酸性植烟土壤有机碳特征及其腐解调控研究

论文摘要

作物秸秆添加到土壤中可以降低土壤酸度,改良土壤酸化。但秸秆全量还田后不能在短时间内转化成腐料,聚积在土壤中的未腐熟秸秆越来越多,引起土壤腐殖质组分、碳结构发生变化。腾冲高有机质酸性植烟土壤长年秸秆还田,但土壤pH仍呈逐年降低趋势。为明确长年秸秆还田酸性植烟土壤有机碳特征,通过纤维素降解菌促腐还田秸秆,解决秸秆还田酸性植烟土壤碳组分不合理的问题,进一步改良植烟土壤酸化,提高烤烟品质、产量产值。获得的主要结果如下。（1）分析不同秸秆还田量的酸性植烟土壤（腾冲长年全量秸秆还田、永安水稻收获后部分根茬还田、昌宁秸秆不还田）酸度指标及有机碳的差异,结果可以看出腾冲酸性植烟土壤潜在酸含量低,盐基饱和度高,常年秸秆还田,有机质逐年升高,但烤烟生长季土壤pH值呈逐年降低趋势。土壤中胡敏酸占可提取腐殖物质的比例（PQ）、HA/FA值、E4值及红外出峰波段1630 cm-1处的rA值和积分后相对面积均显著高于昌宁鸡飞镇及永安西洋镇土壤,E4/E6值、△logK值及A2920/A1630值腾冲取样土壤较其他两地区低,说明腾冲取样土壤腐殖物质组成HA相对含量高,有机碳结构较复杂。（2）分析腾冲土壤酸碱性与有机碳结构、腐殖质组分之间的关系。以腾冲同一土壤有机质、养分含量水平下,不同pH值的植烟土壤为研究对象,结果表明,低有机质含量土壤的HA/FA值会随着pH的增高而逐渐降低,说明活性高的碳组分逐渐增多,稳定性高的碳组分逐渐减少。高有机质含量的土壤,pH与HA/FA、PQ值呈极显著负相关关系,随着酸性的增强,HA/FA逐渐增大,稳定性高的腐殖质组分增多。同一有机质含量水平,随着pH升高,红外A2920/A1630逐渐升高。说明在一定pH范围内,同一有机质含量水平,稳定性腐殖质组分增多,土壤pH降低。（3）分析三个烟区的酸性植烟土壤添加不同类型秸秆培养过程有机碳的变化。与空白处理相比,添加秸秆显著增加了土壤有机质及腐殖质各组分有机碳含量,土壤碳结构缩合度和氧化度呈降低趋势。培养至96 d,三地区土壤腐殖质组成、碳结构较简单化的处理分别为永安添加油菜秸秆、腐熟玉米秸秆及腐熟水稻秸秆,昌宁添加腐熟水稻秸秆、腐熟玉米秸秆,腾冲空白、添加腐熟玉米秸秆、腐熟水稻秸秆,说明相比较未腐熟秸秆还田,腐熟的秸秆还田在较短时间内更易分解,不易使腐殖质组分变复杂,碳结构亦较简单化。秸秆还田配施纤维素腐解菌剂达到促腐秸秆的效果较好。（4）从腾冲高有机质酸性植烟土壤中分离出一株降解纤维素的耐酸性芽孢杆菌属。对其进行多项分类学鉴定,结果表明,菌株Bacillus aciditolerans YN-1T与菌株Bacillus onubensis 0911MAR22V3T、Bacillus humi LMG22167T、Bacillus timonensis10403023T、Bacillus sinesaloumensis P3516T和Bacillus cheonanensis PFS-5T相似度分别为98%、97.5%、97.4%、97.1%和95.9%。