山東省典型農(nóng)產(chǎn)品基地土壤微生物多樣性與地球化學(xué)元素關(guān)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(dòng)地球生物化學(xué)元素循環(huán)過(guò)程中起著重要作用。它們通過(guò)相互競(jìng)爭(zhēng)、協(xié)調(diào)、驅(qū)動(dòng)養(yǎng)分循環(huán)等作用對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、農(nóng)作物健康和生產(chǎn)力起著重要作用。近年來(lái)土壤微生物多樣性研究一直是微生物生態(tài)學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)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(duì)土壤類型，有機(jī)質(zhì)，水分，個(gè)別營(yíng)養(yǎng)元素及有害重金屬元素對(duì)微生物多樣性的影響，而有關(guān)區(qū)域地球化學(xué)環(huán)境對(duì)土壤微生物多樣性影響的報(bào)道卻很少。然而

2、地球化學(xué)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，生物圈元素循環(huán)勢(shì)必對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)、人類健康和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此，配合多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查，研究典型農(nóng)產(chǎn)品基地區(qū)域地球化學(xué)元素與土壤微生物多樣性特征，并對(duì)其相互關(guān)系進(jìn)行研究，不僅具有重大的理論研究意義，而且對(duì)發(fā)展可持續(xù)的生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 本研究選擇山東省兩個(gè)具有典型特色的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地--魚(yú)臺(tái)優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)基地和壽光大棚蔬菜基地，與“山東省黃河下游流域1:25萬(wàn)多目標(biāo)區(qū)域地

3、球化學(xué)調(diào)查”項(xiàng)目同步采樣，對(duì)兩地的土壤地球化學(xué)環(huán)境及微生物多樣性進(jìn)行研究，并創(chuàng)新性地將多目標(biāo)地球化學(xué)填圖數(shù)據(jù)應(yīng)用到土壤微生物多樣性研究中，對(duì)土壤地球化學(xué)元素與微生物多樣性的關(guān)系進(jìn)行研究。首先通過(guò)測(cè)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(xué)元素特征。同時(shí)分別利用

4、傳統(tǒng)的培養(yǎng)技術(shù)、現(xiàn)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(duì)土壤微生物不同生理類群的微生物數(shù)量、碳源利用功能及基于磷脂脂肪酸圖譜的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面研究，從而揭示魚(yú)臺(tái)壽光兩地土壤微生物多樣性特征。最后將多目標(biāo)地球化學(xué)填圖數(shù)據(jù)應(yīng)用到土壤微生物多樣性研究中，揭示地球化學(xué)元素與土壤微生物多樣性之間的相互關(guān)系。 對(duì)土壤地球化學(xué)元素的研究表明，魚(yú)臺(tái)優(yōu)質(zhì)稻產(chǎn)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(nóng)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(shì)。魚(yú)臺(tái)淹育水稻土(SPs)中高含量S與低的pH值表明魚(yú)臺(tái)地區(qū)淹育水稻土有酸化現(xiàn)象。壽光市蔬菜種植區(qū)有益營(yíng)養(yǎng)元素相對(duì)富集，而重金屬污染相對(duì)輕微，從區(qū)域地球化學(xué)背景上分析對(duì)生產(chǎn)綠色無(wú)公害蔬菜非常有利。壽光大棚內(nèi)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(xué)環(huán)境差異較大棚外土壤地球化學(xué)環(huán)

6、境差異大。研究區(qū)不同深度土壤化學(xué)元素含量不同，總的來(lái)說(shuō)C，N、P含量隨深度的增加而降低，F(xiàn)含量隨深度的增加而增加。某些重金屬與有毒化學(xué)元素如Cd、Cr、Cu、Ni、Zn和As在深層土壤中有富集趨勢(shì)。對(duì)土壤不同生理類群微生物的研究表明，魚(yú)臺(tái)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(xì)菌數(shù)量占優(yōu)勢(shì)，其次是放線菌與氨化菌，纖維素分解菌數(shù)量最少；潮土中的放線菌數(shù)量明顯多于淹育水稻土。壽光表層土壤中的優(yōu)勢(shì)菌主要是細(xì)菌、放線菌

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

8、(FAS)的碳源利用數(shù)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(nóng)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(yú)臺(tái)深層土壤微生物S、H'、McIntosh指數(shù)(U)、AWCD值隨著深度的增加而減少，Gini指數(shù)(G)、S

