免耕和秸秆覆盖旱作稻田甲烷排放及甲烷产生菌群落结构和数量的变化特征

【摘要】：水稻是我国南方主要的粮食作物。传统的淹水栽培水稻存在着两个重要的问题：水资源的大量消耗和甲烷的大量排放。因此,如何在保持水稻产量的同时减少水资源的消耗和甲烷的排放是研究者长期关注的热点问题。秸秆覆盖旱作可以有效减少水分的利用量,并可保持水稻的产量。然而,淹水条件下秸秆还田会显著增加甲烷排放,目前对秸秆覆盖旱作稻田甲烷排放规律的报道较少。免耕作为一种保护性耕作措施逐渐被广泛采用,最近有报道指出：免耕可以显著减少稻田甲烷的排放,但是对其中的机理研究尚在起步阶段。稻田甲烷排放是一个复杂的生理生化过程,甲烷产生菌是甲烷产生过程中必须的微生物类群,它在甲烷的产生和排放中起着重要作用,因此研究其群落结构和数量在水稻不同生育期及不同耕作模式下的变化特征可以更深入的了解甲烷的排放机理。 本试验利用2003年在江西省余江县建立的田间试验小区主要研究免耕和秸秆覆盖旱作稻田的甲烷排放规律及影响因素,并采用PCR-DGGE和荧光原位杂交(FISH)的方法对免耕及覆盖旱作稻田水稻不同生育期土壤中甲烷产生菌的群落结构和数量的变化特征进行研究,试图通过分析揭示甲烷产生菌群落结构和数量与稻田甲烷排放的关联性。 主要结果如下： 1、双季稻晚稻免耕稻田甲烷排放规律及其影响因子的研究 (1)在早稻生育期内,常耕处理的甲烷排放量为9.28g·m-2,免耕耕翻稻田的甲烷排放量为9.51g·m-2,二者之间没有显著差异；在晚稻生育期内,常耕处理的甲烷排放量为7.78g·m-2,免耕处理的甲烷排放量为3.04g·m-2,二者存在显著差异。这表明：免耕可以显著降低甲烷的排放量,免耕稻田耕翻后没有显著增加甲烷的排放。 (2)造成免耕稻田甲烷排放量减少的主要因素可能是免耕稻田表层土壤紧实度增加、土壤中可溶性有机碳含量降低、土壤甲烷产生菌数量减少和植株根系发育受到一定的限制等。 (3)在本研究中,晚稻的甲烷排放量低于早稻,与早稻相比常耕和免耕处理分别减少16%和68%。 2、秸秆覆盖旱作稻田的甲烷排放规律及覆盖旱作栽培模式的生产实践意义 (1)秸秆覆盖旱作、常规水作和无秸秆覆盖旱作稻田的在晚稻生育期内甲烷排放总量分别为：11.12g·m-2,7.78g·m-2和4.23g·m-2。与常规水作相比,覆盖旱作处理显著增加了甲烷排放,而无秸秆覆盖旱作稻田甲烷排放量显著减少。 (2)与传统水作相比,秸秆覆盖旱作可以显著降低水分的损失,有效提高水分的利用效率、显著降低表层土壤的温度。秸秆覆盖旱作可以显著提高土壤有机质、维持和提高土壤养分含量。秸秆覆盖旱作对水稻的产量没有明显影响,同时还可以大幅度提高水稻干物质累积量。因此,在水资源缺乏的地区,秸秆覆盖旱作是一种值得考虑的替代传统水作的水稻栽培模式。 3、不同管理措施稻田甲烷产生菌的群落结构和数量季节变化特征及其与甲烷排放的关系 Ⅰ、传统栽培模式双季稻稻田甲烷产生菌的群落结构和数量季节变化特征 (1)在传统栽培模式的双季稻稻田土壤中,甲烷产生菌的群落结构在早稻和晚稻生育期内均有一定的季节变化,其中有一部分主要的类群在整个生育期持续存在。早稻甲烷产生菌的丰富度,Shannon-Wiener多样性指数和均匀度分别为22,2.86和0.934,而晚稻的对应指标分别为19,2.66和0.916。 (2)在传统栽培模式的双季稻稻田土壤中,不同属甲烷产生菌的数量在水稻的不同生育期土壤中变化剧烈,不同时期的优势种也不相同。无论早稻还是晚稻,甲烷产生菌的总数均在水稻移栽20天左右达到最大,分别为1.15×107个/克干土和7.75×106个/克干土,并显著高于水稻的其它生长时期,其它生长时期甲烷产生菌的总数没有显著的差异。与早稻相比,晚稻甲烷产生菌的数量相对较少。 (3)无论是早稻还是晚稻,利用H2/CO2和甲酸盐的甲烷产生菌在营养类群上占优势,其次是利用醋酸盐的甲烷产生菌,再次是利用混合碳源的甲烷产生菌。