菌株YN-1T细胞脂肪酸谱显示具有众多支链脂肪酸;主要成分是iso-C15:0（17.6%）,anteiso-C15:0（43.1%）和C16:0（12.2%）。鉴定的极性脂质是diphosphatidylglycerol,phosphatidylglycerol,phosphatidylethanolamine。菌株YN-1T的主要甲基萘醌是MK-7,它是芽孢杆菌属成员的主要甲基萘醌成分。生理生化分类学和表型数据表明菌株YN-1T代表芽孢杆菌属中的新物种。（5）挖掘菌株Bacillus aciditolerans YN-1T纤维素降解机理,对其功能基因组学进行分析。菌株YN-1T的基因组注释共有4,023个基因参与到183个代谢通路中。主要的代谢通路有代谢途径、次生代谢物的生物合成、ABC转运、不同环境中的微生物代谢、氨基酸的生物合成、双组分系统和碳代谢等。基因组中编码CAZymes基因的数量共有126个。占比最高的是糖基水解酶GHs（60个）,其次是碳水化合物酯酶CEs（31个）。糖基转移酶GTs、多糖裂解酶PLs、碳水化合物结合模块酶类CBMs和辅助模块酶类AAs注释基因的个数分别为20个、5个、7个和3个。基因组注释包含有糖基水解酶亚家族基因,为菌株YN-1T能够降解纤维素提供了依据,分别为GH1（2个）、GH3（5个）和GH43（3个）。（6）分析配施YN-1T菌剂对土壤微生物多样性的影响。结果表明,33 d后各样本中的优势菌门分别为变形菌门、酸杆菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门。样本中微生物种类的Chao1指数、ACE指数和Shannon丰富度指数显示各处理间无显著差异。主成分分析表明随着时间推移,总的细菌丰度及多样性均无显著性变化,特别是添加了微生物菌剂的处理组与只添加秸秆的处理组无明显差异。聚类分析表明相近时间采集的样品被聚为一类,不会对原有的微生物群落结构造成很大的影响。通过微生物多样性、相对丰度及土壤pH分析可知,未腐熟水稻秸秆+微生物菌剂、腐熟水稻秸秆+微生物菌剂及腐熟水稻秸秆添加的效果较好。（7）通过大田试验,验证水稻、玉米秸秆直接还田和配施微生物菌剂还田,对酸性植烟土壤改良效果及烤烟品质的影响,确定最佳还田量。结果表明秸秆还田配施纤维素分解微生物菌剂,有利于水稻、玉米秸秆的分解,酸性土壤pH的提高。添加秸秆及添加秸秆+菌剂处理的烤烟发病率、病情指数都低于CK处理;水稻、玉米秸秆还田配施纤维素分解菌剂烤烟病情指数低于单一秸秆还田处理。与CK相比,添加秸秆配施菌剂的处理,可以提高烤后各部位烟叶钾、总糖及还原糖的含量,其中下、中部烟叶达到显著水平,且能降低烤后各部位烟叶氯含量;中部烟叶和上部烟叶添加菌剂的处理比不添加菌剂的处理烟碱含量偏低;玉米秸秆还田配施菌剂80 kg/667m2处理烤烟产值显著高于40 kg/667m2还田量的处理,与CK相比,水稻、玉米秸秆还田及配施菌剂还田能显著增加上中等烟比例,提高均价,从而提高烟叶产值。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究意义和目的

