土壤pH對硝化作用和氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)的影響.pdf

1、硝化作用普遍存在于土壤當(dāng)中，土壤中的硝化作用受眾多因素影響，如:土壤pH、土壤溫度、土壤水分、銨態(tài)氮含量等，其中土壤pH是最為重要的影響因素之一。早年的研究表明:硝化作用廣泛存在于中性和石灰性土壤中并且具有較高的氨氧化活性，但酸性土壤中幾乎檢測不到硝化作用的存在。隨著對硝化作用的研究不斷深入，越來越多的證據(jù)均表明酸性土壤中同樣存在著硝化作用，一些酸性土壤中的硝化作用甚至比在中性和石灰性土壤中更為強(qiáng)烈。隨著分子技術(shù)的快速發(fā)展，土壤硝化強(qiáng)度

2、及其影響因素在土壤學(xué)領(lǐng)域得到了高度關(guān)注，土壤硝化過程的微生物機(jī)理逐漸成為研究熱點(diǎn)。
　　土壤pH顯著影響硝化作用的過程，首先硝化微生物在低pH條件下生長緩慢，其生長速率甚至不可檢測;硝化微生物作為土壤中硝化作用的推動(dòng)者，其生長速率極可能影響硝化作用的進(jìn)行。其次，土壤pH顯著影響硝化作用底物的含量;硝化作用的直接底物為分子態(tài)的氨，而土壤中氨分子和銨離子處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，pH是影響這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的重要條件，當(dāng)土壤處于低pH條件下，土壤中

3、氨分子趨向于轉(zhuǎn)變?yōu)殇@離子，在高pH條件下則相反。第三，土壤pH會(huì)影響硝化微生物的硝化活性，從而影響硝化作用。
　　本實(shí)驗(yàn)選用了重慶縉云山馬尾松林酸性黃壤(pH=4.2)和附近自然植被條件下的紫色土(pH=7.0)以及酸性(pH=5.6)和石灰性(pH=8.2)稻田土壤，酸性稻田土壤采自重慶市合川縣大石鎮(zhèn)大石街道觀龍村，石灰性稻田土壤采自西南大學(xué)長期定位試驗(yàn)田。
　　酸性黃壤和中性紫色土共設(shè)13C標(biāo)記處理、12C對照處理以及1

4、3C+乙炔處理三個(gè)處理。土壤樣品放置在28℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)56天，于培養(yǎng)的第0、28、56天采樣。通過無機(jī)分析方法測定樣品的pH、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮，定量PCR方法測定分析土壤中氨氧化細(xì)菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA) amoA功能基因的豐度，克隆文庫方法測定分析AOB和AOA群落結(jié)構(gòu)組成。結(jié)果如下:
　　經(jīng)過8周的培養(yǎng)，紫色土12C對照處理、13C+乙炔處理以及13C標(biāo)記處理三個(gè)處理中的硝態(tài)氮分別由培養(yǎng)初期的1.9 mg/kg

5、增加到54.5、1.6、54.8 mg/kg，相應(yīng)的三個(gè)處理中銨態(tài)氮的含量分別為75.4、249.9、102.8 mg/kg，13C標(biāo)記處理和12C對照處理中銨態(tài)氮含量相較于13C+乙炔處理明顯降低，而黃壤三個(gè)處理土壤中硝態(tài)氮含量分別為0.8、0.9、0.6 mg/kg，相較于培養(yǎng)初期的0.6 mg/kg并沒有明顯增加，銨態(tài)氮含量為411、468、378 mg/kg，13C標(biāo)記處理和12C對照處理中銨態(tài)氮含量相較于13C+乙炔處理也沒有

6、明顯減少。可見，在中性紫色土中發(fā)生了明顯的硝化作用，而在酸性黃壤中硝化作用幾乎沒有進(jìn)行。
　　經(jīng)過培養(yǎng)，紫色土12C對照處理和13C標(biāo)記處理中AOB的amoA功能基因拷貝數(shù)分別由培養(yǎng)初期的1.48×107增加到1.08E×108和1.13×108，而13C+乙炔處理的amoA功能基因拷貝數(shù)為1.88×107，相較于培養(yǎng)初期并沒有明顯變化;培養(yǎng)初期AOA的amoA功能基因拷貝數(shù)為8.23×107，經(jīng)過培養(yǎng)后12C對照處理、13C+乙

7、炔處理和13C標(biāo)記處理中AOA的amoA功能基因拷貝數(shù)分別由培養(yǎng)初期的8.23×107減少到1.73×107、3.56×107和1.96×107。黃壤經(jīng)過培養(yǎng)后，12C對照處理、13C+乙炔處理和13C標(biāo)記處理中AOA amoA功能基因拷貝數(shù)分別為3.05×106、1.60×107、3.23×106，與培養(yǎng)初期相比并顯著減少;AOB amoA功能基因拷貝數(shù)分別為3.09×107、1.77×107、1.30×107，與培養(yǎng)初期相比并沒有明

8、顯變化。培養(yǎng)初期紫色土中的AOA、AOB amoA功能基因拷貝數(shù)均高于黃壤。
　　酸性水稻土和石灰性水稻土共設(shè)13C標(biāo)記處理和12C對照處理兩個(gè)處理。結(jié)果如下:
　　在8周培養(yǎng)過程中，石灰性水稻土12C對照處理和13C標(biāo)記處理土壤中的硝態(tài)氮分別由培養(yǎng)初期的0.9 mg/kg增加到215.4和205.4 mg/kg，加入的800 mg/kg銨態(tài)氮含量分別減少到了10.8和40.4 mg/kg;而酸性水稻土兩個(gè)處理土壤中硝態(tài)氮含

9、量分別為60.0和60.8 mg/kg，相較于培養(yǎng)初期的4.0 mg/kg并沒有明顯增加，銨態(tài)氮含量分別減少到了556和561 mg/kg。表明，在石灰性水稻土和酸性水稻土中均發(fā)生了明顯的硝化作用。
　　在培養(yǎng)過程中，石灰性水稻土12C對照處理和13C標(biāo)記處理中AOB amoA功能基因拷貝數(shù)由培養(yǎng)初期的9.99×107增加到6.68×108和8.67×108，而AOA的amoA功能基因拷貝數(shù)與培養(yǎng)初期相比差異不明顯;酸性水稻土13

10、C標(biāo)記處理和12C對照處理AOA amoA功能基因拷貝數(shù)由培養(yǎng)初期的9.58×106增加到2.98×108和1.35×108，而AOB amoA功能基因拷貝數(shù)與培養(yǎng)初期相比沒有明顯差異。在石灰性水稻土中AOA、AOB amoA功能基因拷貝數(shù)均高于酸性水稻土。
　　本研究闡述了土壤pH對硝化作用和氨氧化微生物的影響，以及在中性紫色土和水稻土中硝化作用的主要推動(dòng)者。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到如下結(jié)論:(1)土壤pH顯著影響土壤的硝化作用，土壤p

11、H在4.2-8.2之間，pH越高，硝化作用越強(qiáng)。(2)土壤pH顯著影響土壤中氨氧化微生物的種類，在中性和石灰性土壤中，氨氧化微生物在數(shù)量上以AOB為主導(dǎo)，在酸性土壤中以AOA為主導(dǎo)。(3)土壤pH顯著影響硝化微生物活性。(4)中性紫色土和石灰性水稻土中推動(dòng)硝化作用的AOB100％屬于Nitrosospira Cluster3類群。酸性水稻土中AOB主要類群為NitrosomonasCluster。酸性水稻土中AOA主要類群為Group1