灌溉水质对土壤氨氧化和反硝化微生物的影响

作     者：周志峰 

作者单位：中国科学院研究生院 

学位级别：博士

导师姓名：贺纪正

授予年度：2011年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：灌溉水质 土壤氨氧化 反硝化微生物 土壤生态功能 

摘      要：中国是一个水资源短缺的国家，在北方地区，水资源的供需矛盾尤为突出。中水(污水)回用于农业灌溉是缓解水资源紧张的重要途径之一，在解决水资源短缺问题的同时，也能充分利用其含有的对作物生长有利的营养元素，尤其是氮。但是，长期使用“不清洁水源灌溉也可能给土壤环境带来一些不必要的负面影响。目前，对中水(污水)回用的研究主要集中在重金属等污染物积累转化的研究上；而随着包括氮在内的大量营养物质随中水(污水)进入土壤后，土壤中功能微生物以及土壤生态功能的变化也只是在近几年才逐渐开始关注。例如，中水(污水)灌溉可能导致土壤氮素损失及氧化亚氮(N2O)等温室气体排放量的增加。但是，这些土壤氮循环功能方面的变化与土壤中氮转化有关的功能微生物的关系还缺乏系统研究，尤其是在氨氧化过程与反硝化过程两个方面的系统研究上。\n 北京是一个快速发展的具有悠久历史的特大城市，其污水灌溉的历史相对较长。本文以北京市郊三个典型的长期采用不同水质水源灌溉的农田土壤为研究对象，以氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria, AOB)的氨单加氧酶(Ammonia monooxygenaseA，amoA)基因及反硝化相关的nirS(cd1-nitrite reductasegene)、nirK(Cu-nitrite reductase gene)及nosZ(nitrous oxide reductase gene)基因为分子标识物，通过Real-time PCR和变性梯度凝胶电泳(DGGE)等分子生物学方法，对长期不同水质灌溉下的农田土壤中氨氧化、反硝化微生物的丰度和群落组成进行了研究；并通过室内模拟不同强度的中水灌溉培养实验，进一步研究了短期中水灌溉对土壤中氨氧化、反硝化微生物的活性、丰度及群落组成的影响。同时，通过短期的室内培养实验，研究了污水灌溉中常见的伴生污染物(汞，Hg)对土壤氨氧化、反硝化微生物的活眭、丰度及群落组成的影响。研究结果如下：\n 1．对长期不同水质灌溉下土壤样点的调查表明，长期污水、中水灌溉增加了土壤的硝酸盐含量，对土壤中AOA、AOB amoA基因的丰度没有明显影响，但明显增加了土壤AOAamoA基因的群落多样性。污水、中水灌溉增加了土壤中nir基因的丰度，污水灌溉土壤中nir S基因的丰度显著高于清水灌溉区，污水、中水灌溉对土壤中nosZ基因的丰度均没有影响。污水、中水灌溉提高了土壤中nirS，nirK基因的多样性，其中对nir K因的影响最为明显，而nosZ基因相对稳定。因此，长期污水、中水灌溉能够影响土壤中氨氧化和反硝化微生物。其中AOA的响应较AOB敏感，反硝化基因中，nir基因的响应最为明显，nir S次之，nosZ相对稳定。这可能是由于不同的土壤氮循环功能微生物类群对长期硝酸盐胁迫有不同的反应。\n 2．室内模拟不同强度中水灌溉的实验结果表明，中水灌溉增加了土壤中硝酸盐的含量；短期中水灌溉对土壤氨氧化活眭没有明显的影响，但明显增加了土壤的反硝化活性；短期中水灌溉下，土壤氨氧化、反硝化功能基因的丰度和多样性与长期中水灌溉下的响应不尽相同，培养的第28天，中水灌溉土壤中AOA amoA、nir及nosZ基因的丰度低于CK，其它基因的丰度与CK没有差别；总体来看，短期中水灌溉对各功能基因群落组成的影响均比长期灌溉的影响要小，但是中水灌溉土壤中氨氧化菌的amoA以及nir基因在短期内还是表现出与CK中不同的群落组成。由此可见，短期中水灌溉下土壤中的氨氧化、反硝化功能基因的响应与长期污水、中水灌溉的有所不同。但是短期的中水灌溉能够影响土壤氮循环过程，增加土壤反硝化活性，由此推测长期的中水、污水灌溉极有可能对土壤氮循环过程产生影响。\n 3.含Hg土壤的培养实验发现，Hg能够迅速抑制土壤的氨氧化活性；土壤氨氧化菌amoA基因的丰度对Hg没有迅速的响应，只是到第28天，各含汞处理土壤中amoA基因的丰度才显著低于CK； Hg的加入明显改变了土壤AOB amoA基因的群落组成，而AOAamoA基因的群落结构没有发生明显的改变。高浓度的Hg(100 mg kg-1 dry soil)对土壤反硝化活性有迅速的抑制效应，而相对较低浓度的Hg(25,50 mg kg-1 dry soil)在培养一周时，能刺激土壤反硝化活性；土壤nirS、nirK基因较nosZ基因对Hg胁迫有更为敏感的响应。由此可见，Hg的加入对土壤氨氧化和反硝化活性有不同的影响，不同的氨氧化、反硝化功能基因在Hg胁迫下也有不同的响应。\n 综上所述，本文探讨了长期、短期不洁净水源灌溉对土壤氮循环相关功能微生物的影响，发现长期不洁净水源灌溉引起土壤中硝酸盐含量的增加