沼液、化肥与秸秆配施对水稻产量和土壤细菌的调控影响_王礼伟.pdf
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1、江西农业学报 2023,35(01):8893ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.01.014沼液、化肥与秸秆配施对水稻产量和土壤细菌的调控影响王礼伟1,2,赵 晨1,周 刚1,2,尤 杰1,唐金陵1,2,王宏宝1*(1.江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所,江苏 淮安 223001;2.农业农村部种养结合重点实验室,江苏 南京 210014)摘 要:基于高通量测序平台Illumina Novaseq,分析了化肥组(CF)、秸秆还田结合化肥(S-CF)、秸秆还田结合沼液(S-BS)、沼液组(BS)等量氮素肥料处理和不施肥(CK)对土壤
2、细菌群落结构及多样性的影响。结果表明:相较于CK,S-CF和S-BS处理的实际产量分别提高了16.40%、13.13%,试验组的主要优势菌门为变形菌门,其中-变形菌纲和-变形菌纲为优势亚群,藤黄单胞菌属为优势属;相较于CK,BS、CF和S-BS处理的变形菌门及所含藤黄单胞菌属相对丰度升高,S-CF和S-BS处理的绿弯菌门比其他处理更高;S-CF、S-BS处理的土壤细菌Chao1指数和Shannon指数较CK更高,而BS处理则显著降低(P0.05),说明沼液和化肥配施秸秆有利于提高细菌群落多样性,农田管理应该避免长期施用单一种类肥料。综上所述,沼液、化肥与秸秆配施均能达到保持水稻产量的效果,秸秆
3、还田有利于提高土壤细菌群落的相对丰度和多样性。关键词:沼液;秸秆;产量;群落结构;多样性 中图分类号:S154.4 文献标志码:A 文章编号:1001-8581(2023)01-0088-06 Effects of Biogas Slurry,Chemical Fertilizer and Straw on Rice Yield and Soil Bacteria WANGLi-wei1,2,ZHAOChen1,ZHOUGang1,2,YOUJie1,TANGJin-ling1,2,WANGHong-bao1*(1.HuaiyinInstituteofAgriculturalScienceso
4、fXuhuaiDistrictofJiangsuProvince,Huai an223001,China;2.KeyLaboratoryofCombiningFarmingandAnimalHusbandry,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,Nanjing210014,China)Abstract:IlluminaNovaseqhigh-throughputsequencingtechnologywasusedtoanalyzetheeffectsoffertilizergroup(CF),strawreturningcombinedwithchemi
5、calfertilizer(S-CF),strawreturningcombinedwithbiogasslurry(S-BS),biogasslurrygroup(BS)andnofertilizer(CK)onsoilbacterialcommunitystructureanddiversity.TheresultsshowedthattheactualyieldofS-CFandS-BSgroupwas16.40%and13.13%higherthanthatofCKgroup.ThedominantphylainthegroupswasProteobacteria,inwhich-Pr
6、oteobacteriaand-Proteobacteriawerethedominantsubgroups,andLuteimonaswasthedominantgenus.ComparedwithCKgroup,therelativeabundanceofProteobacteriaanditscontainedLuteimonasincreasedinthegroupsofBS,CFandS-BS.ChloroflexiintheS-CFandS-BSgroupswashigherthanthatintheothers.ThesoilbacterialChao1andShannonind
