长期不同施肥处理对红壤稻田土壤肥力、细菌群落特征及水稻产量与品质的影响研究

论文摘要

为了揭示施肥与土壤肥力、化学性质、细菌群落特征及水稻产量品质与养分吸收积累的内在关系,为中南红壤区优质高效栽培及基于可持续生产的稻田快速培肥提供理论依据和技术支撑。本论文依托设于中国农业科学院衡阳红壤实验站始于1982年的有机肥和化肥不同组合施用长期定位试验,共设7个处理:（1）单施有机肥（M）、（2）氮磷钾配施有机肥（NPKM）、（3）氮磷钾（NPK）、（4）氮钾配施有机肥（NKM）、（5）氮磷配施有机肥（NPM）、（6）磷钾配施有机肥（PKM）、（7）不施肥（NF）,研究了连续35年长期不同施肥处理对稻田土壤养分、化学性质、细菌群落特征及水稻产量品质与植株地上部氮磷钾吸收积累特性的影响。主要结果如下:（1）施肥不同程度提高了土壤有机碳、溶解性有机碳、全氮、碱解氮、全磷、有效磷和速效钾含量,以有NPKM处理各项指标均最高,分别达到24.65 g/kg,1.31 g/kg,2.26 g/kg,213.01 mg/kg,1.25 g/kg,43.63 mg/kg和178.6 mg/kg,且该处理SOC/TN（10.92）显著高于其它所有处理。等氮磷钾投入下,M处理的土壤有机碳、溶解性有机碳、全氮、碱解氮和速效钾含量均高于NPK处理。（2）与试验前（p H=5.97）相比,NF和NPK处理土壤p H分别降低了0.06、0.27,而增施有机肥可不同程度提高土壤p H,以M、PKM两处理相对较优,分别比试验前提高了0.11、0.10,表明长期施化肥氮磷钾加速了土壤酸化,而有机肥单施或与磷钾肥配施缓解土壤酸化效果最优。此外,M处理土壤纤维素酶活性最高,为0.27 mg Gluose/g干土/72 h,NPKM处理次之,二者无显著差异,但均显著高于其它处理,同时,后者脲酶、蔗糖酶活性均最高,分别为0.27 mg NH3-N/g干土/24 h、21.09 mg Glucose/g干土/24 h,其酸性磷酸酶活性仅次于NPM处理,达到4.49 mg Phenol/g干土/24 h,交换性钾、钠离子及盐基离子总量均最高,分别达到0.34、0.35、5.23 cmol/kg,阳离子交换量仅次于PKM处理,达到14.07 cmol/kg。表明NPKM处理对于协同提升四种土壤酶活性效果最优,其交换性钾、钠离子及盐基离子总量最高,阳离子交换量亦相对较高,土壤供肥能力更强。（3）长期不同施肥处理对稻田土壤中优势菌门无明显影响,各施肥处理前四大优势细菌门依次为Proteobacteria,Acidobacteria,Chloroflexi和Nitrospirae,累计占土壤细菌的70%以上。然而,不同施肥处理形成了不同的根际土壤细菌群落结构,E-Mg2+、SOC和AN为调控根际土壤中细菌群落结构形成的关键环境驱动因子。与NF处理相比,M与NPKM处理均显著提高了根际土壤细菌多样性,Shannon指数分别达到9.79、9.83,而NPK处理导致根际土壤细菌多样性和丰富度均降低,Shannon指数和Chao1分别降低了0.07,183.83,其中chao1显著低于其它各处理。同时,NPKM处理显著提高了Actinobacteria丰度。（4）长期不同施肥处理显著影响籽粒产量、有效穗数和每穗总粒数,以NPKM处理产量最高（7.72 t/hm2）,显著高于其它各处理,且该处理有效穗数和每穗总粒数均最高,分别达到293.33×104/hm2、188.88 No./panicle。相比于NPK处理,M处理籽粒产量和谷草比分别提高了6.25%和14.78%,而稻草产量降低了6.78%,促进了光合同化产物由稻草向籽粒转运,形成籽粒产量。NPKM处理促进了地上部氮磷钾吸收积累,分别达到135.20、39.59、183.11 kg/hm2,其中,氮肥对地上部钾素吸收积累的促进作用优于磷肥（增加了10.04 kg/hm2）,磷肥对地上部氮素吸收积累的促进作用优于钾肥（增加了14.42 kg/hm2）,氮钾配施可促进地上部对磷的吸收积累（29.44 kg/hm2）,而缺施氮肥情况下,增施磷肥亦限制地上部对磷的吸收积累（27.74 kg/hm2）。（5）施肥不同程度提高了精米率、整精米率、胶稠度、直链淀粉和蛋白质含量,增幅分别介于7.73%12.35%、2.05%10.19%、2.48%6.83%、1.14%3.04%、0.61%7.93%之间;同时降低了稻米垩白粒率和垩白度,降幅分别介于1.82%6.81%、4.41%10.29%之间。以NPKM处理精米率、整精米率、胶稠度、直链淀粉和蛋白质含量最高而垩白粒率和垩白度最低,分别达到70.50%、61.76%、86 mm、13.55%、8.85%、30.80%、3.05,米质相对最优。（6）有机肥与氮磷钾平衡配施大幅提高了土壤养分与有机碳、溶解性有机碳含量及阳离子交换能力,显著增加了多种土壤酶活性,有效缓解土壤酸化,并显著提高了根际土壤Actinobacteria丰度,协同改善了有效穗数和每穗总粒数,激活产量潜力,形成最高产量;同时大幅提高了精米率、整精米率、胶稠度、直链淀粉和蛋白质含量并大幅降低了垩白粒率和垩白度,协调改善稻米外观、加工、食味和营养品质;是中南丘陵区红壤稻田优质高效培肥和可持续生产的合理施肥方式。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 本研究的意义
•   1.2 国内外研究现状与发展动态
•     1.2.1 长期不同施肥对土壤肥力质量的影响
