荒漠绿洲农田土壤微生物群落结构和功能对盐渍化时空动态的响应

Stable structure and normal-runninged function of soil microbial community are important guarantees for preserving whole service function of soil ecosystem. However, the dynamics and the response mechanism of soil microbial community structure and function to salinization processes are unclear in farmlands of desert oasis. Soils with different salinity which will come from a long-term located experiment in farmlands of desert oasis will be selected in this project. Based on the PLFA and metagenomic sequencing technology, the evolution characteristics of physicochemical environment, fungal and bacterial biomass, ammonia oxidizing bacterial community composition and microbial function of rhizosphere and non rhizosphere soil in different growth period of cotton will be studied. The effects of changed soil environment which will be induced by temporal and spatial dynamics of salinization on evolution of soil microbial community structure will also be investigate. In addition, the project will analyze the effects of changed soil microbial community structure on chief microbial function. Thereby, the response mechanism of soil microbial community structure and function to the temporal and spatial dynamics of salinization will be revealed. The results of these researches will be useful for comprehensive understanding of the intrinsic evolution mechanism of saline soil ecosystem’s service function. Finally, the project will provide a scientific basis for regulating salinization processes for farmlands of desert oasis.

土壤微生物群落结构的稳定与功能的正常运转是维持土壤生态系统整体服务功能的重要保障，但荒漠绿洲农田土壤盐渍化过程中的微生物群落结构和功能动态及其响应机制尚不明确。本项目以荒漠绿洲农田长期定位试验为依托，以不同盐渍化程度棉田土壤为研究对象，运用PLFA和宏基因组测序技术，系统研究不同生育期根际与非根际土壤环境、细菌和真菌生物量、氨氧化细菌群落组成及主要微生物功能的演变特征，解析盐渍化时空动态变化过程中土壤环境的变化对微生物群落结构演变的影响，探讨微生物群落结构的改变对其主要生态功能发挥的影响，从而揭示土壤微生物群落结构和功能对盐渍化时空动态的响应机制。研究成果有助于全面认识盐渍化土壤生态系统功能演变的内在机制，为荒漠绿洲农田土壤盐渍化过程调控提供科学依据。

盐渍化是威胁荒漠绿洲生态系统稳定与可持续发展的重大生态环境问题，全面认识盐渍化演替过程中土壤生态系统结构和功能演变的内在机制是破解盐渍化难题的关键。微生物是土壤生态系统中最重要的组成部分之一，但盐渍化土壤微生物群落结构和功能的演变机制尚不明确。本项目采用农田定位试验、田间调查取样和室内测试分析相结合的方法，以不同盐渍化程度棉田土壤为研究对象，开展土壤微生物群落结构和功能对盐渍化时空动态的响应研究，主要研究成果：（1）明确了根际与非根际土壤理化因子随盐渍化演替的变化规律及其季节性动态。盐渍化发展过程中，pH值和OC含量减小，在作物生育期内，盐分离子呈波动变化趋势，pH值持续增大，OC含量逐渐减小。根际盐分离子富集现象随盐渍化程度加剧而减弱，根际酸碱度变化小于非根际，且根际没有出现显著的养分亏缺现象。（2）阐明了根际与非根际土壤细菌和真菌群落结构、微生物功能多样性随盐渍化演替的规律及其季节性动态。盐渍化发展过程中，细菌群落结构多样性增加，优势菌群相对丰度呈梯度增减趋势，但真菌群落多样性变化较小，仅少量菌群相对丰度在科、属水平上出现显著差异。根际比非根际呈现更高的细菌和真菌多样性，且根际细菌类群中囊括了大多数非根际细菌，但根际真菌类群与非根际差异较大。盐渍化显著抑制微生物代谢活性，但即使在极重度盐渍化土壤中，微生物仍能通过碳源利用种类调节维持较高的功能多样性，并能调节不同生育期的代谢需求。（3）揭示了微生物群落结构和功能对盐渍化时空动态的响应路径。盐渍化通过直接和间接作用影响微生物群落结构和功能，其中，土壤HCO3离子对直接影响起决定性作用，Na和Cl离子不仅直接影响微生物群落结构，还和SO4离子一起通过降低pH值和OC含量间接影响微生物群落结构和功能。该研究成果不仅拓展了盐渍化土壤物理、化学和微生物过程研究的理论体系，还为荒漠绿洲农田土壤盐渍化过程调控提供了决策参考，具有重要的理论与实践意义。