【摘 要】
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硝化作用是农业生态系统氮素循环的关键过程,其两步反应过程中的起始和限速步骤由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)驱动。土壤母质决定土壤理化性质,但其对水稻生长和硝化微生物群落结构的影响尚不明确。本研究依托中国科学院桃源农业生态试验站“水稻土易地置土长期定位试验”,利用实时荧光定量PCR技术和高通量Illumina Mi Seq测序技术,分析不同母质发育水稻土早稻生长状况及其对硝化微生物群落结
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硝化作用是农业生态系统氮素循环的关键过程,其两步反应过程中的起始和限速步骤由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)驱动。土壤母质决定土壤理化性质,但其对水稻生长和硝化微生物群落结构的影响尚不明确。本研究依托中国科学院桃源农业生态试验站“水稻土易地置土长期定位试验”,利用实时荧光定量PCR技术和高通量Illumina Mi Seq测序技术,分析不同母质发育水稻土早稻生长状况及其对硝化微生物群落结构的影响。结果表明:(1)不同土壤母质发育水稻土中土壤养分如全氮、全钾的含量表现为:河流冲积物最高,第四纪红壤居中,砖红壤最低。五种水稻土有机质的含量表现为:湖南桃源古市(TYG,河流冲积物)>浙江嘉兴(JX,河流冲积物)>湖南桃源宝洞峪(TYB,第四纪红壤)>广东雷州(LZ,砖红壤)>江西鹰潭(YT,第四纪红壤),全磷含量较全氮和全钾少,表现为:LZ>JX>TYB>YT>TYG。早稻植株生育期供氮限制因子铵态氮和硝态氮的转化受母质类型、生育期分化、硝化速率等因素的控制,二者含量表现为:生育前期(分蘖期、孕穗期)>生育后期(抽穗期、成熟期),可溶性有机碳含量则呈相反趋势。LZ、JX、YT和TYB水稻土硝化速率随早稻的生长逐渐降低,TYG水稻土的硝化速率则呈逐渐升高趋势。(2)五种水稻土种植早稻对其株高、每穗实粒数、结实率和地上部总干重均表现出显著影响,株高和结实率表现为:LZ>JX>TYB>TYG>YT,每穗实粒数和地上部总干重表现为:JX>LZ>TYG>TYB>YT,稻谷干重则表现为:LZ>TYG>JX>TYB>YT。不同水稻土早稻植株根、茎和谷中碳素的积累量分别表现为TYB>YT>LZ>JX>TYG、YT>LZ>JX>TYG>TYB和YT>TYB>JX>TYG>LZ,根、茎和谷对氮素吸收量的表现形式为谷>茎>根,其中五种水稻土早稻茎对氮素的吸收量与土壤养分全氮含量的表现形式一致,谷对钾素的吸收量与土壤养分全钾含量的表现形式一致。各水稻土种植早稻植株根、茎和谷对磷的吸收量则均小于碳、氮和钾的吸收量。(3)不同母质发育水稻土早稻生育时期AOA和AOB丰度随作物生长整体呈减少趋势。河流冲积物和第四纪红壤发育的水稻土(JX、TYG和YT、TYB)氨氧化古菌群落多样性高于砖红壤母质发育的水稻土(LZ)。砖红壤和河流冲积物发育的水稻土(LZ和JX、TYG)氨氧化细菌群落多样性高于第四纪红壤母质发育的水稻土(YT、TYB)。(4)不同母质发育水稻土早稻生育时期土壤氨氧化微生物群落结构变化受土壤类型、生育期分化和土壤理化性质的影响。同为红壤类的砖红壤母质水稻土LZ和第四纪红壤母质水稻土TYB的AOA群落组成具有相似性,同类母质发育的两地水稻土如JX、TYG(河流冲积物母质)和YT、TYB(第四纪红壤母质)的AOA群落组成具有差异性,五种水稻土AOA群落组成的多样性均受DOC、NH4+-N和pH的影响。早稻各生育时期下LZ、YT、TYG和TYB水稻土AOB群落组成中主要以Nitrosospira菌属占优势,响应了四种水稻土铵态氮含量略高的结果。DOC、NH4+-N和硝化速率是影响不同母质发育水稻土AOB群落结构多样性的关键因子。综上所述,我国南方三种母质发育水稻土中河流冲积物母质养分最高,砖红壤种植早稻的每穗实粒数和结实率高于其他两种母质,同为红壤类的砖红壤母质LZ水稻土和第四纪红壤母质TYB水稻土在氨氧化古菌群落组成上有相似性。母质的分化对早稻植株碳氮磷钾含量的吸收、稻田土壤关键理化性质、氨氧化微生物丰度、多样性及群落结构表现出显著影响。研究结果对提高我国南方稻田肥料利用效率、减少环境污染具有重要的科学意义。
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