水稻不同栽培模式的节水效应、生产力特征及土壤微生物学性状研究

摘要

我国南方部分地区的季节性干旱非常严重，且干旱多发生在夏、秋季节，正是农作物(尤其是水稻)生长的关键需水期，严重影响了作物的正常生长。为减小南方季节性干旱对水稻生长的影响，提高水分利用效率，于2003-2006年在江西省余江县进行了水稻节水的田间试验，采用水稻旱作、秸秆覆盖作为主要节水措施。依据试验所在地区早、晚双季稻耕作模式以及降雨量的分配特点(早稻生长季为雨季，晚稻为旱季)，建立了稻一稻水旱轮作的新型栽培模式。并针对水稻旱作较之于淹水栽培容易导致地力耗竭的问题，相应研究了秸秆覆盖和免耕对地力的维持作用。 鉴定和监测微生物是微生物生态学研究的重要内容之一，对土壤微生物群落的定性扣定量分析有助于深化对农田生态系统可持续性的评价和认知。土壤微生物种群的分布和活性主要取决于以下三个方面：(a)土壤水分及氧化状况，(b)有机质的输入，(c)土壤结构的变化。水稻旱作直接改变了稻田的水分和氧化还原状态，并在很大程度上影响了有机质的分解转化以及土壤容重、土壤孔隙等物理性状，从而对稻田微生物的分布、数量和种群结构产生显著的影响。分子生物学技术的应用极大的推动了环境微生物的研究进展。荧光原位杂交(FISH)和酶联原位荧光杂交法(CARD-FISH)是目前从细胞水平上分析微生物群落结构的常用分子生态学方法，但目前应用上述方法对土壤微生物进行检测依然存在障碍，主要是细胞损失、土壤集聚难以分散以及标记率低等会影响结果的可靠性。本研究中我们在方法上针对FISH和CARD-FISH在土壤微生物分析中的应用进行了一些重要改进，并应用其对水稻土细菌、古生菌和甲烷产生菌类群的群落结构和种群数量进行了研究。 主要结果如下： 一、水稻不同栽培模式的节水效应该部分 试验于2003年和2004年晚稻生长季内进行。2003年和2004年常规水作(CF)处理灌溉水总量分别为19950 m<'3>ha<'-1>和15850 m<'3>ha<'-1>，而覆盖旱作(NF-SM)和裸地旱作(NF-ZM)的平均灌溉水量分别是7200 m<'3>ha<'-1>和5045 m<'3>ha<'-1>。两个生长季田间渗漏量CF处理为13442 m<'3>ha<'-1>，NF-ZM和NF-SM相应为5510 m<'3>ha<'-1>和5424 m<'3>ha<'-1>。与常规淹水和裸地旱作相比，秸秆覆盖旱作处理的腾发量可分别减少33％和63％(2003)， 36.5％和57.1％(2004)。水稻旱作条件下，较之于裸地旱作，秸秆覆盖能显著增加作物的叶面积、主根长度、根系干重等指标。两个生长季内，CF和NF-SM处理的作物产量均无显著性差异，且二者的产量都显著高于NF-ZM。水分利用效率和灌溉水利用效率均为覆草旱作>裸地旱作>常规水作。 二、水稻不同节水栽培模式下作物生产力特征 1)2003-2006年同一处理无论在早稻季和晚稻季产量均没有表现出明显的规律性。这可能是受田间管理、水稻品种质量以及气象等大的外部环境条件影响所致。4年田间试验结果表明，传统淹水体系和秸秆覆盖旱作体系的水稻产量不存在显著性差异。本研究的结果在一定程度上，能够揭示秸秆覆盖和水旱轮作系统能维持作物生产力的稳定性。 2)4个晚稻生长季内，最高产量均出现在常规淹水处理。总体上各处理产量由高到低依次为常规淹水>覆盖旱作>裸地旱作。除2004年外，常规淹水处理与覆盖旱作处理的产量在常规耕作条件下均无显著性差异。相同水分管理条件下，常耕与免耕的产量差异多数情况下不显著。常规淹水扣覆盖旱作处理在常耕下作物产量差异不显著；裸地旱作条件下，2003年和2004年免耕模式下的产量略高于常规耕作；而在2006年，该处理中免耕模式下水稻产量显著高于常耕。早稻产量的结果表明，常规耕作下，常规淹水处理的产量仍然高于覆盖旱作，但无显著性差异；常规淹水与覆盖旱作处理的产量均显著高于裸她旱作。免耕模式下，2005和2006年作物最高产量两次出现在覆盖旱作处理；裸地旱作中，3个生长季免耕模式下的产量均高于常规耕作，2005年和2006年达到显著性差异。 三、水稻不同栽培模式对土壤微生物学性状的影响 1)(酶联)原位荧光杂交分析方法的改进我们比较了FISH和CARD-FISH对土壤微生物检测效率的差异，以及应用玻片或分子滤膜作为载体对实验结果的影响。