稻田秸秆分解的碳氮互作机理

发布时间：2020-05-08 02:17

【摘要】：水稻秸秆是丰富的有机养分资源,但还田率不足35%。限制水稻秸秆养分利用的重要原因是其碳氮转化缓慢,微生物与作物争氮,造成减产。当前对复杂水田环境下稻秸分解过程还不清楚,尤其是对碳氮互作调控的分子生态机理缺乏深入认识。本文采用田间试验和培养实验,结合磷脂脂肪酸分析、DNA稳定同位素探针、高通量测序等,研究同一还田量不同施氮量下(0、90、180和270 kg hm~(-2))以及同一施氮量不同秸秆还田量下(0、3000、6000、9000 kg hm~(-2))水稻秸秆养分释放规律及其微生物群落组成和功能多样性,阐明稻田秸秆分解的碳氮互作机理,取得以下创新性进展:(1)同一还田量不同施氮量条件下稻秸腐解特征。秸秆腐解速率随施氮量增加而增加,施氮180 kg hm~(-2)下秸秆腐解速率最大,且水稻产量最高;当施氮量增至270 kg hm~(-2)时,水稻产量和秸秆腐解速率不再增加。易分解碳水化合物和氨基酸在腐解前期优先被微生物利用,同时乙酰氨基葡萄糖苷酶和氨基肽酶活性较高,施氮量180 kg hm~(-2)和270 kg hm~(-2)处理均可提高两者活性。革兰氏阳性菌虽占优势数量,但真菌、放线菌主导了后期对秸秆难分解物质的利用过程。秸秆真菌糖苷水解酶cbhI和细菌糖苷水解酶GH48基因丰度在腐解中期较多,同时β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和β-木糖苷酶活性表现出较高的活性。cbhI和GH48基因丰度随施氮量增加而增加。(2)同一施氮量不同还田量下稻秸腐解特征。秸秆腐解速率随还田量增加而增加,还田6000kg hm~(-2)下秸秆腐解速率最大,且水稻产量最高;当还田量增至9000 kg hm~(-2)时,水稻产量和秸秆腐解速率均显著下降。较不还田处理,秸秆还田6000和9000 kg hm~(-2)处理提高了微生物群落丰度、纤维素分解真菌和细菌丰度以及碳氮转化相关酶活性。腐解0-14天,碳水化合物和有机胺类是微生物主要优先碳源;腐解中期,尤以还田6000 kg hm~(-2)处理下cbhI、GH48基因丰度、β-葡糖苷酶和β-纤维素二糖苷酶活性较高;收获期,真菌和放线菌在秸秆腐解过程中发挥关键作用,酚类物质为其主要利用碳源。(3)同化利用秸秆碳源的微生物多样性。稻秸在前两周快速腐解,对土壤固有碳引起强烈的激发效应,放线菌门链霉菌目(Streptomycetales)、链胞菌目(Caternulisporales)和棒状杆菌目(Corynebacteriales)为其碳源利用的优势菌群,同时,主导类群呈链霉菌目到北里胞菌目(Kitasatospora)到细链胞菌目(Catenulispora)的变化规律。腐解第56至90天,同化利用稻秸碳的主要微生物为微球菌目(Micrococcales)、鞘脂杆菌目(Sphingobacteriia)和γ-变形菌目(Gammaproteobacteria);真菌,尤其是散囊菌目(Onygenales)、煤炱目(Capnodiales)、粪壳菌目(Sordariales)和格胞菌目(Pleosporales)在腐解后期秸秆碳源利用中发挥重要作用。综上所述,江西双季稻体系秸秆还田下最佳氮肥施用量为180 kg hm~(-2),最佳秸秆还田量为6000 kg hm~(-2),微生物群落演替及cbhI和GH48基因在水稻秸秆腐解中起重要作用。
【图文】：

过程图,微生物代谢,植物残体,有机碳

内外针对不同作物秸秆腐解和养分释放已有诸多研究报道。戴志刚等（2010）研究表明，经24 天的腐解过程，水稻、油菜和小麦的秸秆腐解率分别为 49.17%、49.81%和 52.17%。代文（2017）报道了在水稻土和旱地中不同作物秸秆还田一年的腐解速率，结果表明，水稻土中秸秆腐解率范围为 45.01%-62.12%，旱地不同秸秆腐解率范围为 52.88%-75.80%。武际等（20究油菜、小麦秸秆在不同栽培模式和秸秆还田方式下的腐解特征，，结果表明，经过 90 天的，油菜和小麦秸秆累积腐解率分别为 50.88%-61.06%和 48.88%-59.95%，此外，两种作物种释放速率均为 K>P>N≈C。王旭东等（2009）在不同农田肥力条件下研究玉米秸秆腐解效果果表明在埋入田间 240 天后，玉米秸秆在三种肥力田间的平均腐解率达 77%。匡恩俊等（20究表明，在使用秸秆腐熟剂情况下，玉米秸秆经过 100 天腐解后养分释放速率为 K>P>N，为 77%-90%、44%-60%和 35%-57%。Tan 等（2013）基于 3 年的实验研究了两种绿肥作物的还田腐解率，结果表明白花黄芪腐解率为 74.3%，克氏针茅腐解率为 48.7%，此外研究还得对于两种作物单独腐解，其混合后减缓了腐解速率。然而 Wang 等（2014）等分别利用粘性和粉砂壤土研究白杨木叶、小麦秸秆、花生叶及其混合物在一年中的腐解特征，结果表明花腐解速率最高，且混合后加速了作物残体的腐解速率。总体而言，不同作物的秸秆养分的释律均呈现前期大于后期的特征，且养分之间呈现钾素释放速率最快，磷素其次，氮素最慢的（王广栋，2018），然而也有部分研究得出了钾素释放比磷素慢的结论（岳丹，2015）。

技术路线图,技术路线,碳氮,互作

同一还田量不同施氮量下以及同一施氮量不同秸秆还田量下秸秆腐解的碳氮互作特征，采用培养试验探明参与腐解的微生物群落组成和功能多样性，从而阐明稻秸还田碳氮互作的分子生态机制。本文总体思路见图1.2。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S141.4

【相似文献】