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秸秆还田方式与施肥对水稻土壤微生物学特性的影响

2020-12-28阅读(501)

秸秆还田方式与施肥对水稻土壤微生物学特性的影响

论文摘要

土壤肥力对于保证粮食安全及农业的可持续发展具有重要意义,施肥是影响作物产量的关健因子,找到施肥的临界点可为土壤肥力的保持和避免因过量施肥造成土壤污染提供科学依据。为研究秸秆还田方式和施肥对水稻土土壤质量的影响,四川省农业科学院于2002年以来在四川广汉市西高镇建立了秸秆覆盖还田试验以及在连山镇建立了秸秆翻埋还田试验,并对秸秆还田方式和施肥下土壤的理化性质以及作物产量进行了研究,为深入认识秸秆还田方式和施肥对水稻土质量的影响奠定了基础。本文在前人已有研究基础上,运用平板菌落计数对不同施肥制度下的土壤可培养微生物数量进行了测定,利用化学分析法对土壤微生物生物量碳、氮和土壤酶活进行了分析,并且应用变性梯度凝胶电泳（DGGE）分子标记技术对秸秆还田方式和施肥下细菌、真菌、固氮菌、氨氧化细菌和氨氧化古菌等微生物群落结构特征进行了研究。文章结果总结如下：（1）秸秆覆盖还田和施肥对土壤微生物数量、微生物量及土壤酶活的影响结果表明：在水稻幼穗分化期和水稻收获后,与对照只施肥而没有秸秆还田处理（CK）相比,秸秆覆盖还田配施足量氮磷钾肥处理（SCK）能显著增加土壤微生物数量、土壤微生物量碳和量氮、土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶酶活,而显著降低土壤多酚氧化酶活性（P≤0.01）；同时秸秆覆盖后不施用钾肥的处理（SNP）、低氮肥处理（SNL）以及不施用磷肥的处理（SNK）的土壤微生物数量、微生物量碳和量氮、脲酶、转化酶和磷酸酶酶活均显著低于秸秆覆盖还田配施适量氮磷钾的处理,而多酚氧化酶活性则显著相反（P≤0.01）。（2）秸秆覆盖还田和施肥对土壤细菌群落结构及多样性的研究结果表明：在水稻幼穗分化期和水稻收获期,0～10cm的土层中,秸秆覆盖还田配施足量氮磷钾肥的处理细菌多样性显著高于单施肥而无秸秆还田的处理、秸秆覆盖还田只配施低氮肥和不施磷肥的处理（P≤0.01）,但它与秸秆覆盖还田不配施钾肥的处理没有显著差异（P≥0.05）。在10-20cm的土层中,秸秆覆盖还田配施足量氮磷钾的处理细菌多样性显著高于单施肥无秸秆处理、秸秆还田低氮处理、秸秆还田不施钾肥处理和秸秆还田不施磷肥处理（P≤0.01）。DGGE优势条带测序表明：秸秆还田处理土壤的优势菌群包括,β变形菌纲（Beta proteobacteria）的杜擀氏属（Duganella sp.）、α-变形菌纲（Alpha proteobacteria）红游动菌属（Rhodoplanes sp.）和磁螺菌属（Magnetospirillum sp.）、绿弯菌门（Chloroflexi）、地杆菌属（Geobacter）、绿弯菌门（Chloroflexi）、暖绳菌科（Caldilineaceae）、厌氧绳菌科（Anaerolineaceae）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）。对照处理土壤的优势细菌为,厚壁菌门（Firmicutes）、β变形菌纲（Beta proteobacteria）的杜擀氏属（Duganella）、绿弯菌门（Chloroflexi）、α-变形菌纲（Alpha proteobacteria）的红游动菌属（Rhodoplanes）和磁螺菌属（Magnetospirillum）。（3）秸秆覆盖还田和施肥对土壤真菌群落结构和多样性研究表明：水稻幼穗分化期,在0～10cm和10～20cm土层中,秸秆覆盖还田配施足量氮磷钾的处理真菌多样性都明显高于无秸秆覆盖的对照组（P≤0.01）。