毛竹林土壤氮循环相关微生物群落结构特征及其演变规律与土壤氮转化关系

Mao Bamboo industry has been developed very fast and become one of the competitive industries in modern forestry and pillar industry in southern China. The total area of bamboo has been more than 5.51 million ha, and Mao bamboo is the most popular bamboo species accounting for 3.5 million ha, and therefore act as the important supplier of timber in southern China. The objective of this project is to make it play more important role in economy, society and ecology and improve bamboo quality and being sustaining developed. Bamboo is an N favorite species and microbial droved N cycling is close related to N supply of soil. This proposal is focus on the relationship between N cycling and N-related microbes. In combination with soil properties and especially N available indicators, charactering biodiversity, communities, functional gene quantitative and its expression level of N cycle-mediated microbes. The results will supply the useful guide for Mao bamboo sustainable development

我国竹产业发展迅速，已成为现代林业的优势产业和区域经济的支柱产业。现有竹林面积551万公顷，其中毛竹350多万公顷，毛竹已成为我国南方地区主要的用材林。为了使毛竹更大程度地发挥其在经济社会发展和生态环境中的作用，提高毛竹产量并保证竹林可持续发展是关键。毛竹是喜氮植物，土壤微生物驱动的氮素循环过程与氮素供应密切相关。本项目针对土壤氮循环微生物与氮素转化的关系，结合土壤理化性质和氮素指标，应用分子生物学技术，开展毛竹土壤氮循环微生物多样性、群落结构、功能基因含量及表达水平的研究，旨在揭示毛竹纯林土壤氮循环微生物群落结构特征；阐明毛竹不同经营模式对土壤氮循环微生物群落结构特征的影响及其演变规律；明确土壤氮循环微生物对施肥及硝化抑制剂等重要生产措施的反应及其与氮素供应关系；以指导毛竹可持续发展。

应用PCR-DGGE和Real-time PCR等分子生物技术、结合土壤性质特别是氮素指标，研究毛竹林土壤氮素相关微生物特征以及氮素转化关系。（1）揭示了毛竹纯林与阔叶林土壤固氮细菌群落结构存在明显差异，毛竹土壤固氮细菌多样性低于阔叶林，而土壤固氮基因（nifH）丰度高于阔叶林土壤；表层土壤固氮酶活性阔叶林高于毛竹林，而表下层则正好相反；毛竹林土壤净氮矿化率和净硝化率、土壤氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的功能基因丰度显著高于（P<0.05）阔叶林。(2）揭示了毛竹入侵并替代阔叶林后，土壤净硝化率增加，而AOA和AOB则反而下降，天目山毛竹入侵阔叶林对AOA和AOB数量均有较大的负影响，而对煤山镇毛竹入侵的影响主要是AOA。毛竹入侵过程中土壤固氮细菌多样性和功能基因丰度变化规律性不一致，多样性指数天目山增加、煤山下降，功能基因丰度正好相反，天目山下降、煤山增加。（3）阐明了粗放经营状态下马尾松林改造成毛竹林5年后土壤AOA和AOB功能基因丰度减少，随着栽培历史的增加AOA一直较低水平，而AOB则总体呈现反复波动的趋势；改种毛竹林短期内土壤固氮菌群落多样性和丰度大幅度增加，整体表现为增加、下降、恢复的动态模式, 土壤固氮菌群落结构随着栽培时间变化明显。毛竹林长期集约经营导致土壤AOA和AOB丰度均随着时间明显增加；而集约经营初期固氮细菌nifH基因多样性和丰度均呈降低趋势，表层土壤至15a处理时达最小值，而随着经营年限的增加多样性和丰度有所恢复。长期而言，无论是粗放经营和集约经营措施不会对土壤固氮细菌产生不良影响。（4）明确了硝化抑制剂DMPP对毛竹林土壤氨氧化作用的抑制效果持续（90天）时间比DCD（40天）更加持久、更高效，两种硝化抑制剂主要通过抑制AOB起作用，但抑制作用不是在蛋白质表达环节，可能是酶的活性抑制。为了使硝化抑制剂持续时间更长，需要同时调节土壤pH至中性，毛竹生产上推荐施用全氮含量1%DMPP为用量。