Ⅱ、双季稻晚稻免耕处理稻田甲烷产生菌的群落结构和数量季节变化特征 (1)在双季稻晚稻免耕处理稻田中,早晚稻生育期内甲烷产生菌的群落结构也存在一定的季节变化,其中也有一部分主要的类群在整个生育期内持续存在；免耕处理早稻甲烷产生菌的丰富度,Shannon-Wiener多样性指数和均匀度分别为19,2.58和0.887,而晚稻的对应指标分别为21,2.78和0.884。 (2)在双季稻晚稻免耕处理稻田中,早稻和晚稻生育期内不同类群甲烷产生菌的数量也存在明显的季节变化。无论早稻还是晚稻,甲烷产生菌的总数也均在水稻移栽20天左右的分蘖旺盛期达到最大分别为1.14×107个/克干土和6.72×106个/克干。早稻分蘖期的甲烷产生菌数量显著高于其它采样时间的数量。而晚稻分蘖期甲烷产生菌数量仅显著高于晚稻移栽前和收获时,与其它两个生育期在数量上没有显著性差异。同样其它采样时期其数量没有显著差异。这种单季免耕的双季稻晚稻的甲烷产生菌数量也少于早稻。 (3)与传统栽培模式相比,单季免耕模式双季稻早稻甲烷产生菌群落结构和数量均偏低,而晚稻生长季土壤中甲烷产生菌的群落结构多样性则较高,但是数量仍低于常耕处理。 (4)免耕处理的早稻和晚稻的甲烷产生菌主要营养类型也为利用H2/CO2和甲酸盐的类群,这类甲烷产生菌显著多于其它营养类型,而利用醋酸盐和混合碳源的甲烷产生菌较少,而这二者之间没有显著性的差别。Ⅲ、秸秆覆盖旱作稻田甲烷产生茵的群落结构和数量季节变化特征 (1)覆盖旱作稻田和无覆盖旱作稻田甲烷产生菌的群落结构也有一定的季节变化,其中也有一部分主要的类群在整个生育期持续存在。覆盖旱作稻田甲烷产生菌的群落结构比无秸秆覆盖旱作稻田的多样性,丰富度高。 (2)覆盖旱作稻田和无覆盖旱作稻田甲烷产生菌的总数也均在水稻移栽后21天时达到最大,此时秸秆覆盖旱作稻田的甲烷产生菌数量显著高于无秸秆覆盖旱作稻田,而其它时期两个处理之间没有显著性差异。 (3)无论是秸秆覆盖旱作稻田还是无秸秆覆盖旱作稻田,在营养类群上利用H2/CO2和甲酸盐的甲烷产生菌数量显著高于其它营养类型的数量,其次是利用混合碳源的甲烷产生菌,再次是利用醋酸盐的甲烷产生菌。 (4)与常规淹水稻田相比,秸秆覆盖旱作稻田和无秸秆覆盖旱作稻田的甲烷产生菌的群落结构多样性和数量均偏小。但是三个处理甲烷产生菌的数量均在水稻移栽后21天达到最大,分别为7.75×106个/克干土、3.45×106个/克干土和4.21×106个/克干土。而群落结构Shannon-Wiener多样性指数的最大值出现的时间却有明显的差异。Ⅳ稻田甲烷排放与甲烷产生菌群落结构和数量的关系 稻田甲烷排放速率与稻田土壤甲烷产生菌的数量存在显著的正相关关系,而与土壤中甲烷产生菌群落结构的丰富度和Shannon-Wiener多样性指数的相关性较小 【关键词】：免耕 秸秆覆盖旱作 甲烷排放规律 甲烷产生菌群落结构和数量 PCR-DGGE 荧光原位杂交(FISH)
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：S511
【目录】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• 第一章 文献综述17-43
• 1.1 水稻旱作和保护性耕作的研究进展17-26
• 1.1.1 发展水稻旱作的意义及其研究进展17-23
• 1.1.2 水稻保护性耕作的研究进展23-26
• 1.2 不同田间管理措施对甲烷排放的影响26-35
• 1.2.1 大气甲烷源汇估算27
• 1.2.2 甲烷产生机理和途径27-28
• 1.2.3 甲烷排放规律28-29
• 1.2.4 稻田甲烷排放的影响因素29-35
• 1.3 甲烷产生菌研究进展35-43
• 1.3.1 土壤微生物群落多样性研究方法进展35-40
• 1.3.2 产甲烷菌研究进展40-43
• 第二章 研究目的、内容及田间试验设计43-47
• 2.1 研究背景、目的及意义43
• 2.2 主要研究内容43
• 2.3 技术路线43-44
