稻田甲烷排放水稻品种间差异及机理

摘要

水稻是我国最主要的粮食作物，持续不断提高水稻单产是我国稻作生产的重要任务。但稻田也是温室气体甲烷的重要产生源和排放源，在全球甲烷排放中占据主导地位，对全球温室效应有重要影响。研究明确不同水稻品种稻田甲烷排放差异并阐明稻田土壤—水稻植株及微生物与CH4释放潜能之间的关系，对水稻高产栽培和稻田温室气体减排有重要意义。
　　本实验以桂花球、徐稻2号和盐粳2号三个粳稻品种为材料，研究了上述品种间甲烷释放的差异和施氮量对其甲烷产生、氧化及排放的影响，分析了稻田中产甲烷古细菌和甲烷氧化菌的差异，并探究了稻田甲烷产生和氧化的微生物学机理。主要研究结果如下:
　　(1)不同品种水稻甲烷排放量具有显著差异。全生育期甲烷排放总量，桂花球最高（1423 kg ha-1），徐稻2号次之（1010 kg ha-1），盐粳2号最低（923 kg ha-1）。减少氮肥的使用可以显著降低稻田甲烷的释放。
　　(2)不同品种水稻在植株水平上差异显著。盐粳2号与徐稻2号在植株干物质重、叶面积指数、茎蘖数、叶片叶绿素含量、根干重、根冠比、根长以及产量等方面显著高于桂花球，与甲烷排放量在品种间变化趋势相反，但是甲烷排放通量与产量、穗数、每穗粒数以及干物质重呈显著的负相关(r=-0.998*～-1.000*);与结实率、千粒重等因素的相关性均不显著。
　　(3)通过高通量测序以及实时荧光定量PCR技术研究了不同品种水稻根际土壤中细菌、产甲烷古细菌以及甲烷氧化菌的群落结构与大小。结果表明，不同品种根际土壤中微生物种类差异不明显，但是优势菌群的比例具有显著差异。不同品种根际土壤中产甲烷古细菌的群落结构中优势菌群甲烷细菌属，甲烷八叠球菌属占据了60％～70％，而且甲烷排放量高的品种桂花球根际土壤中这两种优势产甲烷古细菌的相对丰度要高于盐粳2号与徐稻2号。甲基八叠球菌属、甲基单胞菌属是根际土壤中甲烷氧化菌的优势菌群，占据了整个群落的60％，与产甲烷古细菌相反，盐粳2号与徐稻2号根际土壤中这两种甲烷氧化菌的丰富度要明显高于桂花球。这也就是说，产甲烷古细菌优势菌群的丰度与甲烷排放具有正相关性，而甲烷氧化菌优势菌群的丰度与甲烷排放成负相关性。
　　不同品种根系土壤中细菌的群落大小差异不显著;盐粳2号根际土壤中产甲烷古细菌、甲烷氧化菌的数目低于桂花球。四种特异产甲烷古细菌，马氏甲烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌、甲酸甲烷杆菌、嗜树木甲烷短杆菌的数目对甲烷的产生具有重要影响。甲烷排放通量与产甲烷古细菌群落大小呈显著正相关(r=0.958*)，而与甲烷氧化菌数目及活性呈显著负相关(r=-0.948*)。
　　(4)通过树脂切片技术观察水稻根系以及茎秆通气系统对甲烷排放的影响，结果表明:根系通气组织的面积与甲烷释放量呈显著负相关(r=-0.989*)，根系通气组织面积比与根际土壤氧化还原单位呈显著正相关（r=0.983*），与产甲烷古细菌的数目呈负相关（r=-0.952*），与甲烷氧化菌的数目及活性呈显著正相关(r=0.987*)。茎秆通气系统中靠近地面节间的气腔、髓腔面积对甲烷释放的影响更为显著，通气系统的面积越大甲烷释放量就越高。
　　(5)根系通过向土壤中分泌一些物质与土壤环境进行物质、能量和信息的交流，影响土壤中微生物的活动进而调控植株的生长。本研究中，仅对根系分泌物中低分子的有机酸进行了研究，结果表明:根系分泌物中苹果酸和琥珀酸含量与产甲烷古细菌的数目呈显著正相关(r=0.979*)，即苹果酸和琥珀酸促进了产甲烷古细菌的活性;甲烷氧化菌数目及甲烷氧化菌氧化活性与酒石酸和柠檬酸的含量呈显著正相关(r=0.813～0.817*)。
　　(6)通过外源添加氮肥研究N肥对甲烷氧化菌活性影响发现，不同氮肥对甲烷氧化菌的活性均双重效应。高浓度时有抑制作用，但是抑制程度不同，NH4HCO3和NH4Cl在每克干土中含有200μg氮时对甲烷氧化菌的活性已有明显的抑制效应，浓度越高抑制作用越强;KNO3在每克干土中含有400μg氮时对甲烷氧化菌的活性有抑制作用但要低于NH4HCO3和NH4Cl;尿素在高浓度时有抑制作用但是抑制效应不显著。

