紫云英-稻草共同还田的协同效应及机制
发布时间：2021-07-25 11:20
紫云英-稻草共同还田是近年发展起来的解决绿肥生产和秸秆还田问题的双赢技术。该技术前期紫云英与稻草共存、后期共同翻压还田,与单独还田相比,共同还田的物料构成发生改变。作为创新实践,紫云英与稻草共同还田的相关效应及作用机制缺乏研究。本文依托多年定位试验,结合盆栽和模拟试验,研究了紫云英-稻草共同还田下的产量与肥力效应、甲烷排放特征及机制,探索了紫云英-稻草共同还田下混合物料的腐解特征及其驱动因素。主要结果与创新发现如下:（1）紫云英-稻草共同还田增加水稻产量、提升土壤肥力、改善土壤微生物群落结构。种植翻压紫云英、稻草还田以及二者共同还田均提高水稻产量,其中共同还田较单独还田进一步提升双季稻谷产量4.7%5.1%。种植翻压紫云英提高了土壤全氮和无机氮含量,稻草还田增加了土壤有机碳和有效钾含量,共同还田下土壤养分含量全面提升。与紫云英、稻草单独还田相比,紫云英-稻草共同还田还提高了土壤胞外酶活性、增加了土壤微生物群落丰度、降低了土壤革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌丰度比。（2）紫云英-稻草合理利用减缓土壤甲烷排放,改变甲烷相关微生物的群落结构和丰度比。等量有机物料投入下,紫...
【文章来源】：中国农业科学院北京市
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
植物残体转化为土壤有机质示意图
。木质素是苯丙烷类聚合物难于被降解，其降解是通过胞外氧化酶和一些非特定的酶进行氧化反应，催化木质素的解聚过程，这种木质素非特性氧化过程被称为“酶的燃烧”。在氧化木质素的酶体系中，过氧化物酶能够氧化非酚型化合物，使苯丙基结构中的Cα–Cβ键断裂、打开芳香环；锰过氧化物酶可预先催化木质素以促进氧化能力更强的过氧化物酶作用（XIAetal.,2003）。漆酶（laccase）属于多酚氧化酶,可使木质素中的苯酚结构单元失去电子被氧化,产生含苯氧基的自由活性基团,从而使芳香基及Cα–Cβ键裂解（XIAetal.,2003）。图1-2不同性状秸秆碳分解过程中的生物学特征Fig.1-2Responsesofbiologicalpropertyandenzymaticactivitytothestrawquality注：圆圈大小表示参与分解的微生物量；扇形面积表征该类群微生物所占比例；契形图数目表征有关酶活性；图形来源（CUSACKetal.,2011）。Note：Theareaofcirclessectorsarerepresentedasmicrobialbiomassandproportionofsomemicrobes;thenumberofwedgesisrepresentedasenzymeactivities.Figuresources(CUSACKetal.,2011).一般认为，有机物料还田显著提高土壤酶的活性，而且土壤酶活性与土壤有机质含量显著相关（AIetal.,2012）。GUOetal.（2018）研究发现，在秸秆分解初期碳水解相关酶（β-纤维二糖水解酶，β-葡萄糖苷酶，β-木糖苷酶）的活性低于分解后期，其认为氮的有效性是影响前期与后期酶活性差异的关键因子。酶活性的改变可反映影响微生物活动的养分因子改变，进而间接地指示土壤养分的有效性（BURNSetal.,2013）。有关研究表明，随着土壤氮的有效性的增加，参与土壤碳循环的水解酶活性会随之提高（BOWLESetal.,2014;CUSACKetal.,2011）。但FREYetal.（2004）和NEMERGUTetal.（2008）指出氮的有效?
蛩兀?其中氮的有效性提高会促进土壤细菌、抑制土壤真菌活动。土壤氧化酶主要由土壤真菌分泌（SINSABAUGHandMOORHEAD,1994），低氮水平促使土壤微生物群落中真菌所占比例升高、细菌下降，真菌可释放更多的氧化酶，土壤氧化酶活性随之增加（图1-2）。1.3.3土壤微生物群落在有机物料腐解过程中的作用有机物料还田后，易降解的成分首先被分解，难分解的成分不断在土壤中积累，微生物群落组成也随之发生变化（RUIetal.,2009）。一般认为，在底物丰富的条件下，细菌较真菌的竞争能力强，而随着易分解物质耗竭，真菌丰度随之提高（图1-3,POLLetal.,2008;ROUSKetal.,2010）。也有研究人员将土壤微生物归为两类，即富营养型菌群（Copiotrophicpopulation）和贫营养型菌群（Oligotrophicpopulation），它们相当于描述动植物生态属性中的r和k策略（FIERERetal.,2007）。富营养型菌群（r策略）能够在营养丰富的环境下迅速生长，而贫营养性菌群（k策略）只有在营养匮乏的条件下起主导作用。当新鲜的有机物料投入到土壤中后，参与腐解的微生物将经历一个由早期营养丰富到后期营养匮乏的阶段，因此，细菌、真菌或富营养型和贫营养型菌群在秸秆腐解过程中也伴随着群落组成的演替（图1-3）。图1-3秸秆腐解过程中生物学性状变化特征Fig.1-3Dynamicsofbiologicalcharacteristicsduringdecompositionofresidue.注：数据来源（POLLetal.,2008;MARSCHNER,etal.,2011）。Note:Datasources(POLLetal.,2008;MARSCHNER,etal.,2011).近年来，随着高通量测序技术的快速发展，我们对参与秸秆腐解的微生物多样性有了进一步认识。BASTIANetal.（2009）指出，在小麦秸秆腐解初期荧光假单胞菌（FluorescentPseudomonasspp.）和脉孢菌（Neurosporasp.）作为富营养型菌群占主导地?