9、_E、McIntosh均勻度(M_E)值總的來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)可以分成三個(gè)類群。 對(duì)土壤微生物磷脂脂肪酸圖譜的研究表明，魚(yú)臺(tái)表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)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(yáng)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(xì)菌/真菌(Bac/Fungi)值為2.1±0.4。魚(yú)臺(tái)所有樣地中就細(xì)菌與真菌而言細(xì)菌含量占優(yōu)勢(shì)。魚(yú)臺(tái)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(jié)構(gòu)不同。壽光表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)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，F(xiàn)un

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(nóng)田土壤微生物的磷脂脂肪酸結(jié)構(gòu)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(lái)說(shuō)隨著深度的增加而降低。說(shuō)明隨著深度增加，各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的匱乏，土壤微生物含量逐漸降低。通過(guò)對(duì)兩地土壤微生物多樣性比較發(fā)現(xiàn)，魚(yú)臺(tái)地區(qū)可培養(yǎng)的細(xì)菌、放線菌、氨化菌和纖維素分解菌數(shù)明顯小于

12、壽光。兩地BIOLOG碳源利用指數(shù)沒(méi)有明顯的差異。基于FAMEs的各個(gè)指數(shù)存在顯著差異，魚(yú)臺(tái)土壤中的GP、GN、GP/GN、Bar/Fungi比值明顯高于壽光，而標(biāo)記真菌的FAMEs總數(shù)明顯低于壽光。 對(duì)土壤微生物多樣性指標(biāo)與地球化學(xué)元素的相關(guān)性研究表明多數(shù)土壤微生物多樣性指數(shù)與地球化學(xué)元素之間存在顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，且不同的參數(shù)與各地球化學(xué)元素間存在著不同的相關(guān)性?？膳囵B(yǎng)的細(xì)菌數(shù)與Co、Mn、Ni、V呈極顯著負(fù)相關(guān)性

13、；真菌數(shù)與Co、Cr、Ni、V呈極顯著負(fù)相關(guān)性，而與P、SiO2呈極顯著正相關(guān)性；放線菌數(shù)與Co、Cr、Ni呈極顯著負(fù)相關(guān)性；固氮菌數(shù)與Co、Cr、Ni、V呈極顯著負(fù)相關(guān)性，與SiO2呈極顯著正相關(guān)性；纖維數(shù)分解菌與Ni呈極顯著負(fù)相關(guān)性(P＜0.01)。基于BIOLOG系統(tǒng)的U指數(shù)與Co、Cr、Ni、V呈極顯著負(fù)相關(guān)性，與SiO2呈極顯著正相關(guān)性：S E均勻度指數(shù)與Cr呈極顯著正相關(guān)性；AWCD與Co、Cr、Ni呈極顯著負(fù)相關(guān)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(shù)地球化學(xué)元素存在顯著相關(guān)性，且不同的指數(shù)與不同的地球化學(xué)元素存在不同的相關(guān)性。 當(dāng)環(huán)境受到污染時(shí)，微生物的種類、數(shù)量、生理狀態(tài)和活性等會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變，可以將微生物指標(biāo)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中。由于可培養(yǎng)的細(xì)菌、真菌、放線菌、固氮菌、纖維數(shù)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(shù)地球化學(xué)元素存在顯著相關(guān)性，它們有望成為地球化學(xué)環(huán)境變化的指標(biāo)。如可培養(yǎng)的細(xì)菌數(shù)可以作為研究區(qū)Co，Mn，Ni，V的指示物，真菌與固氮菌數(shù)可以作為Co、Cr、Ni、V的指示物，放線菌數(shù)可以作為Co、Cr、Ni的指示物，纖維數(shù)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(guò)對(duì)山東省典型農(nóng)產(chǎn)品基地--魚(yú)臺(tái)、壽光土壤微生物多樣性及其與地球化學(xué)元素的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域表層土壤微生物數(shù)量、結(jié)構(gòu)與功能存在差異；同一區(qū)域不同土壤類型或不同農(nóng)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(shù)量、結(jié)構(gòu)與功能不同；多數(shù)土壤微生物多樣性指數(shù)與地球化學(xué)元素之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，且不同的參數(shù)與各地球化學(xué)元素間存在著不同的相關(guān)性，并由此篩選出對(duì)