红壤丘陵区典型农田土壤中纤维素降解特征与微生物机制

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纤维素是地球上最丰富的碳水化合物,纤维素在土壤中的降解是自然界碳素循环的重要环节。随秸秆还田的大面积推广,大量的纤维素输入到农田土壤中,极大影响了土壤有机碳循环。系统阐明亚热带农田红壤中纤维素降解及其关键功能微生物群落结构特征,对认识农田土壤有机碳循环、调控农田土壤有机碳周转有非常重要的意义。  本研究以亚热带红壤丘陵区典型旱地和水旱轮作长期定位试验地为研究对象,选取单施化肥(NPK)和秸秆还田配施化肥(NPKS)两种施肥处理,通过对田间纤维素周年动态的监测,以阐明不同土地利用方式及施肥处理下农田土壤中纤维素的积累效应、周年降解特征及其主要影响因子。此外,利用荧光定量PCR、末端限制性片段多态性(T-RFLP)及克隆测序等分子生物学手段对农田土壤中降解纤维素的关键功能微生物种群进行研究,进而阐明农田土壤中纤维素降解关键功能微生物的种群类别、结构特征、影响因素及其对纤维素的作用机制。主要研究结果如下:  (1)长期同一施肥模式下(NPK、NPKS)农田土壤中纤维素均无显著积累,纤维素并不是亚热带农田红壤有机碳库积累重要的直接组分。添加秸秆后(NPKS)纤维素在土壤中快速降解,且水旱轮作地土壤(3个月降解至还田前水平)降解速率显著高于旱地(6个月降解至还田前水平),其中纤维素酶对NPKS施肥的响应也更强。  (2)亚热带农田土壤中纤维素的降解与碱解氮、微生物生物量碳、纤维素酶、SOM及pH密切相关,推断通过调控氮肥施用量可以调节农田土壤中纤维素的降解过程。  (3)红壤丘陵区农田土壤中纤维素降解主要由真菌主导,cbh1基因能够较好的表征土壤中微生物对纤维素的降解能力。土壤中纤维素降解功能真菌群落主要包括伞菌、锤舌菌、粪壳菌、座囊菌和散囊菌,其中伞菌、粪壳菌和座囊菌为优势菌,粪壳菌可能在纤维素的降解过程中起到了主要作用。  (4)土地利用方式是引起红壤丘陵区农田土壤中含cbh1功能真菌群落结构改变的关键因素,与水早轮作地相比,旱地土壤中秸秆的添加对功能真菌结构的影响较大。  (5)纤维素降解功能真菌群落结构主要受pH、SOM、土壤微生物生物量碳、纤维素酶的影响,其中旱地受交换性钾影响较大,而水早轮作地则主要受碱解氮的影响。功能真菌丰度和多样性与土壤中纤维素含量、纤维素酶、碱解氮及pH均密切相关,其中纤维素酶活性在旱地土壤中和水早轮作地中分别与功能真菌多样性和丰度表现出更高的相关性。  (6)两种土地利用方式下纤维素的降解受功能真菌丰度与群落结构的共同影响,其中功能真菌丰度的影响表现为水旱轮作地大于旱地,而群落结构的影响则为旱地大于水早轮作地。
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