论文部分内容阅读
紫云英-稻草共同还田是近年发展起来的解决绿肥生产和秸秆还田问题的双赢技术。该技术前期紫云英与稻草共存、后期共同翻压还田，与单独还田相比，共同还田的物料构成发生改变。作为创新实践，紫云英与稻草共同还田的相关效应及作用机制缺乏研究。本文依托多年定位试验，结合盆栽和模拟试验，研究了紫云英-稻草共同还田下的产量与肥力效应、甲烷排放特征及机制，探索了紫云英-稻草共同还田下混合物料的腐解特征及其驱动因素。主要结果与创新发现如下：
（1）紫云英-稻草共同还田增加水稻产量、提升土壤肥力、改善土壤微生物群落结构。种植翻压紫云英、稻草还田以及二者共同还田均提高水稻产量，其中共同还田较单独还田进一步提升双季稻谷产量4.7%~5.1%。种植翻压紫云英提高了土壤全氮和无机氮含量，稻草还田增加了土壤有机碳和有效钾含量，共同还田下土壤养分含量全面提升。与紫云英、稻草单独还田相比，紫云英-稻草共同还田还提高了土壤胞外酶活性、增加了土壤微生物群落丰度、降低了土壤革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌丰度比。
（2）紫云英-稻草合理利用减缓土壤甲烷排放，改变甲烷相关微生物的群落结构和丰度比。等量有机物料投入下，紫云英-稻草共同还田较单独还田降低甲烷排放量。有机物料还田增加了稻田土壤产甲烷古菌群落丰度，降低了产甲烷古菌和甲烷氧化细菌群落α多样性，改变了产甲烷古菌和甲烷氧化细菌群落结构。紫云英-稻草共同还田较单独还田降低稻田土壤产甲烷古菌与甲烷氧化细菌群落丰度比（mcrA/pmoA），提高TypeⅠ与TypeⅡ型甲烷氧化细菌群落丰度比，促进减缓土壤甲烷排放。模拟大田实际还田量下，紫云英、稻草单独以及二者共同还田均提高水稻产量，且紫云英-稻草共同还田下水稻产量最高。与全量稻草单独还田相比，紫云英配合半量稻草还田降低土壤可溶性有机碳含量、提高土壤TypeⅠ与TypeⅡ型甲烷氧化细菌群落丰度比和甲烷氧化潜势，降低稻田土壤甲烷排放通量。
（3）紫云英-稻草共同还田改变有机物料降解特征、胞外酶活性和微生物群落结构，缩短完全腐解所需时间。腐解过程中，紫云英-稻草共同还田调节紫云英、稻草氮素释放，降低有机物料C/N比。紫云英-稻草共同还田比紫云英单独还田提高了ɑ-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和β-木糖苷酶活性，降低了酚氧化酶和过氧化物酶活性；与稻草单独还田相比，提高了β-纤维二糖苷酶和酚氧化酶活性。同时，紫云英-稻草共同还田较单独还田增加了真菌丰度和真菌与细菌丰度比，降低了革兰氏阳性细菌丰度和革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌丰度比。干物质腐解率与腐解时间之间的拟合回归方程结果显示，紫云英-稻草共同还田缩短了有机物料完全腐解所需时间。
（4）紫云英-稻草共同还田改变细菌、真菌群落结构，影响有机物料腐解速率。紫云英或/和稻草腐解期间，附着于秸秆残体上的细菌（16S rRNA）、真菌（ITS）群落随时间（或秸秆残体养分性状）变化而发生着演替，但真菌群落结构对秸秆残体性状变化的响应较细菌更为缓慢或迟钝。在细菌方面，与单独稻草相比，紫云英-稻草共同还田在腐解初期促进肠杆菌科（Enterobacteriaceae）细菌生长；与单独紫云英相比，紫云英-稻草共同还田在腐解中后期提高了氢孢菌属（Hydrogenispora）、拟杆菌属（Bacteroides）、瘤胃梭菌属（Ruminiclostridium）和酸杆菌科（Acidobacteriaceae）细菌丰度。在真菌方面，与单独紫云英、稻草相比，紫云英-稻草共同还田提高了子囊菌门（Ascomycota）群落相对丰度，具体以增加peziza sp.和Reticulascus tulasneorum菌群为主。偏最小二乘路径分析结果显示，真菌和细菌群落结构直接或通过改变胞外酶活性间接影响秸秆腐解速率。
