光照和添加有机物料对水稻根际土壤铁还原过程的作用效果

【摘要】：水稻土淹水后,由于受热力学原理控制从而发生着一系列的化学及生物学反应,其中Fe(III)还原过程是厌氧环境下电子传递链末端最重要的过程。淹水水稻土中的异化铁还原过程是微生物介导的生物化学过程,对有机污染物的降解、重金属的还原和沉淀、放射性物质的迁移转化和抑制甲烷的产生具有重要作用。铁是土壤中氧化还原敏感金属,由于根系的存在,根际被认为是铁生物地球化学循环的关键区域。根际是水稻根系和土壤紧密接触的特殊土壤微区,由于水稻的根系泌氧作用,存在着许多兼氧和好氧微区;并且根系分泌物与根系泌氧能改变根际土壤环境的pH值、氧化还原状况。此外,在水稻不同的生长期,根系泌氧量与释放的根系分泌物也有所不同。因此在不同水稻生长时期,水稻根际土壤的铁还原能力及特点与非根际土壤会有所不同。本研究采用水稻根袋土培方法,采集我国不同植稻区水稻土,探究水稻根系泌氧条件下不同水稻土根际与非根际铁还原能力;通过控制水稻光照条件,研究光照周期对根际土壤中铁还原的影响;通过外源添加不同量生物有机肥,研究有机质厌氧发酵过程对Fe(III)还原及脱氢酶活性的影响,结合16S rDNA PCR的酶切分型技术,探究生物有机肥添加量对水稻根区与非根区土壤中微生物群落结构的影响。主要的研究结果如下:(1)水稻根系泌氧可提高根际土壤Fe(II)氧化能力,且随着水稻生物量增大而Fe(II)氧化作用逐渐增强。不同水稻土理化性质差异也使得根际铁还原能力的相差,表现为土壤Fe(II)逐渐被氧化,或Fe(III)还原受到抑制。非根际铁含量随培养时间的延长呈现Fe(II)浓度上升、Fe(III)浓度下降的趋势。栽培体系中根际与非根际土壤脱氢酶活性逐渐上升,非根际土壤脱氢酶活性总体大于根际;脱氢酶活性的大小与土壤类型关系密切。三种水稻土淹水后非根际pH逐渐上升并趋近于中性;根际土壤pH总体表现为下降的趋势,而QL水稻土在水稻栽培36d后pH逐渐上升并趋近于非根际水平。土壤脱氢酶活性是影响铁还原能力的因素之一,且pH值可调控脱氢酶活性。脱氢酶活性与Fe(II)浓度显著正相关,与pH值极显著正相关。(2)持续光照条件下根际土壤中Fe(II)浓度明显下降,表明光照可促进水稻根系泌氧能力。暗光阶段根际土壤Fe(III)还原能力持续增加,Fe(II)浓度逐渐上升,在暗光12h周期可达到与非根际土壤相近的水平。根系泌氧能力随水稻生长期的延长逐渐提升,光照12h周期内根际土壤的铁氧化量呈上升趋势。非根际土壤中铁含量不受水稻光照周期调控,土壤Fe(II)浓度总体大于根际,Fe(III)浓度小于根际。(3)添加生物有机肥可促进非根际土壤Fe(III)的还原能力,并抑制根际Fe(II)的氧化,而随着水稻生长期延长差异明显减小。微生物利用生物有机肥为发酵底物可提升土壤中脱氢酶活性,且随生物有机肥添加量增大其活性逐渐提升。生物有机肥的使用可提升土壤pH值,根际pH值变化量较非根际更为显著,可明显改善水稻生长过程中根际土壤的酸性环境。(4)水稻根区微生物多样性明显大于非根区,使用生物有机肥可使土壤中细菌的多样性降低。随着生物有机肥使用量的增大,根区土壤细菌的多样性逐渐降低。但在非根区土壤中,1%施用量对细菌多样性的降低作用大于3%施用量。