• 2.4 试验地设计和管理44-46
• 2.4.1 试验地概况44-45
• 2.4.2 试验设计与田间管理45-46
• 2.5 数据分析与统计46-47
• 第三章 双季稻晚稻免耕稻田甲烷排放规律及其可能的影响因素47-63
• 3.1 材料与方法48-49
• 3.1.1 试验材料48
• 3.1.2 研究方法48-49
• 3.2 结果与讨论49-61
• 3.2.1 晚稻免耕条件下稻田甲烷排放规律49-52
• 3.2.2 晚稻免耕对早稻甲烷排放日变化的影响52-53
• 3.2.3 晚稻免耕对土壤容重的影响53
• 3.2.4 晚稻免耕对水稻根系形态的影响53-55
• 3.2.5 晚稻免耕对土壤有机碳含量的影响55-56
• 3.2.6 晚稻免耕对土壤可溶性有机碳和碳水化合物含量的影响56-58
• 3.2.7 晚稻免耕对土壤微生物生物量碳的影响58-59
• 3.2.8 晚稻免耕对土壤可矿化碳的影响59-60
• 3.2.9 晚稻免耕稻田土壤不同形态碳与甲烷排放的关系60-61
• 3.3 小结61-63
• 第四章 秸秆覆盖旱作稻田甲烷排放规律及秸秆覆盖旱作水稻栽培模式的应用前景63-73
• 4.1 材料与方法63-64
• 4.1.1 试验材料63
• 4.1.2 试验方法63-64
• 4.2 结果与讨论64-72
• 4.2.1 秸秆覆盖旱作对稻田甲烷排放的影响64-66
• 4.2.2 秸秆覆盖旱作对土壤中不同形态有机碳含量的影响66-68
• 4.2.3 秸秆覆盖旱作稻田甲烷排放与土壤中不同形态有机碳含量的相关性68-69
• 4.2.4 秸秆覆盖旱作对土壤温度和含水量的影响69-70
• 4.2.5 秸秆覆盖旱作对水稻产量、构成因素及生物量累积的影响70-71
• 4.2.6 秸秆覆盖旱作对土壤养分的影响71-72
• 4.2.7 秸秆覆盖旱作栽培模式的实践意义72
• 4.3 小结72-73
• 第五章 稻田土壤甲烷产生菌群落结构和数量研究方法确定73-83
• 5.1 材料和方法74
• 5.1.1 试验材料74
• 5.1.2 试验方法74
• 5.2 结果与讨论74-81
• 5.2.1 甲炕产生菌群落结构研究方法74-77
• 5.2.2 甲烷产生菌数量研究方法77-81
• 5.3 小结81-83
• 第六章 免耕和秸秆覆盖旱作稻田甲烷产生菌与甲烷排放的关系83-117
• 6.1 材料与方法84-85
• 6.1.1 试验材料84
• 6.1.2 试验方法84
• 6.1.3 PCR-DGGE图谱分析方法84-85
• 6.1.4 主要使用的探针类别和序列85
• 6.1.5 不同甲烷产生菌的荧光显微镜观测85
• 6.2 结果与分析85-108
• 6.2.1 双季稻田甲烷产生菌群落结构和数量季节变化特征85-93
• 6.2.2 双季稻晚稻免耕稻田甲烷产生菌群落结构和数量季节变化特征93-101
• 6.2.3 秸秆覆盖旱作稻田甲烷产生菌的群落结构和数量变化特征101-107
• 6.2.4 稻田甲烷排放通量与甲烷产生菌群落结构和数量的关系107-108
• 6.3 讨论108-115
• 6.3.1 稻田甲烷产生菌群落结构的变化特征108-110
• 6.3.2 稻田甲烷产生菌数量的变化特征110-114
• 6.3.3 稻田甲烷产生菌群落结构和数量与稻田甲烷排放量的关系114-115
• 6.4 小结115-117
• 第七章 全文结论及研究展望117-121
• 7.1 主要结论117
• 7.2 创新点117-118
• 7.3 存在问题118
• 7.4 研究展望118-121
• 参考文献121-137
• 附录一 不同田间管理措施稻田甲烷产生菌荧光图片137-145
• 附录二 攻读学位论文期间发表和参与发表的学术论文145-146
• 致谢146

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