PAEs污染对东北设施黑土土壤氮代谢的影响
东北黑土区是我国最重要的粮食生产和储存基地，其养分含量和土壤有机质含量较高，被称为"耕地中的大熊猫"。近年来，化肥、农药和塑料薄膜的大量使用致使东北黑土区农业生态系统受到了多种污染，例如有机污染和重金属污染。农业生态系统中的养分循环一直备受关注，土壤氮循环作为其中的一个关键环节，关系着整个农业生态系统的动态平衡。土壤氮素转化主要依靠于土壤微生物的活动，PAEs作为目前设施农业面源污染物之一，残留在土壤中会破坏土壤生态系统的平衡，干扰土壤微生物的群落结构和功能，对土壤氮素转化过程产生消极影响。本研究基于黑土典型设施土壤理化性质调査，结合宏基因组测序技术，并通过盆栽实验验证，解析典型有机污染物PAEs对黑土区农业生态系统氮循环最主要过程的影响，主要研究结果如下: (1)检测东北设施黑土区土壤氮素含量和土壤酶活性，在9个典型设施区域，土壤酶在ST6、ST8活性最低，在ST2、ST5、ST7酶活性最高，脲酶活性最低为8.07mg·(g·d)-1,最高为24.92mg·(g·d)-1,硝酸还原酶活性最低为0.03mg·(g·d)-1,最高为0.18mg·(g·d)-1,亚硝酸还原酶活性最低为0.04mg·(g·d)-1,最高为0.17mg·(g·d)-1。9个地区土壤中氮素含量在ST1、ST4含量最低，在ST3、ST5氮素含量最高，硝态氮和铵态氣均在ST4含量最低，分别为8.05和22.87mg·kg-1，亚硝态氮在各地区含量差异不显著，平均为11.74mg·kg-1，全氮在ST1含量最低为43.43mg·kg-1,在ST5含量最高为98.33mg·kg-1。在探明典型设施黑土土壤氮素含量及酶活性变化的基础上，通过对土壤环境因子、东北设施黑土区土壤氮素和土壤酶相关性分析得到对土壤氮素含量影响显著的环境因子是DEHP、DMP、DPP、BMPP和DMEP，对土壤酶影响显著的环境因子是土壤含水量、土壤pH、DEHP、DMP、DPP、BMPP和DMEP。 (2)宏基因组测序结果表明:东北黑土区设施农业土壤中参与氮循环优势菌属有Bacillus(芽孢杆菌属）、Acinetobacter(不动杆菌属）、Stenotrophomonas(寡养单胞属）、Pseudomoas(假单胞菌属）、Geodermatophilus(嗜地皮菌属）、Rhodopseudomonas(红假单胞菌属），这些优势菌属在PAEs低水平地区丰度较高，PAEs高水平地区丰度相对较低。冗余分析结果表明PAEs是影响氮代谢土壤微生物群落分布的主导因子（r=0.81，P＜0.01),进一步探究受PAEs污染的设施黑土区土壤菌群的差异类别，土壤微生物属水平进行LEfSe分析发现Oscillatoria(颤藻属）、Rhodopseudomonas(红假单胞菌属）、Thiobacillus(硫杆菌属）是对PAEs污染敏感的主要菌属。RDA分析结果表明PAEs是影响设施黑土区土壤氮循环功能基因丰度的主要环境因子（r=0.74，P＜0.05),其中DEHP是对土壤氮循环功能基因影响最大的PAEs物质（r=0.78，P＜0.05)。 (3)基于对东北9个设施农业土壤的调査研究结果，模拟设施盆栽试验，结果表明不同浓度DEHP对东北设施黑土土壤氮代谢具有显著影响，20mg·kg-1DEHP污染显著影响了土壤氮素含量，与CK相比使土壤全氮含量降低了39.36％,铵态氮降低了19.15％，硝态氮减少了19.51％。不同浓度DEHP对土壤酶的影响如下:前35天中DEHP对脲酶以抑制作用为主，浓度越高抑制作用越强，相比CK脲酶活性减少了12.54％-31.90％;土壤硝酸还原酶在试验期间呈现先上升后下降趋势，前21天中5mg·kg-1DEHP对酶活性以激活作用为主，相比CK提高了6.12％和6.57％;土壤亚硝酸还原酶活性与DEHP浓度呈负相关，浓度越高，活性越低。在DEHP处理组中，DEHP污染显著影响了土壤氣素转化基因丰度，随着DEHP浓度增加下调了土壤氮代谢硝化(AOB、amoA),反硝化基因(norB、nirK、nosZ)的丰度，有植物组（D5、D10、D20)土壤中的硝化和反硝化基因丰度随着DEHP浓度的升高逐渐降低，冗余分析结果表明pH是影响DEHP污染条件下氮循环功能基因丰度的主要驱动因子。土壤中添加DEHP与对照相比增加了氮循环优势菌属中的芽孢杆菌属、不动杆菌属的丰度，增幅为16.71％-51.01％、9.81％-63.79％,抑制了寡养单胞菌属、嗜地皮菌属、红假单胞菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属的相对丰度，降幅分别为17.10％-39.14％、18.95％-95.56％、23.16％-88.42％,49.84％-93.65％。
黑土;DEHP;土壤氮循环;微生物群落构成;土壤酶活性;微生物群落
东北农业大学
硕士
农业资源利用
李大鹏;陈威
2022
中文
S155.27
2022-11-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）