水稻收获后,在0～10cm土层中,秸秆覆盖还田配施足量氮磷钾肥的处理真菌多样性与无秸秆对照相比没有明显差异（P≥0.05）。在10～20cm土层中,秸秆覆盖配施足量氮磷钾肥的处理真菌多样性显著低于无秸秆对照组（P≤0.01）。DGGE条带测序发现,秸秆还田和施肥的优势真菌为,半知菌纲的枝顶孢属（Acremonium sp.）、子囊菌纲的翅孢壳属（Emericellopsis sp.）、半知菌亚门的曲霉属（Aspergillus sp.）、枝孢属（Cladosporium sp.）、红酵母属（Rhodotorula sp.）、侧耳属Pleurotus sp.)、被孢霉属（Mortierella sp.）。而对照土壤的优势菌为子囊菌门（Ascomycota）和sordariomyceta。表明秸秆还田增加了土壤真菌的多样性改变了土壤真菌的群落结构。（4）秸秆覆盖还田和施肥对固氮基因nifH群落结构和多样性研究表明：在水稻幼穗分化期和水稻收获后,0～10cm和10～20cm土层中,秸秆覆盖还田配施足量氮磷钾肥处理固氮基因n归多样性显著高于仅施肥无秸秆覆盖的对照组（P≤0.07）。DGGE条带测序得知,14个条带的近缘种大部分为非培养细菌nifH基因片段,主要优势菌群其归属于变形菌门（Proteobacteria）的p-变形菌纲（Betaproteobacteria）。秸秆还田和施肥的土壤优势固氮微生物为,非培养伯克氏菌属、假食酸菌属（Pseudacidovorax sp.）、 Azospira属、Ideonella属。而对照土壤优势菌为假食酸菌属（Pseudacidovorax sp.）、 Azospira属以及未确定归属的固氮细菌。（5）秸秆覆盖还田和施肥对氨氧化细菌群落结构和多样性的影响研究显示,在水稻幼穗分化期,0～10cm土层中,秸秆覆盖还田后施用足量氮磷钾肥处理的氨氧化细菌多样性指数明显高于单施化肥对照处理以及秸秆还田后低氮肥、无钾肥的处理（P≤0.01）,但它与秸秆覆盖还田后不施钾肥的处理没有显著差异（P≥0.05）。在10～20cm土层中,秸秆覆盖还田配施足量氮磷钾肥处理的氨氧化细菌多样性显著高于单施肥而没有秸秆覆盖的对照组（P≤0.01）。水稻收获后,在0～10cm和10～20cm土层中,秸秆覆盖还田配施足量氮磷钾肥的处理氨氧化细菌多样性显著高于无秸秆还田的处理（P≤0.01）。从DGGE条带测序分析得出,所有的优势氨氧化细菌的系统发育都比较单一。秸秆覆盖还田和施肥处理与对照土壤的优势氨氧化细菌均为β-变形菌纲（Betaproteobacteria）的亚硝化螺菌属（Nitrosospira）和亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）。（6）秸秆覆盖还田和施肥对氨氧化古菌群落结构和多样性的影响研究表明：水稻幼穗分化期,在0～10cm和10-20cm土层中,秸秆覆盖配施足量氮磷钾肥处理氨氧化古菌多样性均显著高于单施肥无秸秆覆盖还田处理（P≤0.01）。水稻收获之后,在0-10cm和10-20cm土层中,秸秆覆盖配施足量氮磷钾处理多样性显著高于处理单施肥无秸秆覆盖还田的处理（P,≤0.01）,但它与秸秆覆盖后施用低氮肥、不施磷肥和不施钾肥的处理没有显著差异（P≥0.05）。通过对氨氧化古菌优势条带测序结果表明,秸秆覆盖还田和对照土壤得到的全部氨氧化古菌均归属于非培养泉古菌门（Crenarchaeota）。（7）秸秆翻埋还田和施肥对土壤微生物量、土壤酶活研究表明：在水稻幼穗分化期和水稻收获后,与对照无肥处理（CK）相比,施用氮磷钾肥处理（NPK）和秸秆翻埋配施适量氮磷钾处理（SNPK）都能显著增加土壤微生物量碳和量氮（P≤0.01）。