秸秆还田方式对土壤微生物及玉米生长特性的调控效应研究

【摘要】：本研究选择玉米长期连作和米麦轮作2种种植方式,分别进行秸秆覆盖还田和深埋还田,应用传统的微生物纯培养技术与磷脂脂肪酸谱图分析方法相结合,从微生物的角度了解不同秸秆还田方式下土壤微生态状况;同时,将与土壤密切相关的玉米地下部根系和地上部植株相结合,全面分析玉米生长过程中的形态指标、干物质积累、穗位叶光合和荧光特征、光合作用和碳氮代谢关键酶活性、籽粒灌浆速率、根系主要特征、籽粒产量和水分利用率的动态变化,揭示了不同模式下秸秆还田对土壤微生物和玉米的综合调控效应,为合理进行秸秆还田、土壤和作物达到共赢提供科学依据,为农业的可持续发展奠定理论基础。主要结论有:1、同一种植方式不同秸秆还田方式下,秸秆深埋秸秆腐解速率均高于秸秆覆盖;但CT2相对于CT1的增幅,要比T2相对于T1的增幅大。玉米秸秆养分释放率从大到小顺序为:60.2%~81.3%(K)52.0%~68.9%%(P)28.6%~41.9%(N),T1和T2显著高于CT1和CT2。在米麦轮作种植方式下,秸秆还田方式对秸秆养分释放率影响不大;在连作种植方式下,秸秆深埋处理可增加氮和磷素的释放率,增强微生物代谢活性,对磷的释放率影响不大。2、米麦轮作模式下,土壤主要微生物、微生物生理类群、土壤酶活性和磷脂脂肪酸总量均高于玉米长期连作模式下。在玉米长期连作种植方式下,相比秸秆覆盖,秸秆深埋更能显著提高土壤微生物生物量碳含量,增加土壤细菌、放线菌、主要微生物生理类群(氨化细菌、好气性固氮菌、硝化细菌)和降低土壤真菌数量,提高土壤脲酶和转化酶活性,显著增加了生育中后期(大喇叭口期V12~乳熟期R3)土壤PLFA总量。在米麦轮作条件下,秸秆还田降低了土壤细菌数量,对土壤放线菌、自生固氮菌和氨化细菌数量无显著影响;秸秆深埋显著提高玉米生育中后期土壤好气性纤维素分解菌和硝化细菌的数量。总的来说,在玉米长期连作种植区,秸秆深埋比秸秆覆盖更能有效改善土壤微生物群落结构。3、米麦轮作种植方式下,秸秆还田降低玉米气生根数量,秸秆还田对0~20 cm土层的根系干重无显著差异。玉米长期连作种植方式下,秸秆还田显著增加了玉米气生根数量,增加了0~20 cm土层的根系干重,2两种秸秆还田方式比较,秸秆深埋处理的增加效应更加显著。随着土层的加深玉米根系干重逐渐减少,米麦轮作土壤中根系干重显著高于玉米长期连作土壤。4、米麦轮作模式下,秸秆还田显著降低了玉米抽雄期VT的根系活力和硝酸还原酶活性,其他时期无显著差异。秸秆还田方式对玉米根系活力、硝酸还原酶活性、可溶性糖和蛋白含量、SOD和POD活性影响不大,对不添加秸秆对照无显著差异;玉米长期连作模式下,秸秆深埋更能显著增强玉米根系活力和生育中后期的硝酸还原酶活性、可溶性糖、蛋白含量及保护酶活性。5、秸秆还田对玉米株高、穗位高、穗位高系数影响不大。秸秆深埋能够显著增加玉米生育中后期(抽雄VT~乳熟期R3)的干物质积累量。连作种植方式下,秸秆深埋更能显著增加玉米茎、鞘、雄穗的干物质转移率和对籽粒贡献率。同时,秸秆深埋下玉米花后0~50 d,穗位叶平均净光合速率、蒸腾速率和气孔导度、PSII最大光化学效率Fv/Fm、PSII实际光化学效率ΦPSII和PSII光化学猝灭系数qP均显著高于秸秆覆盖。米麦轮作下,秸秆还田对穗位叶气体交换参数(净光合速率Pn、蒸腾速率Tr和气孔导度Gs)、叶绿素荧光参数(PSII最大光化学效率Fv/Fm和PSII实际光化学效率ΦPSII)和光合作用关键酶(PEP和RuBP羧化酶)活性影响不大。6、玉米籽粒平均灌浆速率与最大灌浆速率的处理并不一致。