不同共作年限的稻鸭系统对土壤酶活性及细菌群落结构的影响

来源 :南京农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:asdy008
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鸭稻共作技术在我国有着悠久的发展历史,其利用水稻和鸭子之间的互利共生关系,构建起了一套立体综合种养生态系统。在提高农业资源利用效率,稳定农产品产量,优化农产品质量,并增加农民经济收入等方面有着明显的优势。前人针对稻鸭共作生态系统进行了大量的研究,但主要集中在土壤理化性质、水体环境及经济效益等方面,而土壤微生物特性对稻鸭共作模式响应的研究较少。本研究利用非稻鸭共作田(CK)、短期稻鸭共作田(SRDF)和长期稻鸭共作田(LRDF)三种模式稻田,依托高通量测序等先进技术手段,开展了 2年的土壤-微生物生态系统研究,从土壤酶活性和细菌群落结构角度出发,系统地研究了水稻不同生育时期三种稻鸭共作模式对土壤酶活性和细菌群落重构的影响,综合探讨了稻鸭共作模式影响土壤细菌群落构建的生态学机制,为长期稻鸭共作模式下土壤养分转化和平衡提供了科学理论依据。主要研究结果如下:(1)稻鸭共作对土壤的改良效果较为明显,表现为长期稻鸭共作>短期稻鸭共作。相较于非稻鸭共作,长期稻鸭共作和短期稻鸭共作后土壤容重分别下降了 7.8%和2.5%,总孔隙度分别提高了 5.3%和1.7%,长期稻鸭共作更有利于改善土壤的物理结构;稻鸭共作使得土壤pH值始终在5.6~6.2范围内波动,有效维持了土壤的酸碱度平衡,稳定了土壤微生物的生存环境;在土壤养分方面,长期稻鸭共作和短期稻鸭共作后土壤的有机质含量分别提高22.7%和7.8%,全氮含量分别提高了 24.0%和12.8%,硝态氮含量分别提高了 16.5%和12.9%。长期稻鸭共作田(LRDF)土壤铵态氮含量较非稻鸭共作田(CK)提高了 7.3%,速效钾含量较非稻鸭共作田(CK)和短期稻鸭共作田(SRDF)分别提高了 4.7%和1.7%,而速效磷含量较非稻鸭共作田(CK)提高了 4.2%。(2)不同共作年限稻鸭系统中土壤酶活性存在差异性。其中,短期稻鸭共作田(SRDF)土壤过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性较非稻鸭共作田(CK)分别提高了3.6%和3.3%,长期稻鸭共作田(LRDF)分别降低了 3.7%和3.6%;短期稻鸭共作能够提高过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性,但随着共作年限的增加,两种酶活性会下降。而且,不同水稻生育时期对两种酶活性的影响也较大,表现为齐穗期>成熟期。短期稻鸭共作对土壤脲酶的影响较小,但长期稻鸭共作田(LRDF)土壤脲酶活性在两个时期平均提高了 1.9%。稻鸭共作对土壤转化酶活性的影响较大,齐穗期时长期稻鸭共作田(LRDF)和短期稻鸭共作田(SRDF)土壤转化酶活性分别显著提高了17.9%和16.5%,成熟期分别提高了 12.5%和8.3%。不同水稻生育时期对酶活性的影响也存在一定的差异性,脲酶的活性表现为齐穗期>成熟期,而转化酶的活性表现为齐穗期<成熟期。(3)稻鸭共作模式下稻田的耕层土壤细菌群落比非稻鸭共作田表现的组成更为复杂,群落的丰富度和多样性指数更高。稻鸭共作能够提高土壤中独有的微生物物种数量,OTU、门和属水平分别提高了 6.4%、2.6%和3.2%,丰富土壤细菌间的互作。其中,短期稻鸭共作田土壤细菌群落结构及组成的变化较为活跃,随着共作年限的增加,土壤细菌群落开始趋于稳定状态。绿弯菌门(Chloroflexi)和变形菌门(Proteobacteria)是稻鸭共作系统中的主导细菌门,由于参与土壤C、N循环的细菌相对丰度较高,其有利于提高循环效率,从而保证了土壤环境的安全性和稳定性。相对于短期稻鸭共作田,长期稻鸭共作田土壤细菌的丰富度提高了 0.9%,多样性降低了 0.2%,虽然变化不明显,但其土壤细菌群落的结构更为稳定,对外界不利因素的抗干扰能力也更强。(4)土壤酶活性受多种因素的影响,而主要影响因子是土壤有机质、铵态氮、硝态氮和酸碱度。其中,有机质、铵态氮和硝态氮是促使酶活性整体变异的驱动因子,与脲酶、转化酶活性呈现出正相关性;长期稻鸭共作导致土壤酸度略微下降,这对土壤碱性磷酸酶活性有一定的抑制作用;过氧化氢酶活性与有机质、铵态氮和硝态氮间均表现出一定的负相关性。除了土壤环境因子外,酶活性受微生物的影响也较大,其中土壤细菌丰富度及多样性对碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性影响表现为正相关性,对转化酶和脲酶活性的影响表现为负相关性。(5)土壤细菌群落的结构受土壤环境影响较大。引起稻鸭共作田土壤中细菌群落结构发生变异的环境因子主要是有机质、全氮、容重及pH值等,而不同优势细菌门受到的影响也存在一定的差异性;放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)受土壤有机质、全氮、速效钾等养分含量的影响较大,而硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和拟杆菌门(Bacteroidetes)除了受上述土壤养分的影响外,还受到pH值的影响。网络结构分析结果表明,除了有机质和全氮等养分含量及酸碱度的影响外,细菌各属间也存在一定的相互联系与影响,在稻鸭共作系统中芽单胞菌属(Gemmatimonas)和硝化螺旋菌属(Nitrospira)与其他细菌属的关联度较高。结构方程模型表明,不同稻鸭共作模式直接改变了土壤的有机质、C/N、容重和pH值,进而对细菌群落带来一些间接的正面或负面影响。长期稻鸭共作显著提高了土壤有机质,但并未引起细菌丰富度和多样性的显著性提升;C/N的显著性降低可导致细菌的多样性显著性下降;不同稻鸭共作年限虽然对pH值的影响较小,但土壤酸碱度的轻微改变却会显著地影响到细菌群落的多样性。以上研究结果为长期稻鸭共作模式的发展提供了指导意义。
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