水稻不同栽培模式的節(jié)水效應、生產力特征及土壤微生物學性狀研究.pdf

1、我國南方部分地區(qū)的季節(jié)性干旱非常嚴重，且干旱多發(fā)生在夏、秋季節(jié)，正是農作物(尤其是水稻)生長的關鍵需水期，嚴重影響了作物的正常生長。為減小南方季節(jié)性干旱對水稻生長的影響，提高水分利用效率，于2003-2006年在江西省余江縣進行了水稻節(jié)水的田間試驗，采用水稻旱作、秸稈覆蓋作為主要節(jié)水措施。依據試驗所在地區(qū)早、晚雙季稻耕作模式以及降雨量的分配特點(早稻生長季為雨季，晚稻為旱季)，建立了稻一稻水旱輪作的新型栽培模式。并針對水稻旱作較之于淹水

2、栽培容易導致地力耗竭的問題，相應研究了秸稈覆蓋和免耕對地力的維持作用。 鑒定和監(jiān)測微生物是微生物生態(tài)學研究的重要內容之一，對土壤微生物群落的定性扣定量分析有助于深化對農田生態(tài)系統可持續(xù)性的評價和認知。土壤微生物種群的分布和活性主要取決于以下三個方面：(a)土壤水分及氧化狀況，(b)有機質的輸入，(c)土壤結構的變化。水稻旱作直接改變了稻田的水分和氧化還原狀態(tài)，并在很大程度上影響了有機質的分解轉化以及土壤容重、土壤孔隙等物理性狀，

3、從而對稻田微生物的分布、數量和種群結構產生顯著的影響。分子生物學技術的應用極大的推動了環(huán)境微生物的研究進展。熒光原位雜交(FISH)和酶聯原位熒光雜交法(CARD-FISH)是目前從細胞水平上分析微生物群落結構的常用分子生態(tài)學方法，但目前應用上述方法對土壤微生物進行檢測依然存在障礙，主要是細胞損失、土壤集聚難以分散以及標記率低等會影響結果的可靠性。本研究中我們在方法上針對FISH和CARD-FISH在土壤微生物分析中的應用進行了一些重要

4、改進，并應用其對水稻土細菌、古生菌和甲烷產生菌類群的群落結構和種群數量進行了研究。 主要結果如下： 一、水稻不同栽培模式的節(jié)水效應該部分 試驗于2003年和2004年晚稻生長季內進行。2003年和2004年常規(guī)水作(CF)處理灌溉水總量分別為19950 m<'3>ha<'-1>和15850 m<'3>ha<'-1>，而覆蓋旱作(NF-SM)和裸地旱作(NF-ZM)的平均灌溉水量分別是7200 m<'3>ha<'-

5、1>和5045 m<'3>ha<'-1>。兩個生長季田間滲漏量CF處理為13442 m<'3>ha<'-1>，NF-ZM和NF-SM相應為5510 m<'3>ha<'-1>和5424 m<'3>ha<'-1>。與常規(guī)淹水和裸地旱作相比，秸稈覆蓋旱作處理的騰發(fā)量可分別減少33％和63％(2003)， 36.5％和57.1％(2004)。水稻旱作條件下，較之于裸地旱作，秸稈覆蓋能顯著增加作物的葉面積、主根長度、根系干重等指標。兩個生長季內，

6、CF和NF-SM處理的作物產量均無顯著性差異，且二者的產量都顯著高于NF-ZM。水分利用效率和灌溉水利用效率均為覆草旱作>裸地旱作>常規(guī)水作。 二、水稻不同節(jié)水栽培模式下作物生產力特征 1)2003-2006年同一處理無論在早稻季和晚稻季產量均沒有表現出明顯的規(guī)律性。這可能是受田間管理、水稻品種質量以及氣象等大的外部環(huán)境條件影響所致。4年田間試驗結果表明，傳統淹水體系和秸稈覆蓋旱作體系的水稻產量不存在顯著性差異。本研究的

7、結果在一定程度上，能夠揭示秸稈覆蓋和水旱輪作系統能維持作物生產力的穩(wěn)定性。 2)4個晚稻生長季內，最高產量均出現在常規(guī)淹水處理。總體上各處理產量由高到低依次為常規(guī)淹水>覆蓋旱作>裸地旱作。除2004年外，常規(guī)淹水處理與覆蓋旱作處理的產量在常規(guī)耕作條件下均無顯著性差異。相同水分管理條件下，常耕與免耕的產量差異多數情況下不顯著。常規(guī)淹水扣覆蓋旱作處理在常耕下作物產量差異不顯著；裸地旱作條件下，2003年和2004年免耕模式下的產量略