1.1.1 研究意义

1.1.2 研究目的

1.2 秸秆添加、有机碳矿化与土壤酸化之间的关系

1.2.1 植烟土壤酸化现状

1.2.2 有机碳分组及其官能团表征

1.2.3 有机碳组分与土壤酸度之间的关系

1.2.4 秸秆添加对土壤酸化改良与土壤有机碳组分的影响

1.2.5 秸秆还田对土壤及作物生长的影响

1.3 添加纤维素分解菌对秸秆腐解及应用效果研究

1.3.1 纤维素分解菌的腐解机制

1.3.2 纤维素分解菌在秸秆还田中的应用

1.3.3 纤维素分解菌对土壤微生态的影响

1.4 主要研究内容及技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

第2章酸性植烟土壤酸度指标及有机碳特征

2.1 材料与方法

2.1.1 试验土壤

2.1.2 测定方法

2.1.3 数据分析

2.2 结果与分析

2.2.1 土壤理化特征

2.2.2 土壤养分和酸度指标垂直分布特征

2.2.3 土壤腐殖质特征

2.2.4 土壤可见光谱特征

2.2.5 土壤红外光谱特征

2.3 讨论

第3章腾冲不同pH值植烟土壤有机碳特征

3.1 材料与方法

3.1.1 试验材料

3.1.2 测定方法

3.2 结果与分析

3.2.1 植烟土壤基本理化指标分析

3.2.2 有机碳及腐殖质组分分析

3.2.3 各分组土壤光谱分析

3.3 讨论

第4章酸性植烟土壤添加秸秆有机碳特征

4.1 材料与方法

4.1.1 试验土壤材料

4.1.2 试验秸秆材料

4.1.3 试验处理

4.1.4 取样时间

4.1.5 测定指标

4.2 结果与分析

4.2.1 各类型秸秆特征差异

4.2.2 各类作物秸秆添加对土壤有机质含量的影响

4.2.3 各类作物秸秆添加对土壤HA、FA的影响

4.2.4 各类作物秸秆添加红外光谱分析

4.3 讨论

4.3.1 秸秆基本特征

4.3.2 土壤有机质变化

4.3.3 土壤腐殖质组分影响

4.3.4 土壤红外光谱分析

第5章纤维素降解菌（Bacillus aciditolerans）的筛选与鉴定

5.1 材料与方法

5.1.1 菌种的筛选和纤维素降解效果试验

5.1.2 菌株YN-1T的形态学描述及生理生化鉴定

5.1.3 系统发育学特征及基因组分析

5.2 结果与分析

5.2.1 系统发育地位与基因组分析

5.2.2 生理生化鉴定

5.2.3 对滤纸及秸秆的分解

5.3 讨论

第6章 Bacillus aciditolerans纤维素降解功能基因组学分析

6.1 试验材料与方法

6.1.1 供试菌株

6.1.2 试验主要试剂和仪器

6.1.3 试验方法

6.2 结果与分析

6.2.1 原始数据质控

6.2.2 全基因组测序与组装结果

6.2.3 细菌全基因组序列功能元件分析

6.2.4 细菌全基因组生物信息学分析

6.3 讨论

第7章纤维素降解菌（Bacillus aciditolerans）对酸性植烟土壤p H及微生物多样性的影响

7.1 材料与方法

7.1.1 试验材料

7.1.2 试验处理

7.1.3 样品采集与处理

7.1.4 生物信息学分析

7.2 结果与分析

7.2.1 秸秆添加配施微生物菌剂对高有机质酸性土壤细菌多样性的影响

7.2.2 秸秆添加配施微生物菌剂对高有机质酸性土壤pH的影响

7.3 讨论

第8章纤维素降解菌（Bacillus aciditolerans）对酸性植烟土壤养分、碳特征、烤烟生长及产质量的影响

8.1 材料与方法

8.1.1 试验材料

8.1.2 试验设计

8.1.3 测定项目

8.2 结果分析

8.2.1 土壤基本理化指标分析

8.2.2 烤烟生长

8.2.3 烤烟品质

8.2.4 烤烟产量产值

8.3 讨论

第9章全文总结

9.1 结论

9.1.1 酸性植烟土壤酸度指标及有机碳特征

9.1.2 不同pH值植烟土壤有机碳特征

9.1.3 酸性植烟土壤添加秸秆培养过程有机碳特征

9.1.4 纤维素降解功能菌筛选、多项分类学鉴定

9.1.5 Bacillus aciditolerans纤维素降解功能基因组学分析

9.1.6 纤维素降解菌对酸性植烟土壤pH及微生物多样性的影响

9.1.7 秸秆还田配施纤维素降解菌对酸性植烟土壤养分、有机碳特征及烤烟生长、产质量的影响

9.2 本研究的创新点

9.3 下一步工作设想

参考文献

附表

致谢

作者简历及作者在读期间的科研成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 丁梦娇

导师: 周冀衡

关键词: 酸性植烟土壤,有机碳特征,纤维素降解菌,功能基因组学,微生物多样性,烤烟生产

来源: 湖南农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 自然地理学和测绘学,农业基础科学,农艺学

单位: 湖南农业大学

分类号: S156.6

DOI: 10.27136/d.cnki.ghunu.2019.000426

总页数: 162

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