轮作条件下,秸秆还田对玉米籽粒灌浆速率及相应参数影响不大。而在玉米长期连作下,无论是秸秆覆盖和深埋均增加了籽粒最大灌浆速率、平均灌浆速率、灌浆速率高值持续时间、灌浆有效时间,以秸秆深埋T2处理尤为显著。7、不同种植方式下,秸秆还田对玉米籽粒三年的平均产量、平均水分利用率和平均降雨利用率的影响呈现相反的效应。米麦轮作条件下,秸秆还田方式对三个指标影响不大,均呈现降低效应;玉米长期连作条件下,秸秆覆盖与对照无显著差异,秸秆深埋第2和3年显著提高玉米产量、水分利用率和降雨利用率。吉林省西部属半干旱区,年降雨量较少,土壤抗旱抗蚀能力较差,在实际生产中,在无法改变连作的大环境下,可通过适当的玉米秸秆深翻还田措施,改善地力、实现玉米高产稳产。 【关键词】：玉米 秸秆还田 土壤微生物 根系 产量
【学位授予单位】：吉林农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S141.4;S513
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 文献综述12-21
• 1.1 作物秸秆资源综合利用现状12-13
• 1.2 玉米秸秆还田方式和方法13-14
• 1.3 玉米秸秆腐解的影响因素及腐解特征研究14-16
• 1.3.1 玉米秸秆腐解的影响因素14-15
• 1.3.2 玉米秸秆腐解特征及养分释放规律15-16
• 1.3.3 玉米秸秆腐解的化感效应16
• 1.4 玉米秸秆还田的土壤效应16-18
• 1.4.1 对土壤理化性质的影响16-17
• 1.4.2 对土壤微生物的影响17-18
• 1.4.3 对土壤酶活性的影响18
• 1.4.4 对土壤呼吸的影响18
• 1.5 玉米秸秆还田的作物效应18-20
• 1.5.1 对玉米地上部生长的影响18-19
• 1.5.2 对玉米根系生长发育的影响19
• 1.5.3 对玉米籽粒产量的影响19-20
• 1.6 秸秆还田对长期连作的土壤和作物效应20-21
• 第二章 研究背景和研究内容21-24
• 2.1 研究背景和目的意义21-22
• 2.2 课题来源22
• 2.3 研究内容22-23
• 2.3.1 玉米秸秆腐解特征及微生物功能多样性研究22
• 2.3.2 不同秸秆还田方式下土壤微生物区系及土壤酶活性研究22
• 2.3.3 不同秸秆还田方式下土壤微生物群落结构和功能多样性研究22
• 2.3.4 不同秸秆还田方式下玉米根系形态及主要生理特征研究22
• 2.3.5 不同秸秆还田方式下玉米生长、发育及产量形成的研究22-23
• 2.4 技术路线23-24
• 第三章 玉米秸秆腐解特征及土壤微生物功能多样性研究24-34
• 3.1 材料与方法25-26
• 3.1.1 试验地概况25
• 3.1.2 试验设计25
• 3.1.3 取样及测定25-26
• 3.1.4 数据处理分析26
• 3.2 结果与分析26-32
• 3.2.1 玉米秸秆腐解率26-27
• 3.2.2 玉米秸秆养分释放率27-29
• 3.2.3 土壤微生物功能多样性分析29-32
• 3.3 讨论32-33
• 3.4 小结33-34
• 第四章 不同秸秆还田方式下土壤主要微生物及酶活性研究34-42
• 4.1 材料与方法34-36
• 4.1.1 试验地概况34
• 4.1.2 试验设计34-35
• 4.1.3 测定项目和方法35-36
• 4.1.4 数据处理分析36
• 4.2 结果与分析36-39
• 4.2.1 不同秸秆还田方式下土壤主要微生物数量36
