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黄土旱塬地区面积广,占全国耕地面积的七分之一以上,是我国西北地区粮食主产区。但该区域资源匮乏,生态环境脆弱,肥力普遍较低,从而限制了小麦产量提高。目前虽然许多学者对于黄土旱塬农田做了大量研究,但多集中于土壤水分、碳氮磷养分库和产量的研究,而利用分子生物学手段研究其功能微生物还相对较少。基于以上论述,本研究以长武黄土高原农业生态试验站的长期定位试验为平台,通过荧光实时定量PCR(Real-time PCR)技术,进行了黄土旱塬农田土壤微生物特征研究。本文共选用了具有代表性的28种施肥制度(大致可分为三类,1.不同磷(P)梯度(6 个,N12、N12P6、N12P12、N12P18、N12P24、N12P12K12)。2.氮(N)、磷(P)梯度:高 N 水平,N.P 梯度(6 个,CK1、P12、P24、N24、N24P12、N24P24);中 N水平,N.P 梯度(6 个,N6P6、N6P12、N6P18、N18P6、N18P12、N18P18)。3.碳(C)、氮(N)、磷(P)混施(10 个,CKB、CK2、CKc、N16、P8、M、N16M、P8M、N16P8、N16P8M)),测定了其理化生性质以及微生物丰度,并分析了土壤微生物丰度与环境因子之间的关系。本文的主要研究结论:(1)长期施肥处理显著增加了土壤总有机碳(TOC)、全氮(TN)、微生物碳(MBC)含量,pH显著降低,为细菌生存营造了适宜的生存环境。细菌和土壤有机碳、土壤全氮、土壤矿化氮呈正相关,与土壤pH呈负相关;土壤铵态氮含量、硝态氮含量以及呼吸速率在氮肥添加时均表现出强烈的促进作用。土壤氨氧化细菌(AOB)与土壤铵态氮含量、硝态氮含量呈正相关。(2)除单一C源添加外,长期施肥处理均增加了土壤细菌和古菌丰度。C、N添加处理和C、P处理以及C、N、P添加处理对细菌和古菌的增加趋势最为显著。单施化肥处理细菌数量较CK裸地增加21%,古菌增加32%;化肥配施有机肥处理细菌数量增加37%,古菌数量增加36%。化肥配施有机肥处理显著增加了土壤细菌和古菌的丰度。(3)氨氧化古菌(AOA)可能是黄土旱塬农田土壤中古菌微生物群落的主要组成。在未添加肥料处理或者添加低氮处理情况下,氨氧化古菌丰度是远高于氨氧化细菌的。但氨氧化细菌对肥料添加处理的响应度度较高,尤其是氮肥添加。氨氧化细菌丰度与铵态氮、硝态氮呈正相关的关系。未添加任何肥料处理的小麦田(CK2)的AOA/AOB为3.25,单一添加N肥处理的小麦田(N16)的AOA/AOB已低至0.48。在添加高氮处理下,氨氧化细菌丰度高于氨氧化古菌。(4)黄土旱塬农田土壤中亚硝酸还原酶基因(nirS cd)丰度均为每克109个基因拷贝数,单一 C源供给对土壤亚硝酸还原酶数量的影响较弱,但C源供给与N、P混合添加处理对土壤亚硝酸还原酶数量有较强的促进作用。长期有机肥与无机肥同时添加处理对黄土旱塬农田土壤亚硝酸还原酶丰度有明显促进作用。固氮酶铁蛋白(nifH)和甲烷氧化菌(pmoA)都是对低浓度的P添加特别敏感,高浓度的P添加对其影响并不显著。(5)耕作土地弃耕后,原本开放性的农田生态系统转变为封闭或者半封闭物质循环的农田生态系统,农田中大量的残枝落叶或者根系分泌物再次回到生态系统中,而且随着植被自身演替的进程,微生物活性逐渐增强,微生物量慢慢增多。研究中,我们发现撂荒地的土壤pH值、含水率、固氮酶铁蛋白、亚硝酸还原酶和甲烷氧化菌都较高,显著高于耕作土壤。耕作方式对土壤性质及微生物群落产生了显著的影响。