水稻不同栽培模式的節(jié)水效應、生產(chǎn)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(nóng)作物(尤其是水稻)生長的關(guān)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(jù)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(nèi)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)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(zhì)的輸入，(c)土壤結(jié)構(gòu)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(zhì)的分解轉(zhuǎn)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(shù)量和種群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響。分子生物學技術(shù)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(lián)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(jié)構(gòu)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(jié)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(chǎn)生菌類群的群落結(jié)構(gòu)和種群數(shù)量進行了研究。 主要結(jié)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(nèi)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(nèi)，

6、CF和NF-SM處理的作物產(chǎn)量均無顯著性差異，且二者的產(chǎn)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(chǎn)力特征 1)2003-2006年同一處理無論在早稻季和晚稻季產(chǎn)量均沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。這可能是受田間管理、水稻品種質(zhì)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(jié)果表明，傳統(tǒng)淹水體系和秸稈覆蓋旱作體系的水稻產(chǎn)量不存在顯著性差異。本研究的

7、結(jié)果在一定程度上，能夠揭示秸稈覆蓋和水旱輪作系統(tǒng)能維持作物生產(chǎn)力的穩(wěn)定性。 2)4個晚稻生長季內(nèi)，最高產(chǎn)量均出現(xiàn)在常規(guī)淹水處理。總體上各處理產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量差異多數(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量顯著高于常耕。早稻產(chǎn)量的結(jié)果表明，常規(guī)耕作下，常規(guī)淹水處理的產(chǎn)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(chǎn)量均顯著高于裸她旱作。免耕模式下，2005和2006年作物最高產(chǎn)量兩次出現(xiàn)在覆蓋旱作處理；裸地旱作中，3個生長季免耕模式下的產(chǎn)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(lián))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(jié)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(jié)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(guān)鍵而必要?？傮w來說，普通FISH的檢測結(jié)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(jié)果遠低于此前在水體中的研究結(jié)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，F(xiàn)ISH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(lián)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(shù)量級。用兩種方法檢測到不同處理間表層土壤中細菌數(shù)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(chǎn)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(chǎn)生菌類群進行了鑒定和計數(shù)。結(jié)果表明，甲烷產(chǎn)生菌各個類群在底層土壤的數(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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