基于宏基因组学技术长期定位施肥棕壤中微生物群落结构与土壤肥力的关系研究

The soil microorganism biochemical process constitutes the core of agricultural and regional soil nutrient cycle model, which community structure and the changes reflect the quality and integrity of soil to a certain extent, and soil quality is the significant content of agricultural sustainable development. Through the long-term positioning fertilization research, we can comprehend soil physiological function and nutritional characteristics under different fertilization systems. The project is based on Shenyang Agriculture University long-term positioning fertilization on the brown soil test, choosing 12 different fertilization treatments as the research objects, comparing 6 kinds of soil total DNA extraction methods and select the optimum method; extract total DNA and build up 12 metagenome Fosmid libraries of different fertilization treatments, carry-out an analysis of the Fosmid library characteristics; ensure the quality of the library; analysis of the change of each library microbial community, combining clone sequencing analysis with PCR-DGGE, BIOLOG, discussing the difference between edaphon community structure and metabolism diversity under different long-term positioning fertilization systems; which to clarify the relationship between fertilization system and edaphon community structure; providing the theoretical basis of soil quality and realizing the soil's sustainable utilization.

土壤微生物的生化过程构成了农业和区域性土壤中养分循环模式的核心，其群落结构组成及其变化在一定程度上反映了土壤的质量及其健全性，而土壤质量是农业可持续发展的重要内涵。通过长期定位施肥研究，可以全面地了解不同的施肥制度下土壤的生理功能和营养特性。本项目以沈阳农业大学棕壤长期定位施肥试验站为研究基础，选用12个不同施肥处理为研究对象，通过比较6种土壤总DNA的提取方法，综合筛选出最适方法，并据此法提取土壤总DNA构建12个不同施肥处理的宏基因组Fosmid文库，对Fosmid文库进行特征分析，确定所构建文库的质量状况，分析各文库微生物群落的变化，并运用克隆子测序分析与 PCR-DGGE、BIOLOG 相结合的方法，探讨长期定位不同施肥制度土壤微生物群落结构组成与代谢功能多样性的差异，以阐明施肥制度与土壤微生物群落结构之间的关系，为建立合理施肥制度，提高土壤质量和实现土壤可持续利用提供理论依据。

土壤微生物生物量、土壤酶、微生物群体结构及功能多样性等均可看作目前具有潜力的评价土壤质量的生物学指标，可以作为预示土壤变化的标志，并在一定程度上反映了土壤的质量及其健全性。本项目以沈阳农业大学棕壤长期定位施肥试验站为研究基础，选用15个不同施肥处理为研究对象，研究结果表明：（1）长期向土壤施有机肥，可以提高土壤微生物量氮的含量，而长期化肥配施有机肥的土壤其土壤微生物量氮的含量明显高于单施化肥的土壤，说明配施有助于提高土壤肥力；（2）施高量氮肥对土壤脲酶、土壤蔗糖酶的活性均有一定的抑制作用，长期无机与有机肥配施，则会增加土壤脲酶活性，增施有机肥，则土壤蔗糖酶活性更高，过氧化氢酶则刚好相反，长期不施肥处理酶活性最高，在所有施肥处理中，施氮磷化肥能提高土壤过氧化氢酶活性，降低过氧化氢的毒害作用；（3）Beta多样性分析：CK与N2、M1N2微生物群落的差异性最大，可见增施氮肥对微生物群落的影响很大，仅施用有机肥，土壤微生物群落相似，且与施肥量的多少无关，单施无机肥或单施有机肥对于土壤微生物群落改变的影响较大，而有机肥得施用能够减少增施氮肥对于土壤微生物群落的影响；（4）Alpha多样性分析-土壤微生物丰富度：单施有机肥、无机肥会导致土壤微生物的种类数量减少，有机肥无机肥配施可提高土壤微生物的种类数量，而单施高量氮肥可显著降低土壤微生物的种类数量；土壤微生物多样性：施用无机肥可显著的降低土壤微生物的多样性，尤其单施高量氮肥会显著的降低土壤微生物多样性，而有机肥的施入，可缓解单施高量氮肥对土壤微生物多样性的负作用，CK处理的土壤微生物多样性也较高，可见施肥对于土壤微生物多样性没有显著的促进作用。本研究结果结果对于指导平衡施肥与土壤养分管理，提高肥料利用率，实现土壤合理利用和农田可持续利用具有一定的实践意义，为建立合理施肥制度，提高土壤质量和实现土壤可持续利用提供理论依据。