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

1、我國(guó)南方部分地區(qū)的季節(jié)性干旱非常嚴(yán)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(zhǎng)的關(guān)鍵需水期，嚴(yán)重影響了作物的正常生長(zhǎng)。為減小南方季節(jié)性干旱對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響，提高水分利用效率，于2003-2006年在江西省余江縣進(jìn)行了水稻節(jié)水的田間試驗(yàn)，采用水稻旱作、秸稈覆蓋作為主要節(jié)水措施。依據(jù)試驗(yàn)所在地區(qū)早、晚雙季稻耕作模式以及降雨量的分配特點(diǎn)(早稻生長(zhǎng)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(duì)水稻旱作較之于淹水

2、栽培容易導(dǎo)致地力耗竭的問(wèn)題，相應(yīng)研究了秸稈覆蓋和免耕對(duì)地力的維持作用。 鑒定和監(jiān)測(cè)微生物是微生物生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，對(duì)土壤微生物群落的定性扣定量分析有助于深化對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的評(píng)價(jià)和認(rèn)知。土壤微生物種群的分布和活性主要取決于以下三個(gè)方面：(a)土壤水分及氧化狀況，(b)有機(jī)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(jī)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(duì)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(xué)技術(shù)的應(yīng)用極大的推動(dòng)了環(huán)境微生物的研究進(jìn)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(xì)胞水平上分析微生物群落結(jié)構(gòu)的常用分子生態(tài)學(xué)方法，但目前應(yīng)用上述方法對(duì)土壤微生物進(jìn)行檢測(cè)依然存在障礙，主要是細(xì)胞損失、土壤集聚難以分散以及標(biāo)記率低等會(huì)影響結(jié)果的可靠性。本研究中我們?cè)诜椒ㄉ厢槍?duì)FISH和CARD-FISH在土壤微生物分析中的應(yīng)用進(jìn)行了一些重要

4、改進(jìn)，并應(yīng)用其對(duì)水稻土細(xì)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(jìn)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(yīng)該部分 試驗(yàn)于2003年和2004年晚稻生長(zhǎng)季內(nèi)進(jìn)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(gè)生長(zhǎng)季田間滲漏量CF處理為13442 m<'3>ha<'-1>，NF-ZM和NF-SM相應(yīng)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(zhǎng)度、根系干重等指標(biāo)。兩個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)，

6、CF和NF-SM處理的作物產(chǎn)量均無(wú)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(wú)論在早稻季和晚稻季產(chǎn)量均沒(méi)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(yàn)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(gè)晚稻生長(zhǎng)季內(nèi)，最高產(chǎn)量均出現(xiàn)在常規(guī)淹水處理?？傮w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(wú)顯著性差異。相同水分管理?xiàng)l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(wú)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?jī)纱纬霈F(xiàn)在覆蓋旱作處理；裸地旱作中，3個(gè)生長(zhǎng)季免耕模式下的產(chǎn)量均高于常規(guī)耕作，2005年和2006年達(dá)到顯著性差異。 三、水稻不同栽培模式對(duì)土壤微生物學(xué)性狀的影響 1)(酶聯(lián))原

9、位熒光雜交分析方法的改進(jìn)我們比較了FISH和CARD-FISH對(duì)土壤微生物檢測(cè)效率的差異，以及應(yīng)用玻片或分子濾膜作為載體對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。針對(duì)FISH方法應(yīng)用于土壤微生物分析時(shí)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(duì)檢測(cè)效率的貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明我們所作的比較驗(yàn)證對(duì)FISH和CARD-FISH能夠得以在土壤中應(yīng)用非常關(guān)鍵而必要?？傮w來(lái)說(shuō)，普通FISH的檢測(cè)結(jié)果不是很理想。在所有的測(cè)試中，普通FISH的檢測(cè)效率

10、只有CARD-FISH的16.3％-23.2％。這個(gè)結(jié)果遠(yuǎn)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(cè)到的熒光信號(hào)明亮而易于辨認(rèn)。超聲波處理后能明顯提升對(duì)細(xì)菌的檢測(cè)效率，F(xiàn)ISH平均檢測(cè)效率從14.3％提高到20.6％，CARD-FISH則從79.8％提高到91.2％。瓊脂對(duì)FISH和CARD-FISH檢測(cè)效率的影響非常顯著，添加瓊脂處理的檢測(cè)效率要比無(wú)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(duì)稻田細(xì)菌和古生菌的檢測(cè)應(yīng)用辣根(HRP-)寡核苷酸標(biāo)記和酪胺(Tyramide)增強(qiáng)標(biāo)記信號(hào)的CARD-FISH方法對(duì)不同節(jié)水栽培模式下的水稻土細(xì)菌和古生菌分別進(jìn)行了檢測(cè)。分析樣品取自常規(guī)水作、裸地旱作和覆蓋旱作三個(gè)不同處理的田間定位試驗(yàn)小區(qū)，分別對(duì)兩個(gè)層次(表層0-7cm土壤和下層7-14cm土樣)進(jìn)行了分析檢測(cè)。應(yīng)用CARD-FISH在玻片和濾膜上都清晰地觀測(cè)到了細(xì)菌信號(hào)，但總體上利用分子濾膜作為載體的檢測(cè)效率(DAPI

12、％)要高于玻片；對(duì)相同處理而言，無(wú)論用分子濾膜還是玻片進(jìn)行檢測(cè)，表層土壤細(xì)菌的密度均顯著高于7cm處土壤。細(xì)菌密度在10<'8>這個(gè)數(shù)量級(jí)。用兩種方法檢測(cè)到不同處理間表層土壤中細(xì)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?yàn)镹F-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(cè)不到古生菌的信號(hào)，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(gè)處理地土壤樣品中均檢測(cè)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(duì)甲烷產(chǎn)生菌類群的檢測(cè)應(yīng)用專屬性探針對(duì)淹水處理和裸地旱作的甲烷產(chǎn)生菌類群進(jìn)行了鑒定和計(jì)數(shù)。結(jié)果表明，甲烷產(chǎn)生菌各個(gè)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(cè)均未發(fā)現(xiàn)熒光信號(hào)。對(duì)冷藏狀態(tài)下(4℃)淹水處理表層土壤樣品進(jìn)行分析，檢測(cè)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(cè)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(cè)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(jìn)行加水密閉培養(yǎng)，并在