【参考文献】：
期刊论文
[1]序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究[J]. 于佳动,赵立欣,冯晶,姚宗路,黄开明,罗娟. 农业工程学报. 2018(15)
[2]稻草高茬-紫云英联合还田改善土壤肥力提高作物产量[J]. 周国朋,谢志坚,曹卫东,徐昌旭,白金顺,曾闹华,高嵩涓,杨璐. 农业工程学报. 2017(23)
[3]中国绿肥科研60年回顾与未来展望[J]. 曹卫东,包兴国,徐昌旭,聂军,高亚军,耿明建. 植物营养与肥料学报. 2017(06)
[4]中国秸秆养分资源及还田的时空分布特征[J]. 刘晓永,李书田. 农业工程学报. 2017(21)
[5]籽粒苋与烟草间作后还田对烟草钾吸收和土壤钾有效性的影响[J]. 吴凯,陈国军,闫慧峰,张永春,温亮,张超,孙延国,刘海伟,石屹. 草业学报. 2017(06)
[6]肥料减施条件下水稻土壤有机碳组分对紫云英-稻草协同利用的响应[J]. 周兴,廖育林,鲁艳红,谢坚,杨曾平,聂军,曹卫东. 水土保持学报. 2017(03)
[7]多年紫云英-双季稻下不同施肥水平对两类水稻土有机质及可溶性有机质的影响[J]. 周国朋,曹卫东,白金顺,聂军,徐昌旭,曾闹华,高嵩涓,王艳秋,志水胜好. 中国农业科学. 2016(21)
[8]红壤旱地毛叶苕子不同翻压量下腐解及养分释放特征[J]. 刘佳,张杰,秦文婧,杨成春,谢杰,项兴佳,曹卫东,徐昌旭. 草业学报. 2016(10)
[9]生物炭与氮肥对稻田甲烷产生与氧化菌数量和潜在活性的影响[J]. 许欣,陈晨,熊正琴. 土壤学报. 2016(06)
[10]三峡库区橘园种植绿肥对土壤养分流失的影响[J]. 栾好安,王晓雨,韩上,吴述勇,范凌云,李小坤,鲁剑巍,曹卫东,耿明建. 水土保持学报. 2016(02)
博士论文
[1]稻田秸秆分解的碳氮互作机理[D]. 郭腾飞.中国农业科学院 2019
[2]真菌利用纤维素和木质素形成腐殖物质及其结构特征研究[D]. 王帅.吉林农业大学 2013
硕士论文
[1]长期与短期秸秆还田后稻米品质的差异性变化研究[D]. 顾丽.扬州大学 2008
本文编号：3301931
【文章来源】：中国农业科学院北京市
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
植物残体转化为土壤有机质示意图
。木质素是苯丙烷类聚合物难于被降解，其降解是通过胞外氧化酶和一些非特定的酶进行氧化反应，催化木质素的解聚过程，这种木质素非特性氧化过程被称为“酶的燃烧”。在氧化木质素的酶体系中，过氧化物酶能够氧化非酚型化合物，使苯丙基结构中的Cα–Cβ键断裂、打开芳香环；锰过氧化物酶可预先催化木质素以促进氧化能力更强的过氧化物酶作用（XIAetal.,2003）。漆酶（laccase）属于多酚氧化酶,可使木质素中的苯酚结构单元失去电子被氧化,产生含苯氧基的自由活性基团,从而使芳香基及Cα–Cβ键裂解（XIAetal.,2003）。图1-2不同性状秸秆碳分解过程中的生物学特征Fig.1-2Responsesofbiologicalpropertyandenzymaticactivitytothestrawquality注：圆圈大小表示参与分解的微生物量；扇形面积表征该类群微生物所占比例；契形图数目表征有关酶活性；图形来源（CUSACKetal.,2011）。Note：Theareaofcirclessectorsarerepresentedasmicrobialbiomassandproportionofsomemicrobes;thenumberofwedgesisrepresentedasenzymeactivities.Figuresources(CUSACKetal.,2011).一般认为，有机物料还田显著提高土壤酶的活性，而且土壤酶活性与土壤有机质含量显著相关（AIetal.,2012）。GUOetal.（2018）研究发现，在秸秆分解初期碳水解相关酶（β-纤维二糖水解酶，β-葡萄糖苷酶，β-木糖苷酶）的活性低于分解后期，其认为氮的有效性是影响前期与后期酶活性差异的关键因子。酶活性的改变可反映影响微生物活动的养分因子改变，进而间接地指示土壤养分的有效性（BURNSetal.,2013）。有关研究表明，随着土壤氮的有效性的增加，参与土壤碳循环的水解酶活性会随之提高（BOWLESetal.,2014;CUSACKetal.,2011）。但FREYetal.（2004）和NEMERGUTetal.（2008）指出氮的有效?
