地球化學元素與土壤微生物多樣性特征，并對其相互關系進行研究，不僅具有重大的理論研究意義，而且對發(fā)展可持續(xù)的生態(tài)農業(yè)系統(tǒng)具有重要的應用價值。 本研究選擇山東省兩個具有典型特色的農產品生產基地--魚臺優(yōu)質稻生產基地和壽光大棚蔬菜基地，與“山東省黃河下游流域1:25萬多目標區(qū)域地

3、球化學調查”項目同步采樣，對兩地的土壤地球化學環(huán)境及微生物多樣性進行研究，并創(chuàng)新性地將多目標地球化學填圖數據應用到土壤微生物多樣性研究中，對土壤地球化學元素與微生物多樣性的關系進行研究。首先通過測定土壤pH、含水量、C(org)、As、B、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、P、Pb、V、Zn、Se、N、S、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、Na2O和K2O的濃度，確定兩地的地球化學元素特征。同時分別利用

4、傳統(tǒng)的培養(yǎng)技術、現代的BIOLOG系統(tǒng)及非依賴培養(yǎng)的FAME(Fatty acid methyl esters)分析方法分別對土壤微生物不同生理類群的微生物數量、碳源利用功能及基于磷脂脂肪酸圖譜的微生物群落結構進行全面研究，從而揭示魚臺壽光兩地土壤微生物多樣性特征。最后將多目標地球化學填圖數據應用到土壤微生物多樣性研究中，揭示地球化學元素與土壤微生物多樣性之間的相互關系。 對土壤地球化學元素的研究表明，魚臺優(yōu)質稻產區(qū)土壤中N、P

5、、K、B、Mo、Mn、Se、Fe等有益元素富集。但由于污灌、農藥、化肥的施用等人為因素影響，土壤中As、Cd、Hg、Pb等重金屬元素有明顯富集趨勢。魚臺淹育水稻土(SPs)中高含量S與低的pH值表明魚臺地區(qū)淹育水稻土有酸化現象。壽光市蔬菜種植區(qū)有益營養(yǎng)元素相對富集，而重金屬污染相對輕微，從區(qū)域地球化學背景上分析對生產綠色無公害蔬菜非常有利。壽光大棚內P、N、S含量均顯著高于大棚外。不同的大棚之間土壤地球化學環(huán)境差異較大棚外土壤地球化學環(huán)

6、境差異大。研究區(qū)不同深度土壤化學元素含量不同，總的來說C，N、P含量隨深度的增加而降低，F含量隨深度的增加而增加。某些重金屬與有毒化學元素如Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和As在深層土壤中有富集趨勢。對土壤不同生理類群微生物的研究表明，魚臺不同生理類群微生物含量差異較大；八種生理類群的微生物中，可培養(yǎng)的細菌數量占優(yōu)勢，其次是放線菌與氨化菌，纖維素分解菌數量最少；潮土中的放線菌數量明顯多于淹育水稻土。壽光表層土壤中的優(yōu)勢菌主要是細菌、放線菌

7、、固氮菌、氨化菌：總的來看，無論是微生物總量還是各類微生物的量，大棚內土壤樣品中微生物的數量高于大棚外土壤的。研究區(qū)大多數土壤微生物數量隨著深度的增加而降低。 對土壤微生物BIOLOG碳源利用功能的研究表明，魚臺表層土壤微生物的碳源利用數(S)為21.18±3.76，平均光吸收值(AWCD)為0.66±0.20，Shannon多樣性指數(H.)為3.04±0.15，Shannon均勻度指數(S_E)為1.01±0.04。魚臺潮土

8、(FAS)的碳源利用數S及代表碳源利用活力的AWCD值顯著高于淹育水稻土(SPS)。壽光表層土壤微生物S為20.84±5.19，AWCD為0.72±0.27，H1為3.00±0.21，S_E為1.04±0.22。壽光不同的農田土壤微生物具有不同的碳源利用模式。壽光大棚菜地碳源利用模式在主成分分析(PCA)圖上較大田土壤樣品分散。魚臺深層土壤微生物S、H'、McIntosh指數(U)、AWCD值隨著深度的增加而減少，Gini指數(G)、S

9、_E、McIntosh均勻度(M_E)值總的來說隨著深度的增加而增加。不同深度的土壤微生物碳源利用模式不同，但總的來說可以分成三個類群。 對土壤微生物磷脂脂肪酸圖譜的研究表明，魚臺表層土壤微生物群落結構多樣性不同樣地之間存在差異，土壤微生物FAMEs含量(單位：μg g-1干土)代表革蘭氏陽性菌(GP)的為21.6±9.8，代表革蘭氏陰性菌(GN)的為23.9±8.1，代表真菌(Funngi)的為22.7±9.2，GP/GN(G

