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长期冬绿肥—水稻制度下稻田土壤部分环境化学及分子生态学特征

高嵩涓  
【摘要】:长期种植利用绿肥是重要的水稻稳产高产措施,绿肥的长期效应及作用机制值得深入研究。依托我国南方红壤性水稻土上开始于1982年的双季稻-冬绿肥体系定位试验,在典型时期(绿肥盛花期、早稻移栽前、早稻分蘖期、早稻拔节期、早稻成熟期、晚稻收获后)采集土壤样品,应用紫外光谱、傅里叶红外光谱、荧光定量PCR、高通量测序等技术,研究了部分土壤养分、微生物生物量、DOM特性以及盐酸浸提态总铁(TFeHCl)、二价铁[Fe(II)HCl]和三价铁[Fe(III)HCl],测定了硝化作用功能基因arch-amoA基因、反硝化作用narG基因和nosZ基因丰度,分析了土壤微生物群落多样性特征。试验设四个处理,分别是稻-稻-紫云英(RRV)、稻-稻-冬油菜(RRP)、稻-稻-黑麦草(RRG)和稻-稻-冬闲(RRF)。主要结果如下: 绿肥翻压后土壤各速效养分含量均迅速上升。绿肥翻压后RRG处理土壤无机氮增幅最大,晚稻收获后冬种绿肥处理土壤无机氮含量低于RRF处理。冬种绿肥降低了土壤有效磷含量,各绿肥品种间稍有差别,RRG处理在各时期土壤有效磷含量相对其它2种冬绿肥处理较高。翻压黑麦草及冬油菜对土壤速效钾含量提升较为明显,晚稻收获后各处理间差异不大,RRF处理稍高于冬绿肥处理。土壤盐酸提取态硅含量在早稻生育期内逐渐上升,至晚稻收获后降至最低,冬种绿肥降低其含量,各绿肥品种间无显著差异。土壤微生物生物量碳(SMBC)、微生物生物量氮(SMBN)和微生物商均表现为随早稻生长逐渐降低并在晚稻收获后又有所上升的趋势。3种冬绿肥均提高了土壤SMBC、SMBN含量及微生物商,其中豆科绿肥紫云英效果最显著,黑麦草在早稻生育期间显著提高了微生物生物量碳氮比值。 绿肥翻压能够提高土壤DOM的含量,RRV和RRP处理土壤DOC和DON含量增加,冬绿肥处理土壤易降解有机碳组分含量及其在土壤DOC中所占比例上升。早稻移栽前RRP处理以及早稻成熟期RRV处理的SUVA254、SUVA280最高,E2/E3最低,说明冬种绿肥提高了土壤DOM的腐殖化程度,增加了芳香族化合物的含量并提高了DOM分子量;RRV处理降低了土壤DOM还原度,提高了其氧化还原能力及生物有效性;不同处理对土壤DOM的组成及结构影响不大,但各组分的含量发生了一定变化。 长期冬种绿肥对稻田铁还原作用有一定影响,且不同绿肥品种间有所差异。种植翻压绿肥显著降低了土壤TFeHCl含量。各处理Fe(II)HCl在绿肥翻压后迅速增加并随早稻生育进程持续升高,晚稻成熟后又降至最低。试验期间,RRG处理的Fe(II)HCl前期快速增加并在早稻移栽前高于其它绿肥处理,后期缓慢增加并低于其它各处理,早稻成熟期RRF处理Fe(II)HCl显著高于三个绿肥处理。Fe(III)HCl、Fe(II)/Fe(III)HCl与Fe(II)HCl分别表现为相反及基本一致的趋势。RRF处理Fe(II)HCl累积最大潜势显著高于冬种绿肥处理,而冬种黑麦草提高了Fe(II)HCl最大累积速率Vmax。土壤pH、Eh及总有机酸碳与Fe(II)HCl累积间存在显著相关关系。 功能基因narG、nosZ和arch-amoA丰度在不同处理间均没有显著差异;3种功能基因丰度在早稻成熟期相对绿肥翻压前后均有所下降,其中narG和nosZ基因丰度在早稻成熟期显著下降。3种功能基因丰度间均极显著正相关,氮转化功能基因丰度与Fe(II)HCl和土壤SMBC、SMBN之间也存在显著或极显著相关性,表明稻田氮转化过程与铁还原作用之间可能存在协同耦合关系 长期种植利用绿肥对微生物群落结构以及由功能微生物驱动的生物化学循环有显著影响。所有绿肥处理的Chao1丰富度和非参数香农指数均增加。绿肥处理的土壤微生物群落结构明显区别于RRF处理。Metastats分析表明,RRG、RRP和RRV处理中的土壤微生物中相当多的属在丰度上与RRF处理有显著差异,尤其是一些功能性微生物属发生了变化。长期绿肥措施改变了这些功能菌以及其它功能菌属的群落功能,绿肥处理的土壤中有较多的增加铵供给及降低土壤酸化的微生物群落。


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