蛩兀?其中氮的有效性提高会促进土壤细菌、抑制土壤真菌活动。土壤氧化酶主要由土壤真菌分泌（SINSABAUGHandMOORHEAD,1994），低氮水平促使土壤微生物群落中真菌所占比例升高、细菌下降，真菌可释放更多的氧化酶，土壤氧化酶活性随之增加（图1-2）。1.3.3土壤微生物群落在有机物料腐解过程中的作用有机物料还田后，易降解的成分首先被分解，难分解的成分不断在土壤中积累，微生物群落组成也随之发生变化（RUIetal.,2009）。一般认为，在底物丰富的条件下，细菌较真菌的竞争能力强，而随着易分解物质耗竭，真菌丰度随之提高（图1-3,POLLetal.,2008;ROUSKetal.,2010）。也有研究人员将土壤微生物归为两类，即富营养型菌群（Copiotrophicpopulation）和贫营养型菌群（Oligotrophicpopulation），它们相当于描述动植物生态属性中的r和k策略（FIERERetal.,2007）。富营养型菌群（r策略）能够在营养丰富的环境下迅速生长，而贫营养性菌群（k策略）只有在营养匮乏的条件下起主导作用。当新鲜的有机物料投入到土壤中后，参与腐解的微生物将经历一个由早期营养丰富到后期营养匮乏的阶段，因此，细菌、真菌或富营养型和贫营养型菌群在秸秆腐解过程中也伴随着群落组成的演替（图1-3）。图1-3秸秆腐解过程中生物学性状变化特征Fig.1-3Dynamicsofbiologicalcharacteristicsduringdecompositionofresidue.注：数据来源（POLLetal.,2008;MARSCHNER,etal.,2011）。Note:Datasources(POLLetal.,2008;MARSCHNER,etal.,2011).近年来，随着高通量测序技术的快速发展，我们对参与秸秆腐解的微生物多样性有了进一步认识。BASTIANetal.（2009）指出，在小麦秸秆腐解初期荧光假单胞菌（FluorescentPseudomonasspp.）和脉孢菌（Neurosporasp.）作为富营养型菌群占主导地?
【参考文献】：
期刊论文
[1]序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵影响因素研究[J]. 于佳动,赵立欣,冯晶,姚宗路,黄开明,罗娟. 农业工程学报. 2018(15)
[2]稻草高茬-紫云英联合还田改善土壤肥力提高作物产量[J]. 周国朋,谢志坚,曹卫东,徐昌旭,白金顺,曾闹华,高嵩涓,杨璐. 农业工程学报. 2017(23)
[3]中国绿肥科研60年回顾与未来展望[J]. 曹卫东,包兴国,徐昌旭,聂军,高亚军,耿明建. 植物营养与肥料学报. 2017(06)
[4]中国秸秆养分资源及还田的时空分布特征[J]. 刘晓永,李书田. 农业工程学报. 2017(21)
[5]籽粒苋与烟草间作后还田对烟草钾吸收和土壤钾有效性的影响[J]. 吴凯,陈国军,闫慧峰,张永春,温亮,张超,孙延国,刘海伟,石屹. 草业学报. 2017(06)
[6]肥料减施条件下水稻土壤有机碳组分对紫云英-稻草协同利用的响应[J]. 周兴,廖育林,鲁艳红,谢坚,杨曾平,聂军,曹卫东. 水土保持学报. 2017(03)
[7]多年紫云英-双季稻下不同施肥水平对两类水稻土有机质及可溶性有机质的影响[J]. 周国朋,曹卫东,白金顺,聂军,徐昌旭,曾闹华,高嵩涓,王艳秋,志水胜好. 中国农业科学. 2016(21)
[8]红壤旱地毛叶苕子不同翻压量下腐解及养分释放特征[J]. 刘佳,张杰,秦文婧,杨成春,谢杰,项兴佳,曹卫东,徐昌旭. 草业学报. 2016(10)
[9]生物炭与氮肥对稻田甲烷产生与氧化菌数量和潜在活性的影响[J]. 许欣,陈晨,熊正琴. 土壤学报. 2016(06)
[10]三峡库区橘园种植绿肥对土壤养分流失的影响[J]. 栾好安,王晓雨,韩上,吴述勇,范凌云,李小坤,鲁剑巍,曹卫东,耿明建. 水土保持学报. 2016(02)
博士论文
[1]稻田秸秆分解的碳氮互作机理[D]. 郭腾飞.中国农业科学院 2019
[2]真菌利用纤维素和木质素形成腐殖物质及其结构特征研究[D]. 王帅.吉林农业大学 2013
硕士论文
[1]长期与短期秸秆还田后稻米品质的差异性变化研究[D]. 顾丽.扬州大学 2008
本文编号：3301931
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/nykj/3301931.html