•     1.2.2 长期不同施肥对土壤理化性质的影响
•     1.2.3 长期施肥对土壤微生物的影响
•     1.2.4 长期施肥对作物生长的影响
•   1.3 主要研究内容与技术路线
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 第二章 材料与方法
•   2.1 试验点概况
•   2.2 供试土壤与试验设计
•   2.3 样品采集
•     2.3.1 土壤样品采集
•     2.3.2 植株样品采集
•   2.4 指标测定
•     2.4.1 土壤养分与基本理化性质测定
•     2.4.2 土壤酶活力测定
•     2.4.3 土壤细菌高通量测序
•     2.4.4 水稻植株及籽粒氮磷钾含量测定
•     2.4.5 稻米品质测定
•   2.5 数据处理与分析
•     2.5.1 基本统计分析
•     2.5.2 测序数据质量控制与处理
•     2.5.3 土壤细菌群落特征生物信息学分析
• 第三章 长期不同施肥处理对土壤肥力与化学性质的影响
•   3.1 长期不同施肥处理对耕层土壤养分含量影响
•     3.1.1 全氮和碱解氮变化
•     3.1.2 全磷与有效磷变化
•     3.1.3 全钾和速效钾变化
•   3.2 长期不同施肥处理对土壤化学性质影响
•     3.2.1 土壤pH
•     3.2.2 土壤有机碳
•     3.2.3 土壤碳氮比
•     3.2.4 土壤酶活性
•     3.2.5 土壤阳离子交换能力
•   3.3 土壤养分与化学性质的相关性分析
•   3.4 本章讨论
•   3.5 本章结论
• 第四章 长期不同施肥处理对根际土壤细菌群落特征的影响
•   4.1 测序数据概况
•     4.1.1 下机数据及其质量控制
•     4.1.2 有效数据的OTUs注释
•     4.1.3 长期定位不同施肥处理的OTUs比较
•   4.2 土壤细菌的丰富度与多样性分析
•     4.2.1 测序样品获取的物种信息
•     4.2.2 样品OTUs稀释曲线
•     4.2.3 土壤细菌α多样性
•   4.3 长期不同施肥对土壤细菌群落结构的影响
•     4.3.1 细菌群落结构聚类分析
•     4.3.2 细菌群落结构PCoA分析
•   4.4 长期不同施肥对土壤细菌群落构成的影响
•     4.4.1 门水平的土壤细菌群落构成
•     4.4.2 门水平的细菌丰度分析
•     4.4.3 LEfSe分析
•   4.5 细菌群落结构及其对环境因子的响应特征
•     4.5.1 CCA分析
•     4.5.2 Mantel test分析
•   4.6 本章讨论
•   4.7 本章结论
• 第五章 长期不同施肥处理对晚稻产量构成与养分吸收积累及品质特性的影响
•   5.1 长期不同施肥对晚稻产量及其构成的影响
•     5.1.1 产量及其构成因子
•     5.1.2 产量及其构成因子与土壤养分相关性分析
•     5.1.3 产量及其构成因子与土壤酶活的相关性分析
•     5.1.4 产量及其构成因子与土壤阳离子交换能力相关性分析
•     5.1.5 产量及其构成因子与门水平细菌丰度的相关性分析
•   5.2 长期不同施肥处理的水稻地上部养分吸收积累与分布特征
•     5.2.1 水稻地上部生物产量及其分配特征
•     5.2.2 水稻地上部各器官养分含量
•     5.2.3 地上部氮素吸收积累与分布特征
•     5.2.4 地上部磷素吸收积累与分布特征
•     5.2.5 地上部钾素吸收积累与分布特征
•   5.3 长期不同施肥处理对稻米品质的影响
•     5.3.1 精米率与整精米率
•     5.3.2 垩白粒率与垩白度
•     5.3.3 胶稠度与直链淀粉含量
•     5.3.4 蛋白质含量
•   5.4 本章讨论
•   5.5 本章结论
• 第六章 结论与展望
•   6.1 全文结论
•   6.2 创新点
•   6.3 本研究的不足之处
•   6.4 研究展望
• 参考文献
• 附录 全文缩写及其中、英文对照
• 致谢
• 作者简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 崔新卫

导师: 张杨珠

关键词: 长期施肥,红壤稻田,养分,酶活,细菌群落特征,产量,品质

来源: 湖南农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农业基础科学,农艺学,农艺学,农作物

单位: 湖南农业大学

基金: 国家科技支撑计划项目课题“中南稻区复合生物循环技术集成与示范”(2012BAD14B17),国家科技基础性工作专项课题“湖南省土系调查与土系志编制”(2014FY110200),湖南省重点研发计划项目“基于微生物和有机废弃物的功能性肥料与基质的研究与应用”(2017NK2374)

分类号: S158;S511;S154.3

DOI: 10.27136/d.cnki.ghunu.2019.000437

总页数: 111

文件大小: 5674k

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