7、exesofS-CFandS-BSwerehigherthanthoseofCK,whileBSwassignificantlylower(P0.05).Thecombinationofbiogasslurryandchemicalfertilizerwithstrawcouldimprovethediversityofbacterialcommunity,andlongtermapplicationofsingletypefertilizershouldbeavoidedinfarmlandmanagement.Inconclusion,biogasslurryorchemicalferti
8、lizercombinedwithstrawcouldalsomaintaintheyieldofricecomparedwithchemicalfertilizergroup.Atthesametime,thetreatmentofstrawreturningtofieldwasbeneficialtoincreasetherelativeabundanceanddiversityofsoilbacterialcommunity.Key words:Biogasslurry;Straw;Yield;Communitystructure;Diversity我国以占世界7%的耕地面积却投入了超过
9、世界总量30%的化肥,而氮肥平均利用率仅为34.3%,与欧美国家的化肥利用水平相比差距较大1-2。沼液是畜禽粪便等经过厌氧发酵形成的产物,富含大量的氮、磷、钾、腐植酸等营养成分及微生物,是一种非常高效的有机肥料。近年来,在秸秆还田、沼液利用的研究主要集中于化学肥料的减量、沼液的代替施用和作物产量方面,而涉及土收稿日期:2022-10-15基金项目:淮安市农业科学研究院科研发展基金(HNY202108);农业农村部种养结合重点实验室开发课题(202004)。作者简介:王礼伟(1989),男,江苏淮安人,助理研究员,硕士,研究方向为循环农业和生猪健康养殖。*通信作者:王宏宝。1 期王礼伟等:沼液、
10、化肥与秸秆配施对水稻产量和土壤细菌的调控影响89壤微生物作用机理的研究鲜见。因此,在“减肥减药”背景下,开展秸秆还田、沼液代替化肥相关技术领域的研究,对探索土壤微生物参与氮磷循环、养分吸收和土壤矿化等过程,维持土壤生态系统健康稳定和提升土壤结构肥力等方面具有重要意义3。本研究通过等量氮素条件不同沼液、化肥与麦秸秆组合处理的试验,分析了施肥方式对水稻农艺性状、土壤微生物的影响,以期为农田生态系统的健康管理提供参考依据。1 材料与方法1.1 试验材料以水稻“淮香粳15”为试验材料,麦秸秆均来自江苏徐淮地区淮阴农科所科研基地,沼液取自江苏徐淮地区淮阴农科所循环农业实验室(表1)。秸秆不作任何操作。表
11、1 耕层土壤及沼液的基本理化性质样品pH值有机质/(g/kg)全氮/(g/kg)氨氮/(g/kg)全磷/(g/kg)有效钾/(g/kg)田间持水量/%土壤质地耕层土壤7.830.4119.334.404.020.931.280.391.530.410.650.2423.474.74黄潮土沼液8.000.2436.513.140.840.490.600.141.420.281.680.34/1.2 试验设计于2021年6月20日进行定植处理,计算得出麦秸秆还田的单位面积重量约为7500kg/hm2,而试验得出全氮含量为6g/kg,折算后全氮45kg/hm2。当地水稻种植常规施化肥为15%15%1
12、5%的NPK酸性复合肥,施氮量为276.45kg/hm2,秸秆还田全氮占总施氮量的16.28%。试验共设置空白对照组和4个处理组,保持各处理组的施氮量总量一致:(1)对照组(秸秆不还田,不施沼液,不施化肥,CK);(2)化肥组(100%化肥N,CF);(3)秸秆还 田+化 肥 组(16.28%秸 秆N和83.72%化 肥N,S-CF);(4)秸 秆 还 田+沼 液 组(16.28%秸 秆N和83.72%沼液N,S-BS);(5)沼液组(100%沼液N,BS)。肥料运筹比例设置为基肥 分蘖肥=1 1,每个试验组重复6次。每个试验小区使用高40cm、长70cm、宽50cm的泡沫箱。其他管理方式根据
13、水稻实际的生长需求进行管理。1.3 测定项目及方法1.3.1 水稻产量 在水稻成熟期,随机选取每个试验组平行小区连续5穴调查有效穗数。同样,每个试验组选择长势相近的植株统计有效穗、每穗粒数、千粒重。1.3.2 土壤总DNA提取 在水稻收割后立即进行土壤采样。取样方法采用五点取样法,各处理每个重复选取5个样点,去除样品中的杂物、混匀,过2mm筛。使用美国MoBio强力土壤DNA提取试剂盒提取总DNA,检测合格后放置于-80的冰箱中保存以备后续使用。1.3.3 特异性区域扩增测序 挑选细菌的16SrDNAV3V4区域进行多样性检测。DNA样本送至南京集思慧远生物科技有限公司,细菌16SrDNAV3