• 4.2.2 不同秸秆还田方式对土壤主要微生物生理类群的影响36-38
• 4.2.3 不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响38-39
• 4.3 讨论39-41
• 4.4 小结41-42
• 第五章 不同秸秆还田方式下土壤微生物群落结构研究42-51
• 5.1 材料与方法43-44
• 5.1.1 试验地概况43
• 5.1.2 试验设计43
• 5.1.3 测定项目和方法43-44
• 5.1.4 数据处理分析44
• 5.2 结果与分析44-49
• 5.2.1 不同秸秆还田方式对土壤微生物生物量碳的影响44-45
• 5.2.2 不同秸秆还田方式对土壤主要微生物类群特征脂肪酸(PLFAs)的影响45-46
• 5.2.3 主成分分析46-48
• 5.2.4 不同秸秆还田方式对土壤磷脂脂肪酸总量的影响48
• 5.2.5 不同秸秆还田方式对土壤真菌和细菌磷脂脂肪酸比例的影响48-49
• 5.3 讨论49-50
• 5.4 小结50-51
• 第六章 不同秸秆还田方式下玉米根系形态及生理特征研究51-65
• 6.1 材料与方法51-54
• 6.1.1 试验地概况51
• 6.1.2 试验设计51-52
• 6.1.3 测定项目和方法52-54
• 6.1.4 数据处理分析54
• 6.2 结果与分析54-63
• 6.2.1 不同秸秆还田方式下玉米根系气生根数量54-55
• 6.2.2 不同秸秆还田方式下玉米根系干重时空分布55-56
• 6.2.3 不同秸秆还田方式下玉米根系活力56-57
• 6.2.4 不同秸秆还田方式下玉米根系可溶性糖和蛋白57-59
• 6.2.5 不同秸秆还田方式下玉米根系保护酶活性59-61
• 6.2.6 不同秸秆还田方式下玉米根系丙二醛含量61
• 6.2.7 不同秸秆还田方式下玉米根系氮代谢关键酶活性61-63
• 6.3 讨论63-64
• 6.4 小结64-65
• 第七章 不同秸秆还田方式下玉米生长发育及产量研究65-87
• 7.1 材料与方法65-67
• 7.1.1 试验设计65
• 7.1.2 取样65-66
• 7.1.3 测定项目和方法66-67
• 7.1.4 数据处理分析67
• 7.2 结果与分析67-85
• 7.2.1 不同秸秆还田方式下玉米株高、穗位高和穗位高系数67-68
• 7.2.2 不同秸秆还田方式下玉米干物质积累与分配68-75
• 7.2.3 不同秸秆还田方式下玉米叶片光合和荧光特性75-79
• 7.2.4 不同秸秆还田方式下玉米穗位叶碳氮代谢关键酶活性79-81
• 7.2.5 不同秸秆还田方式下玉米籽粒灌浆特性81-83
• 7.2.6 不同秸秆还田方式下玉米产量及水分利用率83-85
• 7.3 讨论85-86
• 7.4 小结86-87
• 第八章 主要结论与创新点87-90
• 8.1 主要结论87-89
• 8.1.1 玉米秸秆腐解特征及土壤微生物功能多样性研究87
• 8.1.2 不同秸秆还田方式下土壤主要微生物及酶活性研究87
• 8.1.3 不同秸秆还田方式下土壤微生物群落结构研究87-88
• 8.1.4 不同秸秆还田方式下玉米根系形态及生理特征研究88
• 8.1.5 不同秸秆还田方式下玉米生长发育及产量研究88-89
• 8.2 创新点89-90
• 参考文献90-107
• 作者简介107-108
• 致谢108

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