冬绿肥—水稻模式下的土壤微生物特征及硝化作用调控机制

发布时间：2020-07-30 19:14

【摘要】：南方稻田种植利用冬绿肥是保障水稻稳产、高产的有效措施。冬种绿肥对稻田土壤氮素转化有重要影响。土壤氮素转化是一系列的微生物作用过程,然而绿肥-水稻模式下的土壤氮转化微生物特征、绿肥影响土壤氮转化的作用机制等尚不清晰。本文利用多点联合定位试验、长期定位试验,结合盆栽试验,运用Rocoe 454、Illumina MiSeq平台高通量测序及荧光定量PCR技术等手段,调查了南方稻区不同省份多年冬种绿肥条件下稻田土壤微生物特征,研究了氮转化关键环节硝化作用响应绿肥种类、绿肥利用下的氮肥管理和稻草还田等措施效应和机制。主要进展如下:1、多年冬种紫云英下的稻田土壤微生物群落结构及氮转化功能基因丰度。利用位于湖南、江西、安徽、河南、湖北和福建的联合定位试验开展研究,试验均设不种紫云英不施化肥、冬种紫云英不施化肥、不种紫云英单施化肥、冬种紫云英配施化肥4个处理。结果表明,各地微生物群落结构有显著差异,其中安徽、河南、湖北间差异较小,湖南相对于其他各地差异较大。单种紫云英、紫云英配施化肥处理同对照间Weighted UniFrac距离较远,表明冬种紫云英改变了微生物结构。多年冬种紫云英对稻田土壤功能微生物产生显著影响,部分省份中甲烷氧化菌、硫还原菌增加,参与固氮、硝化和反硝化作用的氮转化功能微生物增加。固氮(nifH基因)、硝化(AOA和AOB amoA基因)和反硝化(nosZ、nirK基因)功能基因丰度在各地稻田土壤中有较大差异,且对冬种紫云英及化肥处理的响应不同。冬种紫云英配施化肥提高了江西、河南两地的nifH基因丰度;各地稻田土壤中AOA amoA基因丰度均大于AOB amoA,湖南、江西和福建三省,紫云英和化肥配合施用显著提高了 AOA/AOB值;紫云英配施化肥增加了湖南土壤中的nirK基因丰度,冬种紫云英增加了江西土壤中的nosZ基因丰度,湖南稻田土壤中nosZ/nirK值最高。2、长期冬种绿肥下的稻田土壤氨氧化微生物。1982年开始的定位试验设双季稻-紫云英、双季稻-冬油菜、双季稻-黑麦草、双季稻-冬闲4个处理,试验地土壤为酸性红壤。研究表明红壤稻田中AOA amoA的基因丰度远大于AOB amoA,AOA/AOB值在36到1686之间。绿肥翻压后,冬种绿肥,尤其是紫云英,增加了 AOA amoA和AOBamoA的丰度。AOA amo4中的主要OTU(相对丰度大于0.8%)在不同处理间变化较大,而AOB amo4中的主要OTU受不同处理影响较小;相对于AOB,AOA的种群数量和群落结构与土壤理化性状间有更强的相关性。进化分析显示,Nitrososphaera和Nitrosospira分别是AOA和AOB中的优势菌。总体看,红壤稻田中AOA在数量上占主导地位,并对绿肥处理及土壤性状更敏感。3、稻田土壤硝化作用对不同绿肥种类的响应。采用盆栽试验,设冬闲-双季稻、紫云英-双季稻、油菜-双季稻、黑麦草-双季稻4个处理。冬种不同绿肥在早稻分蘖期和拔节期提高了土壤微生物生物量碳(SMBC)和微生物生物量氮(SMBN)含量,微生物生物量的变化有明显的季节差异。冬种三种绿肥均显著降低了早稻移栽前、分蘖期和拔节期的硝化强度(NP),同时增加了多数取样时期的铵态氮、降低了硝态氮含量。不同绿肥处理在早稻分蘖期增加了恢复硝化强度(RNP)和AOB的相对贡献(RNPAOB),在早稻移栽前和拔节期降低了 AOA的相对贡献(RNPAOA)。在对RNP的贡献中,AOB在各时期均占主导地位,平均占比为61.02%～82.37%。4、冬种紫云英下稻田土壤硝化作用对施氮的响应。采用盆栽试验,设冬闲和冬种紫云英两个因素及不施氮、60%常规氮肥和100%常规氮肥三个氮肥水平。结果显示,相同施氮量条件下,种植紫云英处理的土壤有机质含量提高,土壤NP和硝态氮含量降低,铵态氮含量升高。冬种绿肥均增加了早稻分蘖期的RNP和RNPAoB,降低了早稻拔节期和收获期的RNPAoA。冬种绿肥降低了绿肥盛花期、增加了早稻分蘖期和拔节期AOB的贡献率。5、稻田土壤硝化作用对紫云英-稻草共同还田的响应。采用盆栽试验,设不添加对照、单独紫云英、单独稻草、紫云英+稻草四个措施,不施氮、施氮两个氮肥水平。结果表明,不同时期土壤NP的变异较大,且对各处理的响应不同,紫云英-稻草共同还田在水稻生育早期显著提高、生育后期显著降低了土壤NP。在早稻收获期,紫云英、稻草及其共同还田降低了土壤RNP。不同生育期AOA和AOB对RNP的相对贡献率差异较大,其中早稻分蘖期和早稻拔节期以AOB占主导,对RNP的贡献率分别为81.35%和82.96%;早稻和晚稻收获期则以AOA占主导,贡献率分别为 60.56%和 62.76%。综上可知,不同区域冬种紫云英对土壤微生物的影响不一致,冬种紫云英改变了土壤微生物群落结构,影响了土壤养分循环特别是氮素转化过程。冬种绿肥整体上降低了土壤硝化强度,降低了硝态氮的淋失风险。在绿肥-水稻种植系统中,合理配施化肥和紫云英-稻草共同还田措施是充分发挥绿肥节肥增效作用的关键。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S154;S55;S511
【图文】：

