丛枝菌根-稻田生态系统对氮磷的削减功能研究

摘要

松花江流域是我国水稻主产区之一，氮磷的过量投入和利用率低下导致了大量的氮磷营养随稻田退水进入受纳水体，成为流域非点源污染的主要形式之一。可见，如何控制水稻生产过程中稻田氮磷随退水流失，已成为流域非点源污染治理面临的关键问题。本研究以菌根技术为核心，运用农业生态学、植物生理学与环境工程学的方法与理论，同时依托工程实践，系统分析了丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）接种对稻田氮磷投入与流失的削减功能。
　　基于试验地稻田土著AMF的存在现状，围绕该地区土著AMF生长的限制因子，提出了构建AMF-水稻共生系统的方法。在此基础上，利用温室大棚试验，通过比较摩西球囊霉（Glomus mosseae）和根内球囊霉（Glomus intraradices）对水稻秧苗的促生作用，考察了水稻秧苗地上部分和地下部分的菌根依赖性。另外，通过比较以上两菌种对稻田AMF生长限制因子的耐受响应，分析了两种AMF-水稻共生系统在稻田环境中的稳定性。在此基础上，利用大田试验，阐述了不同施肥条件下 AMF-水稻共生系统中水稻对氮磷的吸收及分配规律，并分析了AMF-水稻共生系统对稻田氮磷投入与流失的削减功能。
　　试验地稻田土著AMF存在数量非常低，水稻根系AMF侵染率在2％-3%之间。与根内球囊霉相比，水稻秧苗地上部分和地下部分对摩西球囊霉处理中的长势较好。施肥条件下，接种摩西球囊霉和根内球囊霉处理中水稻根系AMF侵染率分别为24%和34%。水淹20天和40天后接种摩西球囊霉处理中水稻根系AMF侵染率显著高于接种根内球囊霉处理。水淹60天后二者无显著差异，且AMF侵染率都低于2%。另外，无论恢复时间的长短，接种摩西球囊霉处理中水稻根系AMF侵染率都显著高于接种根内球囊霉处理。
　　在不改变水稻生长发育进程的前提下，AMF（摩西球囊霉）接种提高了水稻生物量分配至地上的比例，也提高了地上生物量分配至稻穗的比例。另外，AMF接种处理的水稻提高了对氮磷的吸收量及其分配至稻穗的比例，且AMF接种在低氮磷投入处理中的作用显著大于高氮磷投入处理中的作用。未接种条件下，氮磷投入量为传统投入量的80%时，水稻经济产量的实际测量值最高，为10.02 t/ha。氮磷投入量为传统投入量的85%时，水稻经济产量的预测值最高，为9.34 t/ha。氮磷投入量低于传统投入量的85%时，水稻经济产量随着氮磷投入量的降低而降低。接种AMF可以提高水稻经济产量。另外，在保证水稻高产的条件下，AMF接种可以将稻田氮磷投入量进一步削减23.5%。不仅如此，在氮磷投入量合理且相同的条件下，与未接种处理相比，AMF接种能够产生更高的经济效益。
　　在传统氮磷投入条件下，所有退水总氮（颗粒态氮+溶解态氮）浓度和总磷（颗粒态磷+溶解态磷）浓度均超过地表水V类水体标准。稻田氮素和磷素在水稻生长季通过退水流失的总量为18.9 kg/ha和3.7 kg/ha，分别占当季施肥量的7.9%和3.5%。其中，氮素退水流失以溶解态氮为主，而磷素退水流失以颗粒态磷为主。自然降雨和人为排水在稻田氮磷退水流失中起重要作用。另外，大幅度削减氮磷投入量（≥40%）能够有效降低稻田氮磷退水流失，而小幅度削减氮磷投入量（≤20%）并不会引起稻田氮磷流失量的大幅度降低。
　　在拉林河流域，接种AMF降低了稻田退水的总氮浓度和总磷浓度的平均值，并同时降低了稻田退水的溶解态和颗粒态氮浓度、溶解态和颗粒态磷浓度。另外，AMF接种的作用贯穿整个水稻生长季，但呈现季节动态：接种AMF的作用在移栽初期和长期水淹时期消失，在水稻氮磷投入结束后至水稻收割期间作用较大。另外，AMF接种导致的氮素和磷素流失量削减的最大作用发生在氮磷投入量为传统投入量80%的处理中。且在水稻生长季内稻田通过退水输出的氮磷分别削减了5.13 kg/ha和1.79 kg/ha，因此AMF接种及化肥减少20%将拉林河流域稻田输入拉林河的氮素减少143.6 t，磷素减少50.1 t。在引拉河流域推广AMF接种及相应施肥方式，每个水稻生长季可将拉林河输入松花江的氮素减少108.0t，磷素减少37.7 t。
　　本文系统地阐述了AMF-水稻共生系统的构建及其控制稻田氮磷投入与流失的原理与方法，为丛枝菌根技术的推广应用提供了有力的指导和借鉴。另外，丛枝菌根的应用在保证水稻经济产量的基础上实现了稻田氮磷投入量和流失量的双重削减，具有显著的经济效益和环境效益。

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第1章绪论

1.1 研究背景

1.2稻田氮磷流失研究进展

1.3AMF在稻田氮磷流失控制中的可能性分析

1.4课题来源、研究目的及意义

1.5 主要研究内容

1.6研究技术路线

第2章实验材料及方法

2.1实验材料

2.2 野外调查试验

2.3 温室大棚试验

2.4试验地本田试验

第3章稻田AMF-水稻共生系统的构建

3.1引言

3.2稻田土著AMF存在状况及影响因子

3.3水稻对AMF-水稻共生系统的依赖性

3.4AMF-水稻共生系统的稳定性

3.5本章小结

第4章AMF-水稻共生系统对稻田氮磷投入的削减功能

4.1 引言

4.2水稻根系AMF的定殖状况

4.3AMF接种对水稻生物量积累与分配的影响

4.4AMF接种对水稻体内氮磷积累与分配的影响

4.5AMF接种对水稻籽实的数量与质量的影响

4.6AMF接种对氮磷投入的削减功能和经济效益

4.7本章小结

第5章AMF-水稻共生系统对稻田氮磷流失的削减功能

5.1引言

5.2原生环境水文特征分析

5.3 传统施肥条件下稻田氮磷流失特征

5.4削减施肥条件下稻田氮磷流失特征

5.5 AMF接种条件下稻田氮磷流失特征

5.6环境效益分析

5.7本章小结

结论

创新点

展望与建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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