土壤溶磷微生物对柑橘种植年限及外源磷添加的响应机制

作     者：李琪 

作者单位：华中农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭文峰;汪明霞;陈秀华;侯静涛;黄传琴;熊娟;曾全超;刘亥扬

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 09[农学] 0902[农学-园艺学] 090201[农学-果树学] 0713[理学-生态学] 

主      题：集约化种植 柑橘 土壤磷 酶化学计量 溶磷微生物 phoD基因 phoC基因 

摘      要：磷（Phosphorus）是所有生物体必需的常量营养元素之一,但是在农业土壤中的磷容易被土壤固相组分固定或者随径流流失,导致供微生物及植物直接利用的磷比例较低,磷也因此成为陆地生态系统初级生产力的主要限制因子。为了缓解土壤中的磷限制,主要通过施加大量的磷肥,而大量化肥的施用会导致土壤质量的下降,尤其是在高度集约化的柑橘体系中。活化土壤有机磷,增加土壤供磷能力,是可持续农业发展的基础。土壤溶磷微生物是土壤磷循环的主要驱动力,通过分泌有机酸、磷酸酶等将有机磷转化为植物可直接利用的无机磷,从而供给植物生长。因此,研究土壤中磷的有效性和溶磷微生物对柑橘种植年限及外源磷添加的响应机制,阐明影响溶磷微生物群落组成及结构的主要环境因子,有助于理解磷肥在土壤中的转化利用过程,为提高磷肥的利用率、缓解磷限制提供一定的理论支撑。本研究以三峡库区秭归县不同种植年限的柑橘土壤为研究对象,用酶矢量计量分析的手段,评价土壤中微生物对磷的限制情况,并结合外源磷添加的培养实验,使用实时荧光定量PCR（q PCR）和高通量测序的方法,探明溶磷微生物及其编码的功能基因对柑橘种植年限及外源磷添加的响应机制,探究环境因子对其产生影响的影响机制,为优化集约化柑橘种植模式提供科学依据。本研究得到的主要结论如下:（1）随着种植年限的增长,柑橘土壤p H值从7.4降为3.5,土壤总磷（Total Phosphorus,TP）和有效磷（Olsen-P）含量增加至1.43 g/kg和188.2 mg/kg;phoD和pho C基因丰度显著降低,磷酸酶活性逐渐增加,酶矢量角度则逐渐变大,且均大于45°,说明长期集约化种植柑橘的过程中,会导致土壤酸化和磷素积累,并使微生物对磷的相对限制逐渐变强。（2）在室内培养实验中,无外源磷添加下,自然林地土壤和5年的柑橘土壤中酶矢量角度减小,但仍高于45°,而高浓度外源磷添加下,酶矢量角度变大;10年以上的柑橘土壤中,无论外源磷添加浓度的高低,酶矢量角度均变大。这说明在磷素累积较少的土壤中,适当施加磷肥会降低微生物对磷的相对限制,但是高磷浓度的投入反而会加强微生物对磷的相对限制。长期集约化种植导致磷素累积严重,施磷会加速土壤磷的累积,降低微生物活性。因此,应当适当增施有机肥来增强土壤微生物的活性,缓解微生物对养分的限制。（3）随着种植年限的增加,编码phoD基因的优势菌门逐渐从变形菌门（Proteobacteria,12.68%～57.37%）转为放线菌门（Actinobacteria,5.30%～61.86%）,优势菌属从褐杆菌属（Phaeobacter）转变为链霉菌属（Streptomyces）和无枝酸菌属（Amycolatopsis）,说明在长期集约化种植模式下,土壤中编码phoD基因的微生物群落组成发生了显著改变;而在高浓度外源磷添加下,phoD基因丰度与环境因子的相关性显著增强,编码该基因的微生物群落中链霉菌属（溶磷微生物）的相对丰度也随之增加,一段时间后这两者又显著减小。由此可见,土壤中施加高浓度磷肥后,溶磷微生物的丰度会瞬时增加,随即减少。（4）通过相关性分析以及冗余分析（RDA）表明,总磷（TP）是影响溶磷微生物群落组成及结构的最主要环境因子,p H等其他环境因子也对溶磷微生物群落组成及结构有较显著影响。因此对于长期集约化柑橘种植模式,建议通过减施磷肥和增施有机肥来提高土壤溶磷微生物的活性,促进phoD、pho C等功能基因的表达,加强有机磷矿化过程,从而提高磷肥的有效性,缓解微生物对磷的限制状况。