综上，紫云英-稻草共同还田可以驱动有机物料碳氮协同矿化、促进秸秆腐解，是助力土壤健康、实现稻田减排增效和可持续发展的重要措施。
（1）紫云英-稻草共同还田增加水稻产量、提升土壤肥力、改善土壤微生物群落结构。种植翻压紫云英、稻草还田以及二者共同还田均提高水稻产量，其中共同还田较单独还田进一步提升双季稻谷产量4.7%~5.1%。种植翻压紫云英提高了土壤全氮和无机氮含量，稻草还田增加了土壤有机碳和有效钾含量，共同还田下土壤养分含量全面提升。与紫云英、稻草单独还田相比，紫云英-稻草共同还田还提高了土壤胞外酶活性、增加了土壤微生物群落丰度、降低了土壤革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌丰度比。
（2）紫云英-稻草合理利用减缓土壤甲烷排放，改变甲烷相关微生物的群落结构和丰度比。等量有机物料投入下，紫云英-稻草共同还田较单独还田降低甲烷排放量。有机物料还田增加了稻田土壤产甲烷古菌群落丰度，降低了产甲烷古菌和甲烷氧化细菌群落α多样性，改变了产甲烷古菌和甲烷氧化细菌群落结构。紫云英-稻草共同还田较单独还田降低稻田土壤产甲烷古菌与甲烷氧化细菌群落丰度比（mcrA/pmoA），提高TypeⅠ与TypeⅡ型甲烷氧化细菌群落丰度比，促进减缓土壤甲烷排放。模拟大田实际还田量下，紫云英、稻草单独以及二者共同还田均提高水稻产量，且紫云英-稻草共同还田下水稻产量最高。与全量稻草单独还田相比，紫云英配合半量稻草还田降低土壤可溶性有机碳含量、提高土壤TypeⅠ与TypeⅡ型甲烷氧化细菌群落丰度比和甲烷氧化潜势，降低稻田土壤甲烷排放通量。
（3）紫云英-稻草共同还田改变有机物料降解特征、胞外酶活性和微生物群落结构，缩短完全腐解所需时间。腐解过程中，紫云英-稻草共同还田调节紫云英、稻草氮素释放，降低有机物料C/N比。紫云英-稻草共同还田比紫云英单独还田提高了ɑ-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和β-木糖苷酶活性，降低了酚氧化酶和过氧化物酶活性；与稻草单独还田相比，提高了β-纤维二糖苷酶和酚氧化酶活性。同时，紫云英-稻草共同还田较单独还田增加了真菌丰度和真菌与细菌丰度比，降低了革兰氏阳性细菌丰度和革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌丰度比。干物质腐解率与腐解时间之间的拟合回归方程结果显示，紫云英-稻草共同还田缩短了有机物料完全腐解所需时间。
（4）紫云英-稻草共同还田改变细菌、真菌群落结构，影响有机物料腐解速率。紫云英或/和稻草腐解期间，附着于秸秆残体上的细菌（16S rRNA）、真菌（ITS）群落随时间（或秸秆残体养分性状）变化而发生着演替，但真菌群落结构对秸秆残体性状变化的响应较细菌更为缓慢或迟钝。在细菌方面，与单独稻草相比，紫云英-稻草共同还田在腐解初期促进肠杆菌科（Enterobacteriaceae）细菌生长；与单独紫云英相比，紫云英-稻草共同还田在腐解中后期提高了氢孢菌属（Hydrogenispora）、拟杆菌属（Bacteroides）、瘤胃梭菌属（Ruminiclostridium）和酸杆菌科（Acidobacteriaceae）细菌丰度。在真菌方面，与单独紫云英、稻草相比，紫云英-稻草共同还田提高了子囊菌门（Ascomycota）群落相对丰度，具体以增加peziza sp.和Reticulascus tulasneorum菌群为主。偏最小二乘路径分析结果显示，真菌和细菌群落结构直接或通过改变胞外酶活性间接影响秸秆腐解速率。
综上，紫云英-稻草共同还田可以驱动有机物料碳氮协同矿化、促进秸秆腐解，是助力土壤健康、实现稻田减排增效和可持续发展的重要措施。