黄河三角洲不同土地利用类型土壤细菌和氮循环功能菌群研究

黄河三角洲是黄河携带的大量泥沙在渤海入海口处淤积而形成。该地区地下水位较高,地下水直接受到海潮侵袭和海水侧向补给,加之蒸发性气候和不合理灌溉等农业生产活动形成了大面积典型的滨海盐碱土,在土地资源稀缺的今天,这些土地是我国极其重要的后备土地资源。在黄河三角洲开发过程中,大量的自然湿地土地转变成农田或林地,而这种土地利用类型的变化会对土壤中的细菌群落结构、多样性及其功能产生一定影响。此外,该地区近二三十年来新开垦的盐碱农田,土壤氮素本底值和容纳量低,土壤生态系统非常脆弱。在农田开发利用过程中,过量的氮肥投入使得多余的氮肥形成面源污染物,进入盐碱农田生态系统,降低氮肥利用率和污染地下水和地表水的同时,也对人体健康产生潜在威胁。因此,了解该地区参与土壤氮循环的微生.物群落结构和多样性,掌握在不同农业生态系统中起主要氮循环作用的菌对该地区合理施用氮肥具有理论指导意义。为此本文首先对来自黄河三三三角洲地区的自然湿地、林地和农业用地三种上地利用类型的共计38个土壤样品进行细菌16SrRNA lllumina Miseq测序和PICRUSt功能预测分析,比较了不同土地利用类型土壤中细菌群落结构和多样性差异及其驱动因素,同时研究了土地利用变化对土壤细菌群落功能的影响,;其次对采自五种黄河三角洲地区典型农业生态系统（小麦-玉米轮作、棉花、大豆、果蔬和水稻）的22个土壤样品进行氮循环功能基因（amoA.nirS,niK和nifH）mumina Miseq测序,研究了不同农业生态系统中氮循环功能微生物群落结构和多样性差异及其影响因素,以及试图找出在不同农业生态系统中,起主要氮循环作用的菌。（1）对自然湿地、林地和农业用地土壤细菌多样性、群落结构和功能的研究α多样性分析表明,不同土地利用类型下,土壤中细菌多样性差异显著,其中农业用地显著大于自然湿地和林地,自然湿地的细菌多样性最低。β多样性分析表明,自然湿地中土壤细菌群落的组成与林地和农、业用地差异明显,而土壤因子总氮、有机质、电导率、十壤含水量和阳离子交换量等理化因子可以解释差异的23.6%、20.6%、18.7%、17.4%和8.2%;土壤重金属含量（铜、铬和锌）等对差异也有贡献,重金属铜、铬和锌分别可以解释差异的11.7%、11.0%和7.3%;自然湿地与离子耦合转运体和孢子形成相关的基因相对丰度明显高于农业用地和林地;而其氧化磷酸化基因丰度又显著低于另外两者。（2）对五种农业生态系统土壤中参与氮循环的功能微生物的研究水稻土壤参与氮循环的功能微生物群落结构显著区别于其他四种,土壤含水量和电导率是造成差异的主要因素;其中土壤含水率分别解释了氨氧化、反硝化以及固氮功能微生物群落差异的45.4%,21.6%和54.2%;土壤电导率分别解释了氨氧化和反硝化功能微生物群落结构差异的15.3%和13.7%。氨氧化古菌（AOA）Mitrosopumilus在果蔬土壤,氨氧化细菌（AOB）Nitrosospira和Nitrosovibrio在小麦-玉米轮作和大豆土壤中的氨氧化过程起主导作用,而在水稻土壤氨氧化过程中,AOB Roseateles,Nitrosomonas和AOA Candidantus Nitrosocosmicus,CandidatusNitrosotenuis起主导作用。NNirS型反硝化菌Azoarcus和Pseu以及mronas以及nirK型反硝化菌RRhzobium和Alcaligenes是水稻土壤中反硝化作用的主导微生物,在大豆土壤中反硝化过程中起主导作用的微生物是 nirS型 Rhodanobacfer,Rubrivivax,Cupriavidus,Azospirillum,Magnetospirillum 和 nirK 型 Ensifer,Bradyrhizobium,Chelativorans,Rhodopseudomonas,Sinorhizobium,和 Chelatococcus。大豆土壤中的Paraburkholderia,Azotobacter,Ideonella,Agrobacterium,Rhizobium,Burkholderia,Skermanella,Geobacter,Azospirillumm,Pseudacidovorax,Dechloromonas和 Azoarcus在固氮反应中发挥主导作用,而水稻土壤中固氮作用的主导菌为Desufuromonas,Azospira,Pseudommonas,Braadyrhizobium,Leptolyngbya,Sideroxydans,Desulfovibrio,Desufobulbus和Pelobacter和 RDA（Redundancy analysis）结果显示,RDA前两轴分别解释氨氧化、反硝化以及固氮作用主导菌差异的59.85%、43.88%和48.36%。本文结果为有效地预测土地利用对黄河三角洲的生态系统服务和稳定的影响提供了依据,为该地区合理施用氮肥提供了相关的微生物机制和数据,有助于该地区的可持续开发利用。