同时秸秆翻埋还田和施肥可以明显增加土壤中脲酶、转化酶、磷酸酶以及多酚氧化酶活性（P≤0.01）。（8）秸秆翻埋还田和施肥对土壤氨氧化细菌群落结构和多样性研究表明：在水稻幼穗分化期,0～10cm和10～20cm土层中,不施肥处理（CK）土壤氨氧化细菌多样性均显著低于单施氮磷钾肥处理（NPK）。施用氮磷钾肥的处理氨氧化细菌多样性显著低于秸秆翻埋配施适量氮磷钾肥的处理（SNPK）。在水稻收获后,0～10crm和10～20cm土层中,无肥处理氨氧化细菌多样性显著低于单施氮磷钾肥的处理。单施氮磷钾肥处理多样性与秸秆翻埋后配施氮磷钾处理没有显著差异。从DGGE条带测序分析得出,秸秆翻埋还田与对照土壤所有优势条带没有区别,均为β-变形菌纲（Betaproteobacteria）的亚硝化螺菌属（Nitrosospira）和亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）。（9）秸秆翻埋还田和施肥对氨氧化古菌群落结构和多样性的影响研究表明；在水稻幼穗分化期和水稻收获后,0～10cm和10～20cm土层中,不施肥处理（CK）氨氧化古菌多样性最低。秸秆翻埋还田配施氮磷钾的处理多样性显著高于单施氮磷钾肥料的处理。对系统进化树研究发现,所测序列相近菌株的来源分成水和土壤两大部分,其中相似菌株有来自高原、湿地、耕作土壤、保护性耕地以及湖水沉积物等。氨氧化古菌的序列结果分析表明,秸秆翻埋的处理与CK氨氧化古菌优势菌群并无明显区别,得到的全部氨氧化古菌均属于非培养泉古菌门（Crenarchaeota）的古菌。综上研究结果表明：秸秆还田和施肥能显著增加水稻土土壤微生物数量、微生物量碳和量氮及土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性；丰富水稻土土壤细菌、真菌、固氮菌、氨氧化细菌和氨氧化古菌的多样性和群落结构,有利于土壤中物质的转化和肥力形成,为水稻土秸秆还田这一保护性耕作措施提供了科学依据。

论文目录

  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 第一部分 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土微生物学特性的影响
  • 1. 文献综述
  • 1.1 免耕方式的研究现状
  • 1.1.1 免耕方式的简介
  • 1.1.2 残茬免耕和秸秆覆盖的研究现状
  • 1.2 有机与无机肥料配施研究进展
  • 1.2.1 有机无机肥料配合施用的原因
  • 1.2.2 有机无机肥料配合施用对土壤肥力的影响
  • 1.2.3 有机肥无机肥配施对作物生长和产量的影响
  • 1.2.4 有机肥无机肥配施对氮肥利用率的影响
  • 1.3 有机无机肥的施用对土壤微生物的影响
  • 1.3.1 长期施肥对土壤微生物生物量的影响
  • 1.3.2 长期施肥对土壤微生物群落结构和多样性的影响
  • 1.3.3 长期施肥对土壤酶活性的影响
  • 1.4 土壤微生物生态学研究方法
  • 1.4.1 微生物的纯培养方法
  • 1.4.2 土壤微生物生物量
  • 1.4.3 土壤酶
  • 1.4.4 生物标记物
  • 1.4.5 分子生物技术
  • 1.4.5.1 末端限制性片段长度多态性
  • 1.4.5.2 随机扩增多态性分析
  • 1.4.5.3 单链构象多态性分析
  • 1.4.5.4 变性梯度凝胶电泳
  • 1.5 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土微生物学特性研究的目的与意义
  • 2. 实验材料与研究方法