8、高于常規(guī)耕作；而在2006年，該處理中免耕模式下水稻產量顯著高于常耕。早稻產量的結果表明，常規(guī)耕作下，常規(guī)淹水處理的產量仍然高于覆蓋旱作，但無顯著性差異；常規(guī)淹水與覆蓋旱作處理的產量均顯著高于裸她旱作。免耕模式下，2005和2006年作物最高產量兩次出現在覆蓋旱作處理；裸地旱作中，3個生長季免耕模式下的產量均高于常規(guī)耕作，2005年和2006年達到顯著性差異。 三、水稻不同栽培模式對土壤微生物學性狀的影響 1)(酶聯)原

9、位熒光雜交分析方法的改進我們比較了FISH和CARD-FISH對土壤微生物檢測效率的差異，以及應用玻片或分子濾膜作為載體對實驗結果的影響。針對FISH方法應用于土壤微生物分析時所存在的障礙，比較研究了超聲波土壤破碎分離、瓊脂固定以及添加溶解酶等對檢測效率的貢獻。實驗結果表明我們所作的比較驗證對FISH和CARD-FISH能夠得以在土壤中應用非常關鍵而必要?？傮w來說，普通FISH的檢測結果不是很理想。在所有的測試中，普通FISH的檢測效率

10、只有CARD-FISH的16.3％-23.2％。這個結果遠低于此前在水體中的研究結果。而且較之于普通FISH方法，CARD-FISH檢測到的熒光信號明亮而易于辨認。超聲波處理后能明顯提升對細菌的檢測效率，FISH平均檢測效率從14.3％提高到20.6％，CARD-FISH則從79.8％提高到91.2％。瓊脂對FISH和CARD-FISH檢測效率的影響非常顯著，添加瓊脂處理的檢測效率要比無瓊脂固定的樣品高出3倍左右。 2)酶聯原位

11、熒光雜交法對稻田細菌和古生菌的檢測應用辣根(HRP-)寡核苷酸標記和酪胺(Tyramide)增強標記信號的CARD-FISH方法對不同節(jié)水栽培模式下的水稻土細菌和古生菌分別進行了檢測。分析樣品取自常規(guī)水作、裸地旱作和覆蓋旱作三個不同處理的田間定位試驗小區(qū)，分別對兩個層次(表層0-7cm土壤和下層7-14cm土樣)進行了分析檢測。應用CARD-FISH在玻片和濾膜上都清晰地觀測到了細菌信號，但總體上利用分子濾膜作為載體的檢測效率(DAPI

12、％)要高于玻片；對相同處理而言，無論用分子濾膜還是玻片進行檢測，表層土壤細菌的密度均顯著高于7cm處土壤。細菌密度在10<'8>這個數量級。用兩種方法檢測到不同處理間表層土壤中細菌數量由大到小均依次為NF-SM>NF-ZM>CF；而在下層土壤中順序為NF-SM>CF>NF-ZM。在表層土壤中，旱作處理(NF-SM和NF-ZM)的樣品中均檢測不到古生菌的信號，而同層次淹水處理中古生菌的密度為2.66×10<'7> cells/g干土。下層

13、3個處理地土壤樣品中均檢測到古生菌的存在，最高密度仍然存在于淹水處理的土壤中，密度為6.36×10<'7> cells/g干土。 3)對甲烷產生菌類群的檢測應用專屬性探針對淹水處理和裸地旱作的甲烷產生菌類群進行了鑒定和計數。結果表明，甲烷產生菌各個類群在底層土壤的數量顯著高于表層土壤。裸地旱作表層土壤中所有專性類群檢測均未發(fā)現熒光信號。對冷藏狀態(tài)下(4℃)淹水處理表層土壤樣品進行分析，檢測到的古生菌數量為2.16×10<'7>c

14、ell/g于土。用MX825探針檢測到的Metlhanosaeta類群的數量為1.63×10<'7>cell/g干土；MS1414和MSMX860探針檢測的Metlianiosarcina+relatives以及Methaniosarcinaceae類群的數量分別為0.44×10<'7> cell/g干土和0.59×10<'7> cell/g干土。各類群在底層土壤的分布數量均高于表層。淹水種植處理的土壤從冰箱取出后進行加水密閉培養(yǎng)，并在