水稻秸秆还田对水稻—油菜轮作系统中油菜根际微生物群落结构的影响

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秸秆还田是一种兼具经济和环保生态效益的农业措施,可以增加土壤营养元素的输入,进而提高作物产量。最近关于微生物群落结构对这种绿色肥料响应的研究有很多,但是针对秸秆还田对长期的水稻—油菜轮作系统中油菜根际微生物的影响尚不清楚。本研究以湖北省开展秸秆还田的两个试验点—荆州市和武穴市的油菜根际土壤作为实验对象,设置秸秆还田和秸秆不还田两个处理,探究水稻秸秆还田对水稻—油菜轮作系统中油菜根际微生物群落结构和多样性的影响。土样采集于2013年10月至2014年5月,分别在油菜的四个生育期(越冬期、抽苔期、盛花期和成熟期)和油菜种植前以及收割后对根际土壤进行采样,共采集20份土样。测定了土样的化学性质和土壤酶活性,利用Biolog Eco平板技术和磷脂脂肪酸(PLFA)技术评估了土壤微生物的代谢多样性和群落结构,同时也利用高通量测序技术探究了土壤细菌群落结构。主要研究结果如下:荆州和武穴土壤秸秆还田与秸秆不还田之间的全N、C/N、全P、全K没有显著差异,然而秸秆还田的速效N、P、K显著提高,表明秸秆还田的农业措施能提高土壤速效元素的输入。荆州和武穴的土壤酶活性与理化性质的RDA表明秸秆还田能显著改变土壤酶活性(蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶),AK对荆州土壤酶活性有显著影响;全C、碱解N对武穴土壤酶活性有显著影响;同时,荆州越冬期秸秆不还田土样与秸秆还田土样聚集在一起,表明荆州土壤酶活性在油菜生育前期的两个处理间不存在显著差异,说明不同地点土壤酶对秸秆还田的响应速度和方式不同。Biolog Eco微平板技术分析表明荆州和武穴秸秆还田土样的AWCD都显著高于秸秆不还田,说明秸秆还田能显著提高土壤微生物的代谢活性,PCA表明秸秆还田与秸秆不还田土壤微生物的碳源利用种类和偏好性有显著差异,秸秆还田增加了土壤微生物对氨基酸类和酚酸类碳源的利用。PLFA分析表明秸秆还田可以显著增加土壤微生物量,荆州土壤在油菜盛花期和成熟期的微生物量显著增加,武穴土壤在油菜抽苔期、盛花期和成熟期的微生物量显著增加。PLFA总量及微生物群落结构与理化性质的RDA表明荆州土壤微生物群落结构对秸秆还田的响应速度慢于武穴,这与土壤酶活性分析结果一致。含水率和K显著影响荆州土壤微生物群落结构,P显著影响武穴土壤微生物群落结构,说明不同类型土壤微生物群落结构受不同理化因子的调控。荆州和武穴土壤微生物群落结构有显著差异,放线菌和真菌含量主要影响荆州土壤微生物群落结构,革兰氏阴性菌、丛枝菌根真菌和厌氧菌含量主要影响武穴土壤微生物群落结构。高通量测序结果表明油菜生育期对细菌群落结构有显著影响,说明油菜在不同的生育期选择特定的细菌类群。细菌门水平上的聚类分析表明荆州和武穴土壤的细菌群落结构存在显著差异,说明土壤类型对细菌群落结构有显著影响。荆州秸秆还田土样的细菌群落结构在油菜生长阶段有显著变化的细菌门类有Acidobacteria(酸杆菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Actinobacteria(放线菌门),而在武穴秸秆还田中Acidobacteria(酸杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Nitrospirae(硝化螺旋菌门)和Verrucomicrobia(疣微菌门)在油菜不同的生育期有显著变化。土壤细菌群落的OTUs与理化性质的CCA表明荆州土壤的含水率和速效K显著影响细菌群落结构,而武穴土样的细菌群落结构主要受含水率和速效P调控。本研究表明秸秆还田及油菜生育期对水稻—油菜轮作系统中油菜根际微生物群落结构及多样性都产生显著影响,为大力推广秸秆还田以代替化肥施用增加粮食产量提供了理论依据。
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