  • 2.1 实验设计
  • 2.2 取样方法
  • 2.3 土壤中可培养微生物数量、微生物量碳和氮的测定
  • 2.3.1 土壤中可培养微生物数量的测定
  • 2.3.2 土壤微生物生物量碳和氮的测定
  • 2.4 土壤不同酶活性的测定
  • 2.5 土壤微生物群落结构多样性分析
  • 2.5.1 土壤总基因组DNA提取
  • 2.5.2 土壤细菌16s rDNA扩增
  • 2.5.2.1 细菌扩增引物
  • 2.5.2.2 细菌扩增程序
  • 2.5.3 土壤真菌ITS的扩增
  • 2.5.3.1 真菌ITS扩增引物
  • 2.5.3.2 真菌ITS扩增程序
  • 2.5.4 土壤固氮菌nif-H基因的PCR扩增
  • 2.5.4.1 固氮菌nif-H基因扩增引物
  • 2.5.4.2 固氮菌nif-H基因扩增程序
  • 2.5.5 土壤氨氧化细菌16S rDNA CTO的PCR扩增
  • 2.5.5.1 氨氧化细菌扩增引物
  • 2.5.5.2 氨氧化细菌扩增程序
  • 2.5.6 土壤氨氧化古菌Arch-amoA基因片段的PcR扩增
  • 2.5.6.1 氨氧化古菌Arch-amoA基因扩增引物
  • 2.5.6.2 氨氧化古菌扩增程序
  • 2.6 土壤微生物变性梯度凝胶电泳（DGGE）
  • 2.6.1 DGGE操作步骤
  • 2.6.2 DGGE硝酸银染色法具体步骤
  • 2.6.3 DGGE条带回收、克隆和测序
  • 2.7 数据处理
  • 2.7.1 DGGE指纹图谱的生物信息学分析
  • 2.7.2 相似性分析及系统进化分析
  • 2.7.3 差异性分析
  • 3. 结果与分析
  • 3.1 秸秆覆盖还田与施肥对土壤微生物数量的影响
  • 3.2 秸秆覆盖还田与施肥对土壤微生物生物量碳、氮的影响
  • 3.3 秸秆覆盖还田与施肥对土壤酶活性的影响
  • 3.3.1 秸秆覆盖还田与施肥对土壤脲酶活性的影响
  • 3.3.2 秸秆覆盖还田与施肥对土壤转化酶活性的影响
  • 3.3.3 秸秆覆盖还田与施肥对土壤多酚氧化酶活性的影响
  • 3.3.4 秸秆覆盖还田与施肥对土壤酸性磷酸酶活性的影响
  • 3.4 秸秆覆盖还田与施肥对土壤微生物群落结构的影响
  • 3.4.1 秸秆覆盖还田与施肥对细菌群落结构的影响
  • 3.4.1.1 秸秆覆盖还田与施肥土壤细菌DGGE图谱分析
  • 3.4.1.2 秸秆覆盖还田与施肥土壤细菌多样性分析
  • 3.4.1.3 秸秆覆盖还田与施肥土壤细菌群落相似性分析
  • 3.4.1.4 秸秆覆盖还田与施肥土壤细菌DGGE条带测序分析
  • 3.4.2 秸秆覆盖还田与施肥对真菌群落结构的影响
  • 3.4.2.1 秸秆覆盖还田与施肥土壤真菌DGGE图谱分析
  • 3.4.2.2 秸秆覆盖还田与施肥土壤真菌多样性分析
  • 3.4.2.3 秸秆覆盖还田与施肥土壤真菌群落相似性分析
  • 3.4.2.4 秸秆覆盖还田与施肥土壤真菌DGGE条带测序分析
  • 3.4.3 秸秆覆盖还田与施肥对固氮基因nifH的影响
  • 3.4.3.1 秸秆覆盖还田与施肥固氮基因nifH DGGE图谱分析
  • 3.4.3.2 秸秆覆盖还田与施肥土壤固氮基因nifH多样性分析
  • 3.4.3.3 秸秆覆盖还田与施肥固氮基因nifH聚类分析
  • 3.4.3.4 秸秆覆盖还田与施肥固氮基因nifH DGGE条带测序分析
  • 3.4.4 秸秆覆盖还田与施肥对氨氧化细菌群落结构的影响
  • 3.4.4.1 秸秆覆盖还田与施肥氨氧化细菌DGGE图谱分析
  • 3.4.4.2 秸秆覆盖还田与施肥氨氧化细菌多样性分析