技术路线图,技术路线

技术路线圈

相对丰度,冬闲,试验点,群落特征

中国农业大学博士学位论文逦第二章多年冬种紫云英下的稻田土壤微生物群落特征逡逑表２－６不同试验点和施肥处理分别对土壤微生物主要门（相对丰度＞１％）相对丰度的影响及其交互作用逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－６邋Ｔｈｅ邋ｅｆｌｆｃｃｔｓ邋ｏｆ邋ｓｉｔｅ邋ａｎｄ邋ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｒｅｌａｔｉｖｅ邋ａｂｕｎｄａｎｃｅｓ邋ｏｆ邋ｍａｊｏｒ邋ｐｈｙｌａ邋（＞１％）邋ａｎｄ邋ｔｈｅｉｒ邋ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ｅｆｆｅｃｔｓ逡逑Ｐｒｏｔｅｏ逦Ａｃｉｄｏ邋？逦．逦？逦？逦Ｇｅｍｍａｔ逡逑．Ｃｈｌｏｒｏｆｌ逦Ａｃｔｉｎｏｂ逦Ｎｉｔｒｏｓｐ逦Ｆｉｒｍｉ逦Ｂａｃｔｅｒ逦．逦Ｃｈｌｏｒｏｂ逦Ｐｌａｎｃｔｏ逡逑ｂａｃｔｅｒｉ逦ｂａｃｔｅｒｉ逦ｉｍｏｎａｄｅ逡逑ｅｘｉ逦ａｃｔｅｒｉａ逦ｉｒａｅ逦ｃｕｔｅｓ逦ｏｉｄｅｔｅｓ逦ｉ逦ｍｙｃｅｔｅｓ逡逑逦ａ逦ａ逦ｔｅｓ逦逡逑Ｓｉｔｅ逦２．８６＊逦１３．７２＊＊逦８．４７＂逦５１．８６“逦４３．１７“逦１．６５逦８．７２＊＊逦２３．８３“逦１１．６广逦１６．６５”逡逑Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ逦０．２５逦０．８９逦１．１５逦３．４２＊逦１．０７逦２．９７＊逦０．２１逦０．６６逦０．７９逦０．２１逡逑Ｓｉｔｅ＊Ｆｃｒｔｉｌｉｚｃｒ逦１．３３逦１．９３＊逦０．６７逦０．５９逦０．５５逦１．２５逦０．６６逦０．８２逦０．４４逦０．６４逡逑注：表中数值为双因素方差分析Ｆ值，＊代表组间差异显著（？＜０．０５），邋＊＊代表组间差异极显著（Ｐ＜０．０１）。逡逑Ｎｏｔｅ：邋Ｖａｌｕｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｔａｂｌｅ邋ｉｓ邋ｔｈｅ邋Ｆ邋ｖａｌｕｅ邋ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｔｗｏ－ｗａｙ邋ＡＮ

试验点,紫云英,群落结构,单种

第二章多年冬种紫云英下的稻田土壤微生物群落特征逡逑２．２．４群落结构差异逡逑采用Ｗｅｉｇｈｔｅｄ邋ＵｎｉＦｒａｃ距离分析了各地不同处理间的群落结构差异。由图２－２可知湖南、河逡逑南、福建均表现为紫云英配施化肥处理同对照间差异最大；江西、安徽、湖北三省为单种紫云英逡逑处理同对照间差异最大。其中安徽省单种紫云英、单施化肥及紫云英配施化肥处理同对照间的差逡逑异均较大，湖北省单种紫云英处理同其他三个处理的距离均较大。多因素方差分析（Ａｄｏｎｉｓ）结逡逑果表明，湖南省处理间群落结构差异显著，不同处理解释了邋３５．６８％邋（Ｆ＝３６．５３，邋／Ｍ）．０２８）的群落逡逑结构差异。江西和河南两省，不同处理分别解释了邋３５．３０％（Ｆ＝１．４５、Ｐ＝０．０５８）和２４．１２％（Ｆ＝１．２７、逡逑Ｐ＝０．０７４）的群落结构差异，达到了最小显著的差异水平（Ｐ＜０．１）。逡逑湖南．丨．丨—．江西，．．．．．．．．＿＿１邋，邋安徽＿１逦＾逦＇邋１逡逑：逦－－－—邋灥邋厂逡逑上＾逦－—．．一柋卜冬媝逦…逡逑ｉ逦壚逦：：冒灥ｉ邋＿o胾v』逡逑——．逦ＨＵＫ．ＣＴ逦—逦＾ＡＨ．ＧＭ逡逑．莉—一逦＇逦＿逦＇邋．’Ｖｓ．灄ｗ切逡逑—逦ｆａ：邋ｒ邋Ｌ逦ｉ逦一ｈ．／：邋ｆａ＇邋广，逡逑ＫｉＮ＿ＧＭＣｆ逦ＨｕＮ＿ＧＭ逦Ｊ＞＿ＣＦ邋ＪＸ＿ＧＭＣｆ邋ＪＸ＿ＮＦ邋ＪＸ＿ＧＵ逦ＡＨ＿ＮＦ邋ＡＨ－ＧＭ邋ＡＨ＿ＣＦ邋ＡＨ－ＣＭＧＦ逡逑ｉ，．邋，．逦

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