松嫩平原还田玉米秸秆腐解规律和细菌群落特征的研究

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松嫩平原属于旱作农业区,位于黑龙江省和吉林省境内,是我国重要的春玉米生产地。2017年两省玉米种植面积达到1002.68万hm2,产量6953.90万t,占全国玉米产量的26.84%,秸秆量达到8344.68万t(按谷草比1:1.2计算)。《2019年黑龙江省秸秆综合利用工作实施方案》明确提出秸秆综合利用以还田为主,稳步提升秸秆还田比例,还田率达到55%以上。玉米秸秆中富有碳、氮、磷、钾等营养元素,作为土壤氮素的源和库,有效的秸秆还田可以增加土壤有机质和氮素含量,起到改良土壤、培肥地力的作用;同时,秸秆还田对细菌群落特征产生重要影响。为研究松嫩平原还田玉米秸秆腐解规律与细菌群落特征,本试验于2018~2019年在东北农业大学向阳试验基地,采用尼龙网袋法将15N标记的玉米秸秆进行还田。试验设置于地上15 cm(T1)、覆盖地表0 cm(T2)、埋于地下15 cm(T3)、埋于地下30 cm(T4)、埋于地下45 cm(T5)5个处理,较系统地研究了秸秆腐解规律和氮素等养分释放特征;并通过Illumina Miseq测序技术研究还田玉米秸秆细菌丰度、多样性和群落组成的差异。试验结果表明:还田玉米秸秆经过18个月腐解,不同还田深度处理均表现出“先快后慢”的特点,埋土处理腐解率大于地上15 cm和覆盖地表,埋土15 cm最大,腐解率达到78.89%。还田玉米秸秆养分释放快慢表现为K>P>C>N。经过18个月腐解,C、N、P、K释放率分别为66.22%~80.26%、55.44%~71.71%、74.58%~82.53%和94.18%~98.01%;埋土15 cm处理的C、N、P、K释放率最大。纤维组分腐解率表现为纤维素>半纤维素>木质素。还田18个月后,埋土处理高于地上15 cm和地表处理;纤维素腐解率为73.64%~89.32%,半纤维素为67.07%~86.49%,木质素为18.34%~24.16%。还田玉米秸秆中15N丰度随还田时间增加而下降,表明秸秆中氮释放与吸持同时进行,利用秸秆还田初期和取样时15N丰度差异,构建了还田玉米秸秆氮素释放量和吸持量的计算方法。计算表明,还田18个月各处理秸秆氮素总释放量、吸持量和净释放量分别占秸秆氮素初始值的75.67%~87.26%、11.44%~26.65%和55.42%~71.75%。16S rDNA测序分析得出,随还田时间延长,玉米秸秆细菌多样性增加,地上15 cm、覆盖地表与埋土处理细菌群落组成差异明显。在门分类水平上变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)为优势种群,相对丰度总和为80.02%~96.06%。在属分类水平上,Massillia、黄杆菌属(Flavobacterium)、Pedobacter、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、假单胞菌属(Pseudomonas)、噬几丁质菌属(Chitinophaga)为优势种群。细菌群落组成与秸秆氮素含量密切相关。在门分类水平上,秸秆全氮含量与Actinobacteria相对丰度呈显著负相关,与Gemmatimonadetes、Fibrobacteres相对丰度呈显著正相关,与Armatimonadetes相对丰度呈极显著负相关;在属分类水平上,秸秆全氮含量与Massilia、Sphingomonas、Mucilaginibacter、Methylobacterium相对丰度呈极显著负相关,与Devosia相对丰度呈极显著正相关。
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