结实期干湿交替灌溉对水稻根系和稻田土壤主要性状的影响

摘要

水稻是我国最主要的粮食作物。随着人口的增多，水资源的短缺，在节水的前提下提高水稻产量对保证我国粮食安全和水资源高效利用具有重要意义。干湿交替灌溉是一种重要的水稻节水灌溉技术，目前已在我国及东南亚许多国家广泛应用。以往对干湿交替灌溉的研究较多集中于其对水稻产量和品质的影响方面，而在干湿交替灌溉条件下，稻田土壤产生何种变化，这种变化与水稻根系生长和产量形成有何关系尚不是很清楚。
　　本研究以甬优2640和扬两优六号为材料，以浅水层灌溉为对照，采用传统培养法、BIOLOG、荧光定量PCR、高通量测序等技术，研究了结实期干湿交替灌溉条件下水稻根系形态生理特征及稻田土壤性状的变化规律及其与水稻产量之间的关系，以期为水稻高产节水栽培提供理论与实践依据。主要研究结果如下:
　　(1)与浅水层灌溉相比，结实期干湿交替灌溉明显提高了水稻产量。产量提高主要是得益于结实率和粒重的共同提高。
　　(2)与浅水层灌溉相比，干湿交替灌溉条件下水稻根系长度、直径、根冠比、根系氧化力均显著提高。
　　(3)与浅水层灌溉相比，干湿交替灌溉显著提高了土壤中硝态氮、氨态氮、速效钾和有效磷的含量，提高了土壤肥力。水稻根系与土壤养分的相关性分析结果表明:水稻根系长度与土壤中硝态氮含量呈极显著正相关，根系直径、根干重、根冠比与土壤中硝态氮含量均呈显著正相关。
　　(4)与浅水层灌溉相比，干湿交替灌溉显著提高了土壤中蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶的活性。水稻根系与土壤酶活相关性分析结果说明:水稻根长、根直径、根冠比与蔗糖酶活性呈极显著正相关，水稻根干重、根系氧化力与蔗糖酶活性呈显著正相关，水稻根长、根直径、根干重、根冠比和根系氧化力与过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性呈极显著正相关。
　　(5)与浅水层灌溉相比，干湿交替灌溉下稻田土壤中可培养的细菌、真菌和放线菌数量显著提高。水稻根系与稻田土壤酶活性的相关性分析结果显示:水稻根系形态生理特征与土壤中可培养的细菌和真菌数目均呈正相关，与放线菌数目呈负相关，但相关性均不显著。
　　(6)采用BIOLOG技术分析干湿交替灌溉下稻田土壤微生物功能多样性，结果表明:与浅水层灌溉相比，干湿交替灌溉下微生物群落平均吸光值显著提高，显著增强了稻田土壤微生物的代谢活性，提高了土壤微生物利用碳源的能力，显著增加了微生物代谢功能的多样性。
　　(7)利用高通量测序和荧光定量PCR技术，分析了干湿交替灌溉下稻田土壤微生物遗传多样性。与浅水层灌溉相比，YY2640结实期干湿交替灌溉，促使稻田土壤周期性地失水和复水，显著地改变了土壤中微生物的群落结构组成。与氮素循环(Nitrosospira、Sulfuritalea、Microvirga)、磷素循环(Bacillus、Pseudomonas)、碳素循环(Nocardia、Marmoricola、Pseudonocardia)相关的功能菌群的改变有效地促进了稻田中可吸收N、P、K的含量，为水稻根系生长提供了充足的养分;与Fe3+/S循环(Geothermobacter、Anaeromyxobacter、Sulfuricurvum、Thiobacillus)和抗逆相关(Fusarium、Trichoderma、Streptomyces)拘功能菌群的改变，减轻了Fe2+、H2S等有毒物质对水稻根系细胞造成的损伤，削弱了病原菌的侵害，从而为水稻根系提供了良好的生长环境，增加水稻根系干重、根冠比等，进而提高产量。
　　综上所述，干湿交替灌溉处理使稻田土壤呈现好氧/厌氧的周期性变化，改善了稻田土壤中细菌、真菌和放线菌功能多样性及遗传多样性，提高了稻田土壤中蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶的活性，增加了土壤中的碳、氮、磷等植株根系可直接吸收的有效养分，进而促进水稻根系生长，提高产量。

目录

摘要

中英文对照词

1．文献综述

引言

1．1 水稻干湿交替灌溉技术及其应用

1．2 稻田土壤主要性状概述

1．2．1 物理性状

1．2．2 化学性状

1．2．3 生物学性状

1．3 水分管理对土壤主要性状的影响

1．4 土壤性状与根系间关系

1．5 土壤微生物研究方法

1．5．1 传统的微生物培养

1．5．2 BIOLOG技术

1．5．3 PLFA

1．5．4 现代分子技术

1．6 研究目的和意义

2 材料与方法

2．1 实验材料及试剂

2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 实验材料与实验设计

2．3．2 稻田土壤样品的采集与保存

2．3．3 稻田土壤理化性质的测定

2．3．4 水稻根系形态指标

2．3．5 水稻根系活力测定

2．3．6 水稻根系分泌物的收集与有机酸的测定

2．3．7 稻田土壤酶活性的测定

2．3．8 稻田土壤中可培养微生物的测定

2．3．10 稻田土壤微生物群落结构多样性分析——高通量测序

2．3．11 定量表达分析

2．3．12 考种与计产

2．3．13 数据处理与统计分析

3 结果与分析

3．1 干湿交替灌溉对水稻产量和根系性状的影响

3．1．1 干湿交替灌溉对水稻产量的影响

3．1．2 干湿交替灌溉对水稻根系形态生理特征的影响

3．1．3 干湿交替灌溉对水稻根系分泌物中有机酸含量的影响

3．2 干湿交替灌溉对稻田土壤物理化学性状的影响

3．3 干湿交替灌溉对稻田土壤主要酶活性的影响

3．4 干湿交替灌溉对稻田土壤可培养微生物的影响

3．5 干湿交替灌溉对稻田土壤微生物功能多样性的影响

3．6 干湿交替灌溉对稻田土壤微生物遗传多样性的影响

3．6．1 微生物基因组DNA提取及检测

3．6．2 目标片段的扩增纯化

3．6．3 测序结果OTU分析

3．6．4 样品复杂度分析

3．6．5 样品相似度分析

3．6．6 多样品比较分析

3．6．7 群落结构组成PCA分析

3．6．8 样品群落结构组成

3．6．9 群落属水平丰度的heatmap分析

3．6．10 稻田土壤中细菌、真菌和放线菌群落大小

3．6．11 稻田土壤中氮、磷代谢相关微生物群落大小

3．6．12 稻田土壤中铁、硫代谢相关微生物群落大小

4 讨论与小结

4．1 讨论

4．1．1 干湿交替灌溉对水稻产量的影响

4．1．2 干湿交替灌溉对稻田土壤性状的影响

4．2 主要结论

4．3 创新点

4．4 展望

参考文献

附录

致谢

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