10、ram-positive/Gram-negative)值為0.9±0.3，細菌/真菌(Bac/Fungi)值為2.1±0.4。魚臺所有樣地中就細菌與真菌而言細菌含量占優(yōu)勢。魚臺潮土的FAMEs總含量顯著高于淹育水稻土，不同土壤類型微生物FAME結構不同。壽光表層土壤微生物群落結構多樣性不同樣地之間也存在差異，其土壤微生物FAMEs含量(單位：μg g-1 dry soil)GP值為8.44士3.31，GN值為12.87±3.60，Fun

11、gi值為15.29±7.07，GP/GN值為0.65±0.14，Bacteria/Fungi值為1.57±0.53。壽光不同農田土壤微生物的磷脂脂肪酸結構有明顯差異。壽光番茄地土樣明顯與其它地分離。研究區(qū)深層土壤GP、GN、Fungi的FAMEs的含量總的來說隨著深度的增加而降低。說明隨著深度增加，各種營養(yǎng)物質的匱乏，土壤微生物含量逐漸降低。通過對兩地土壤微生物多樣性比較發(fā)現，魚臺地區(qū)可培養(yǎng)的細菌、放線菌、氨化菌和纖維素分解菌數明顯小于

12、壽光。兩地BIOLOG碳源利用指數沒有明顯的差異。基于FAMEs的各個指數存在顯著差異，魚臺土壤中的GP、GN、GP/GN、Bar/Fungi比值明顯高于壽光，而標記真菌的FAMEs總數明顯低于壽光。 對土壤微生物多樣性指標與地球化學元素的相關性研究表明多數土壤微生物多樣性指數與地球化學元素之間存在顯著相關關系(P＜0.05)，且不同的參數與各地球化學元素間存在著不同的相關性?？膳囵B(yǎng)的細菌數與Co、Mn、Ni、V呈極顯著負相關性

13、；真菌數與Co、Cr、Ni、V呈極顯著負相關性，而與P、SiO2呈極顯著正相關性；放線菌數與Co、Cr、Ni呈極顯著負相關性；固氮菌數與Co、Cr、Ni、V呈極顯著負相關性，與SiO2呈極顯著正相關性；纖維數分解菌與Ni呈極顯著負相關性(P＜0.01)?；贐IOLOG系統(tǒng)的U指數與Co、Cr、Ni、V呈極顯著負相關性，與SiO2呈極顯著正相關性：S E均勻度指數與Cr呈極顯著正相關性；AWCD與Co、Cr、Ni呈極顯著負相關性(P＜0

14、.01)。基于FAME方法的GP、GN、Fun西、GP+GN、Bac+Fungi、GP/GN、Bac/Fungi與多數地球化學元素存在顯著相關性，且不同的指數與不同的地球化學元素存在不同的相關性。 當環(huán)境受到污染時，微生物的種類、數量、生理狀態(tài)和活性等會相應地發(fā)生改變，可以將微生物指標應用于環(huán)境監(jiān)測中。由于可培養(yǎng)的細菌、真菌、放線菌、固氮菌、纖維數分解菌；基于BIOLOG系統(tǒng)的U值、AWCD值；基于FAMEs方法的GP、GN、G

15、P+GN、Bac+Fungi、GP/GN、Bat/Fungi與多數地球化學元素存在顯著相關性，它們有望成為地球化學環(huán)境變化的指標。如可培養(yǎng)的細菌數可以作為研究區(qū)Co，Mn，Ni，V的指示物，真菌與固氮菌數可以作為Co、Cr、Ni、V的指示物，放線菌數可以作為Co、Cr、Ni的指示物，纖維數分解菌可以作為Ni的指示物。GP、GN、GP+GN、Bac+Fungi、GP/GN、Bac/Fungi可作為研究區(qū)As、Cr、Pb、Zn、Cu的敏感指

16、示物，Bac/Fungi和Fungi可作為Cr和Ni的敏感指示物。本研究通過對山東省典型農產品基地--魚臺、壽光土壤微生物多樣性及其與地球化學元素的關系研究發(fā)現不同區(qū)域表層土壤微生物數量、結構與功能存在差異；同一區(qū)域不同土壤類型或不同農業(yè)利用方式下土壤微生物多樣性存在差異；不同深度土壤微生物的數量、結構與功能不同；多數土壤微生物多樣性指數與地球化學元素之間存在顯著相關關系，且不同的參數與各地球化學元素間存在著不同的相關性，并由此篩選出對