湿地农业研究论文提纲

论文题目：农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤氮素矿化作用的影响及机理研究

摘要：泥炭沼泽湿地由于处于长期或季节性水淹环境,好氧微生物数量少,活性弱,动植物残体分解缓慢,自然状态下有机物的分解速率小于储藏速率,所以其有机质含量高,是地球系统天然的碳库和氮库。20世纪50年代,为了解决人口增长导致的粮食危机,泥炭沼泽湿地也成为了开垦的主要对象之一,迄今为止我国湿地开垦面积超过1×10~8 hm~2,东北作为全国大粮仓,对其贡献率最大。泥炭沼泽湿地开垦及排水等农业活动使得土壤总氮和有机质含量显著降低,而土壤矿化作用就是土壤氮素释放的关键环节。随着土地耕种的发展,水文情况、沉积物输入情况及土壤理化性质的变化都会导致土壤氮素矿化作用的改变,这也是农业开垦导致泥炭沼泽湿地退化的最典型过程。但目前关于泥炭沼泽湿地开垦对土壤氮素矿化作用的影响程度、过程及机理仍不清楚,尤其是矿化作用与微生物相关性的研究相对匮乏。基于以上背景,本研究以东北长白山区龙湾国家级自然保护区典型泥炭沼泽区域为研究区,以土壤氮素矿化过程及影响因素为重点,选取开垦前后不同利用类型的土地,通过实地调查取样方式研究农业开垦对土壤环境因子、理化性质和土壤酶活性的影响,采用高通量测序技术及qPCR技术分析开垦对土壤微生物群落结构的影响,使用原位培养法测定土壤矿化作用强度,分析土壤理化性质、微生物群落结构及土壤矿化作用的相互关系,揭示泥炭沼泽湿地退化过程及机制,为开展退耕还湿等生态保育与恢复措施提供科学依据。通过研究获得以下主要结论:（1）农业开垦显著改变泥炭沼泽湿地土壤理化性质及土壤环境,进而影响土壤中各形态氮素的含量。具体表现在开垦显著增加土壤容重、土壤黏粒、粉粒含量,降低土壤砂粒含量。开垦降低土壤有机质（SOM）、有机碳（SOC）、总氮（TN）、碳氮比（C/N）、可溶性全氮（DSN）、可溶性有机氮（DON）、颗粒有机氮（PON）,其中开垦为水稻田和旱田使土壤TN含量分别降低13.36%和67.86%,PON含量由12.88 g/kg降低至7.62 g/kg和1.7 8g/kg。除施肥季节外,农业开垦降低土壤微生物量氮（MBN）、无机氮（DIN）含量。开垦可以提升土壤pH、氧化还原电位（OPR）、全磷（TP）,玉米田TP含量为泥炭沼泽湿地的3.96倍。泥炭沼泽湿地开垦过程中环境因子、土壤理化性质都显著影响土壤各形态氮素的含量,开垦降低了环境因子（温度、含水率）及土壤理化性质（pH、OPR）对土壤各形态氮素含量的影响,增加了养分含量（SOC、TP）及各形态氮素间的相互影响。（2）农业开垦显著改变了土壤细菌群落结构,增加了土壤微生物群落多样性,Shannon指数表现为:水稻田＞玉米田＞泥炭沼泽湿地。农业开垦显著增加了泥炭沼泽湿地土壤好氧细菌Actinobacteria、Gemmatimonadetes、Patescibacteria的相对丰度,显著降低了水生细菌Planctomycetes、Firmicutes、Nitrospirea、厌氧细菌Spirocheates的相对丰度,其中Actinobacteria相对丰度差异最显著,不同的开垦方式分别增加4.99%和22.09%,造成细菌群落组成显著差异的主要因子为SOC、OPR、TN。农业开垦对土壤矿化过程相关功能基因的影响表现为:开垦为玉米田降低土壤apr含量,开垦增加了土壤AOA-amoA、AOB-amoA、nxrA的绝对丰度。在水淹性土地利用类型泥炭沼泽湿地和水稻田中,AOB-amoA含量高于AOA-amoA,在玉米田土壤中AOB-amoA绝对丰度则低于AOA-amoA。开垦过程中PON、TN、OPR和pH导致了功能基因含量的差异。（3）农业开垦和季节变化显著影响土壤氮素矿化作用,开垦会降低土壤氨化速率,开垦为玉米田使土壤氨化速率从1.12 mgN/kg/d降低至0.02 mgN/kg/d。开垦会增加土壤硝化速率,并且对总的净氮矿化作用起到促进作用。开垦为水稻田和玉米田使土壤年均硝化速率从-0.46 mgN/kg/d增加至0.34 mgN/kg/d和1.99 mgN/kg/d。不同的开垦方式使得土壤8月的矿化速率从-1.14 mgN/kg/d增加至1.51 mgN/kg/d和2.41 mg N/kg/d。泥炭沼泽湿地及水稻田氨化作用速率始终表现为正值,随着季节变化先增加,在6月达到最大值,随后减少,而玉米田中表现为相反的趋势。三种土壤硝化速率均表现为先增加后减少,只有玉米田始终表现为正值,三种土壤矿化速率峰值均出现在6月。（4）开垦过程含水率、植物生物量、土壤物理性质、OPR、SOM、SOC、TN、TP、DIN、MBN、DSN、PON的变化导致氨化速率的变化,温度、土壤含水率、物理性质、pH、OPR、SOM、SOC、TN、TP、C/N、DSN、DON、PON的变化引起硝化速率的变化,土壤温度、植物生物量、物理性质、pH、OPR、TN、TP、NH4+-N、DON、PON的变化与矿化速率的变化相关。开垦降低了土壤矿化速率与含水率、土壤pH、OPR的相关性,增加了土壤温度、SOC、SOM、TN及各种氮素组分与矿化速率的相关性。（5）土壤矿化作用相关功能基因与土壤矿化速率的分析结果表明,硝化速率与AOB-amoA、apr、AOA-amoA呈正相关关系,nxrA与矿化速率和氨化速率呈正相关关系。氮素矿化路径分析结果表明在泥炭沼泽湿地中土壤矿化作用由AOA-amoA及nxrA限制,在水稻田中由nxrA限制,玉米田中由apr控制。