针对FISH方法应用于土壤微生物分析时所存在的障碍，比较研究了超声波土壤破碎分离、琼脂固定以及添加溶解酶等对检测效率的贡献。实验结果表明我们所作的比较验证对FISH和CARD-FISH能够得以在土壤中应用非常关键而必要。总体来说，普通FISH的检测结果不是很理想。在所有的测试中，普通FISH的检测效率只有CARD-FISH的16.3％-23.2％。这个结果远低于此前在水体中的研究结果。而且较之于普通FISH方法，CARD-FISH检测到的荧光信号明亮而易于辨认。超声波处理后能明显提升对细菌的检测效率，FISH平均检测效率从14.3％提高到20.6％，CARD-FISH则从79.8％提高到91.2％。琼脂对FISH和CARD-FISH检测效率的影响非常显著，添加琼脂处理的检测效率要比无琼脂固定的样品高出3倍左右。 2)酶联原位荧光杂交法对稻田细菌和古生菌的检测应用辣根(HRP-)寡核苷酸标记和酪胺(Tyramide)增强标记信号的CARD-FISH方法对不同节水栽培模式下的水稻土细菌和古生菌分别进行了检测。分析样品取自常规水作、裸地旱作和覆盖旱作三个不同处理的田间定位试验小区，分别对两个层次(表层0-7cm土壤和下层7-14cm土样)进行了分析检测。应用CARD-FISH在玻片和滤膜上都清晰地观测到了细菌信号，但总体上利用分子滤膜作为载体的检测效率(DAPI％)要高于玻片；对相同处理而言，无论用分子滤膜还是玻片进行检测，表层土壤细菌的密度均显著高于7cm处土壤。细菌密度在10<'8>这个数量级。用两种方法检测到不同处理间表层土壤中细菌数量由大到小均依次为NF-SM>NF-ZM>CF；而在下层土壤中顺序为NF-SM>CF>NF-ZM。在表层土壤中，旱作处理(NF-SM和NF-ZM)的样品中均检测不到古生菌的信号，而同层次淹水处理中古生菌的密度为2.66×10<'7> cells/g干土。下层3个处理地土壤样品中均检测到古生菌的存在，最高密度仍然存在于淹水处理的土壤中，密度为6.36×10<'7> cells/g干土。 3)对甲烷产生菌类群的检测应用专属性探针对淹水处理和裸地旱作的甲烷产生菌类群进行了鉴定和计数。结果表明，甲烷产生菌各个类群在底层土壤的数量显著高于表层土壤。裸地旱作表层土壤中所有专性类群检测均未发现荧光信号。对冷藏状态下(4℃)淹水处理表层土壤样品进行分析，检测到的古生菌数量为2.16×10<'7>cell/g于土。用MX825探针检测到的Metlhanosaeta类群的数量为1.63×10<'7>cell/g干土；MS1414和MSMX860探针检测的Metlianiosarcina+relatives以及Methaniosarcinaceae类群的数量分别为0.44×10<'7> cell/g干土和0.59×10<'7> cell/g干土。各类群在底层土壤的分布数量均高于表层。淹水种植处理的土壤从冰箱取出后进行加水密闭培养，并在室温培育48h后测定时数量显著增加；而裸地旱作土壤培养前后数量无显著变化。对全部结果进行比较发现，室温培育48h和168h后各类群数量均无显著变化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1水稻节水模式及水稻旱作的研究进展

1.2水稻旱作对土壤微生物学性状的影响

参考文献

第二章主要研究内容和试验田设计

2.1主要研究内容

2.2试验地设计和管理

2.3技术路线

第三章水稻旱作的节水效应及对水稻主要农艺性状的影响

3.1材料与方法

3.2结果

3.3讨论

3.4结论

第四章不同节水栽培模式对水稻产量及产量构成要素的影响

4.1材料和方法

4.2结果与讨论

4.3结论

第五章不同节水栽培模式对土壤微生物学性状的影响

第一节(酶联)原位荧光杂交法对土壤样品分析的方法研究

5.1.1材料与方法

5.1.2结果

5.1.3讨论与方法总结

第二节(酶联)原位荧光杂交法对稻田细菌和古生菌的检测

5.2.1材料与方法

5.2.2结果

5.2.3讨论

第三节酶联原位荧光杂交法对产甲烷菌类群的研究

5.3.1材料与方法

5.3.2结果

5.3.3讨论

第六章全文结论及研究展望

6.1主要结论

6.2创新点

6.3存在问题

6.4展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