  • 3.4.4.3 秸秆覆盖还田与施肥氨氧化细菌DGGE聚类分析
  • 3.4.4.4 秸秆覆盖还田与施肥氨氧化细菌DGGE测序分析
  • 3.4.5 秸秆覆盖还田与施肥对氨氧化古菌群落结构的影响
  • 3.4.5.1 秸秆覆盖还田与施肥氨氧化古菌DGGE图谱分析
  • 3.4.5.2 秸秆覆盖还田与施肥氨氧化古菌DGGE图谱多样性分析
  • 3.4.5.3 秸秆覆盖还田与施肥氨氧化古菌聚类分析
  • 3.4.5.4 秸秆覆盖还田与施肥氨氧化古菌DGGE优势条带测序分析
  • 4. 讨论
  • 4.1 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土微生物数量和微生物生物量的影响
  • 4.1.1 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土微生物数量的影响
  • 4.1.2 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土微生物生物量碳、氮的影响
  • 4.2 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土土壤酶活性的影响
  • 4.3 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土微生物群落结构的影响
  • 4.3.1 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土细菌群落结构的影响
  • 4.3.2 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土真菌群落结构的影响
  • 4.3.3 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土固氮基因nifH多样性的影响
  • 4.3.4 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土氨氧化细菌群落结构的影响
  • 4.3.5 秸秆覆盖还田与施肥对水稻土氨氧化古菌群落结构的影响
  • 5. 结论
  • 5.1 秸秆覆盖还田与施肥对土壤微生物数量、微生物生物量碳、氮与土壤酶活的影响
  • 5.2 秸秆覆盖还田与施肥对土壤微生物群落结构的影响
  • 5.2.1 秸秆覆盖还田与施肥对土壤细菌群落结构的影响
  • 5.2.2 秸秆覆盖还田与施肥对土壤真菌群落结构的影响
  • 5.2.3 秸秆覆盖还田与施肥对土壤固氮基因nifH多样性的影响
  • 5.2.4 秸秆覆盖还田与施肥对土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构的影响
  • 5.3 本实验研究创新之处
  • 5.4 研究展望
  • 第二部分 秸秆翻埋还田与施肥对氨氧化细菌和氨氧化古菌微生物学特性的影响
  • 1. 文献综述
  • 1.1 硝化作用
  • 1.1.1 硝化作用简介
  • 1.1.2 硝化作用的影响因素
  • 1.1.3 硝化作用过程中的主要微生物
  • 1.2 施用钾肥对土壤及氨氧化微生物的影响
  • 1.3 土壤因素对氨氧化微生物的影响
  • 1.4 amoA基因片段和16SrDNA基因在氨氧化菌研究中的应用
  • 1.4.1 amoA基因片段在氨氧化菌研究中的应用
  • 1.4.2 16SrDNA基因在氨氧化菌研究中的应用
  • 1.5 秸秆翻埋还田与施肥对氨氧化细菌和氨氧化古菌微生物特性的影响研究的目的与意义
  • 2. 实验材料与研究方法