关键词：泥炭沼泽开垦;土壤氮库;矿化作用;微生物群落结构;泥炭地退化

学科专业：生态学

资助课题

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景与问题

1.2 国内外研究现状

1.2.1 土壤氮素组分

1.2.2 泥炭沼泽湿地生态系统氮素迁移转化过程

1.2.3 土壤矿化作用的研究方法

1.2.4 农业开垦过程中土壤矿化作用变化的影响因子

第二章 研究区概况及研究方法

2.1 研究区概况

2.2 研究目标与研究内容

2.3 研究意义

2.4 技术路线

第三章 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤理化性质的影响

3.1 研究材料与方法

3.1.1 采样点设置

3.1.2 样品采集与分析

3.1.3 数据分析

3.2 结果

3.2.1 农业开垦对土壤环境因子的影响

3.2.2 农业开垦对生产力的影响

3.2.3 农业开垦对土壤理化性质的影响

3.2.4 土壤氮素组分的影响因子

3.3 讨论

3.3.1 农业开垦对泥炭沼泽土壤理化性质的影响

3.3.2 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤氮素组分的影响及因素分析

3.4 小结

第四章 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤微生物群落结构的影响

4.1 研究材料与方法

4.1.1 实验设计

4.1.2 16S多样性测序

4.1.3 qPCR

4.1.4 数据分析

4.2 结果

4.2.1 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤细菌群落结构的影响

4.2.2 土壤细菌群落与土壤因子的冗余分析

4.2.3 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤矿化相关功能基因丰度的影响

4.2.4 土壤矿化作用相关功能基因与土壤因子的冗余分析

4.3 讨论

4.3.1 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤细菌群落结构的影响

4.3.2 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤氮素矿化作用相关功能基因的影响

4.4 小结

第五章 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤矿化作用的影响及机理

5.1 研究材料与方法

5.1.1 实验设计

5.1.2 矿化速率计算

5.1.3 数据分析

5.2 结果

5.2.1 农业开垦对土壤氮素矿化速率的影响

5.2.2 农业开垦前后土壤氮素矿化速率与环境因子相关性

5.2.3 农业开垦过程中土壤矿化速率与生产力的相关性

5.2.4 农业开垦过程中土壤矿化速率与土壤理化性质的相关性

5.2.5 农业开垦过程中土壤矿化速率与微生物群落结构冗余分析

5.2.6 土壤氮素矿化途径

5.3 讨论

5.3.1 农业开垦对泥炭沼泽湿地土壤矿化作用的影响

5.3.2 农业开垦过程中土壤氮素矿化作用的影响因素

5.4 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