目录

摘要

中英文对照词

1 文献综述

1．1 温室气体

1．2 稻田甲烷

1．2．1 稻田甲烷的产生

1．2．2 稻田甲烷的氧化

1．2．3 稻田甲烷的排放

1．3 稻田甲烷排放的影响因素

1．3．1 N肥的添加

1．3．2 水稻品种

1．3．3 有机质的添加

1．3．4 土壤含水量

1．4 土壤微生物丰度及多样性分析方法

1．4．1 亨盖特滚管技术

1．4．2 原位荧光杂交(FISH)

1．4．3 实时荧光定量PCR(qPCR)

1．4．4 变性梯度凝胶电泳(DGGE)

1．4．5 限制片段长度多态性(RFLP)和末端限制片段长度多态性(T-RFLP)

1．4．6 磷脂脂肪酸图法(PLFAs)

1．4．7 高通量测序

1．5 本研究的目的和意义

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 供试材料及田间栽培

2．3．2 田间甲烷的采集与分析

2．3．3 土样的采集

2．3．4 土壤中产甲烷古细菌和甲烷氧化菌的定量分析

2．3．5 土壤微生物群落结构—高通量测序

2．3．6 外源处理对甲烷氧化菌活性的影响

2．3．7 植株根系及茎秆通气组织的观察

2．3．8 植株根系活力测定

2．3．9 地上部干物质重及叶面积

2．3．10 根系主要形态指标

2．3．11 根系分泌物的收集与有机酸的测定

2．3．12 土壤中脲酶和过氧化氢酶活性的测定

2．3．13 考种与计产

2．3．14 土壤理化性状

3 结果与分析

3．1 稻田甲烷排放

3．2 水稻植株形态生理

3．2．1 产量及其构成

3．2．2 干物质重

3．2．3 叶面积指数

3．2．4 茎蘖动态

3．2．5 叶片叶绿素含量

3．2．6 水稻根系形态生理

3．2．7 水稻根系分泌物中有机酸的含量

3．2．8 水稻茎秆及根系通气系统

3．3 水稻根际土壤理化性状与土壤酶活性

3．4 根际土壤细菌、产甲烷古细菌和甲烷氧化菌的群落结构与大小

3．4．1 根际土壤细菌、产甲烷古细菌和甲烷氧化菌的群落结构

3．4．2 根际土壤细菌、产甲烷古细菌和甲烷氧化菌的群落大小

3．5 甲烷氧化菌活性及外源添加物对其活性的影响

3．5．1 根际土壤中甲烷氧化菌的活性

3．5．2 外源添加物对土壤中甲烷氧化菌活性的影响

4 讨论与小结

4．1 讨论

4．1．1 不同水稻品种对稻田甲烷排放的影响

4．1．2 甲烷释放的微生物学机理

4．1．3 N肥对稻田甲烷排放的调控

4．2 小结

4．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢

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