14、V4区域扩增引物是338F(5-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3)、806R(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)。PCR体系为总体系25L:加入DNA量10ng、10L2EasyTaqPCRSuperMix(TransgenBio,Inc)、正向和反向引物各1L,剩余补充ddH2O。反应参数为94预变性5min;94变性30s、55退火30s、72延伸1min,循环35次;72延伸8min。应用IlluminaNovaseqPE250进行高通量测序4-5。1.4 数据处理与分析采用SPSS19.0软件进行单因素方差(One-wayANOVA)和最小显著差数法(LSD)
15、分析产量及多样性指数相关数据。物生物数据使用软件QIIME1.8.0进行优化处理,剔除碱基质量分值20、长度150bp的序列。使用Barcodes分析归类序列信息的聚类,设置OTU(Operationaltaxonomicunits)相似性为97%,形成不同物种基本操作分类单元。参照细菌的Silva数据库,分析每个OTU的物种分类信息。使用QIIME进行多样性分析。利用R语言包可视化统计样本在不同分类水平下的群落结构4-5。2 结果与分析2.1 不同施肥组水稻产量由表2可知,与CK相比,各个试验组的理论及实际产量均有所增加,以CF处理增加最多,理论产量和实际产量分别增加了19.3%、17.4%
16、。CF、S-CF、S-BS处理间均无显著性差异,但与CK都存在显著性差异(P0.05)。2.2 土壤细菌OTUs分布Venn图能够反映样品之间共有和特有OTU数目,表现出样品之间OTU组成的相似程度。各处江 西 农 业 学 报35 卷90理土壤样品一共有8315个细菌OTU,共有OTU数量为4150个,占总数49.91%,这说明施肥对细菌OTU数量影响明显。CF处理特有OTU数量最多,而BS处理特有OTU数量最少(图1)。表2 不同施肥处理水稻产量处理有效穗/(万/hm2)每穗粒/个结实率/%千粒重/g理论产量/(kg/hm2)实际产量/(kg/hm2)CK28.8b121.2b91.2b27
17、.3ab8675.6b8419.3bCF31.1a125.0a94.1a28.3a10345.9a9881.3aS-CF30.8a125.1a93.8a28.1a10159.2a9799.8aS-BS30.0ab127.2a92.1ab27.9a9805.6a9524.4aBS29.9ab125.4a91.6b27.8a9573.5ab9361.5ab注:同列数据不同小写字母表示在P0.05水平上差异显著。下同。图1 土壤细菌Venn图2.3 土壤细菌群落组成分析2.3.1 在门水平上的群落组成 由图2可知,每组均得到20个细菌种群(将相对丰度0.1%类群归类其他),其中5个细菌种群的占比较高
18、(78.99%81.57%):变形菌门(Proteobacteria)占38.19%46.46%,BS处理的相对丰度最高;拟杆菌门(Bacteroidetes)占9.69%14.16%,BS处理的相对丰度最高;绿弯菌门(Chloroflexi)占8.44%12.5%,但BS处理的相对丰度最低;其余2种细菌种群分别 为 酸 杆 菌 门(Acdiobacteria)和 放 线 菌 门(Acti-nobacteria)。相对丰度最大的变形菌门主要包括-变 形 菌 纲(Gammaproteobacteria,19.58%28.43%)、-变形菌纲(Alphaproteobacteria,12.05%1
19、5.38%)及-变形菌纲(Deltaproteobacteria,2.64%5.20%)。2.3.2 在属水平上的群落组成 在属分类的水平上(图3),6个相对丰度较高的属分别为藤黄单胞菌属(Luteimonas,0.89%5.91%)、拟杆菌属(Bac-teroides,1.52%4.86%)、赤杆菌属(Altererythrobact-er,0.69%2.52%)、厌氧蝇菌属(Anaerolinea,0.98%1.74%)、特吕珀菌属(Truepera,0.39%1.97%)、热单胞 菌 属(Thermomonas,0.39%1.84%)。丰 度 相 对较低且种类较多的稀有细菌类群是其中最主
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