  • 2.1 实验设计
  • 2.2 取样方法
  • 2.3 土壤pH值测定
  • 2.4 土壤铵态氮硝态氮的测定
  • 2.5 土壤微生物生物量碳和氮的测定
  • 2.6 土壤不同酶活性的测定
  • 2.7 土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构多样性分析
  • 2.7.1 土壤总DNA的提取
  • 2.7.2 土壤氨氧化细菌16SrDNA CTO的PCR扩增
  • 2.7.2.1 氨氧化细菌引物
  • 2.7.2.2 氨氧化细菌PCR程序
  • 2.7.3 土壤氨氧化古菌Arch-amoA基因片段的PcR扩增
  • 2.7.3.1 氨氧化古菌Arch-amoA基因引物
  • 2.7.3.2 氨氧化古菌PCR程序
  • 2.8 土壤微生物变性梯度凝胶电泳（DGGE）
  • 2.9 数据处理
  • 2.9.1 DGGE指纹图谱的生物信息学分析
  • 2.9.2 相似性分析及细菌系统进化分析
  • 2.9.3 差异性及相关性分析
  • 3. 结果与分析
  • 3.1 秸秆翻埋还田与施肥对土壤铵态氮和硝态氮的影响
  • 3.2 秸秆翻埋还田与施肥对微生物生物量碳和生物量氮的影响
  • 3.3 秸秆翻埋还田与施肥对土壤酶活的影响
  • 3.3.1 秸秆翻埋还田与施肥对土壤脲酶的影响
  • 3.3.2 秸秆翻埋还田与施肥对土壤转化酶的影响
  • 3.3.3 秸秆翻埋还田与施肥对土壤磷酸酶活性的影响
  • 3.3.4 秸秆翻埋还田与施肥对多酚氧化酶的影响
  • 3.3.5 土壤微生物量、酶活性与土壤铵态氮、硝态氮和pH的相关性分析
  • 3.4 秸秆翻埋还田与施肥对氨氧化细菌的影响
  • 3.4.1 秸秆翻埋还田与施肥氨氧化细菌DGGE图谱分析
  • 3.4.2 秸秆翻埋还田与施肥氨氧化细菌DGGE图谱多样性分析
  • 3.4.3 秸秆翻埋还田与施肥氨氧化细菌群类结构聚类分析
  • 3.4.4 秸秆翻埋还田与施肥氨氧化细菌DGGE测序分析
  • 3.5 秸秆翻埋还田与施肥对氨氧化古菌的影响
  • 3.5.1 秸秆翻埋还田与施肥氨氧化古菌DGGE图谱分析
  • 3.5.2 秸秆翻埋还田与施肥氨氧化古菌DGGE图谱多样性分析
  • 3.5.3 秸秆翻埋还田与施肥氨氧化古菌DGGE图谱聚类分析
  • 3.5.4 秸秆翻埋还田与施肥氨氧化古菌DGGE优势条带测序分析
  • 4. 讨论
  • 4.1 秸秆翻埋还田与施肥对水稻土硝态氮、铵态氮的影响
  • 4.2 秸秆翻埋还田与施肥对水稻土微生物生物量碳氮的影响
  • 4.3 秸秆翻埋还田与施肥对水稻土土壤酶活性的影响
  • 4.4 秸秆翻埋还田与施肥对水稻土氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构的影响
  • 4.4.1 秸秆翻埋还田和施肥对水稻土氨氧化细菌群落结构的影响
  • 4.4.2 秸秆翻埋还田与施肥对水稻土氨氧化古菌群落结构的影响
  • 5. 结论
  • 5.1 秸秆翻埋还田与施肥对土壤硝态氮、铵态氮、微生物生物量碳、氮与土壤酶活的影响
  • 5.2 秸秆翻埋还田与施肥对氨氧化细菌群落结构的影响
  • 5.3 秸秆翻埋还田与施肥对土壤氨氧化古菌群落结构的影响
  • 5.4 本实验研究创新之处
  • 5.5 研究展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表论文情况

    • 相关论文文献

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