稻田秸秆分解的碳氮互作机理

摘要

水稻秸秆是丰富的有机养分资源，但还田率不足35％。限制水稻秸秆养分利用的重要原因是其碳氮转化缓慢，微生物与作物争氮，造成减产。当前对复杂水田环境下稻秸分解过程还不清楚，尤其是对碳氮互作调控的分子生态机理缺乏深入认识。本文采用田间试验和培养实验，结合磷脂脂肪酸分析、DNA稳定同位素探针、高通量测序等，研究同一还田量不同施氮量下(0、90、180和270kg hm-2)以及同一施氮量不同秸秆还田量下(0、3000、6000、9000kghm-2)水稻秸秆养分释放规律及其微生物群落组成和功能多样性，阐明稻田秸秆分解的碳氮互作机理，取得以下创新性进展: (1)同一还田量不同施氮量条件下稻秸腐解特征。秸秆腐解速率随施氮量增加而增加，施氮180kghm-2下秸秆腐解速率最大，且水稻产量最高;当施氮量增至270kg hm-2时，水稻产量和秸秆腐解速率不再增加。易分解碳水化合物和氨基酸在腐解前期优先被微生物利用，同时乙酰氨基葡萄糖苷酶和氨基肽酶活性较高，施氮量180kghm-2和270kghm-2处理均可提高两者活性。革兰氏阳性菌虽占优势数量，但真菌、放线菌主导了后期对秸秆难分解物质的利用过程。秸秆真菌糖苷水解酶cbhI和细菌糖苷水解酶GH48基因丰度在腐解中期较多，同时β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和β-木糖苷酶活性表现出较高的活性。cbhI和GH48基因丰度随施氮量增加而增加。 (2)同一施氮量不同还田量下稻秸腐解特征。秸秆腐解速率随还田量增加而增加，还田6000kg hm-2下秸秆腐解速率最大，且水稻产量最高;当还田量增至9000kghm-2时，水稻产量和秸秆腐解速率均显著下降。较不还田处理，秸秆还田6000和9000kghm-2处理提高了微生物群落丰度、纤维素分解真菌和细菌丰度以及碳氮转化相关酶活性。腐解0-14天，碳水化合物和有机胺类是微生物主要优先碳源;腐解中期，尤以还田6000kghm-2处理下cbhI、GH48基因丰度、β-葡糖苷酶和β-纤维素二糖苷酶活性较高;收获期，真菌和放线菌在秸秆腐解过程中发挥关键作用，酚类物质为其主要利用碳源。 (3)同化利用秸秆碳源的微生物多样性。稻秸在前两周快速腐解，对土壤固有碳引起强烈的激发效应，放线菌门链霉菌目（Streptomycetales）、链胞菌目(Caternulisporales)和棒状杆菌目（Corynebacteriales）为其碳源利用的优势菌群，同时，主导类群呈链霉菌目到北里胞菌目(Kitasatospora)到细链胞菌目(Catenulispora)的变化规律。腐解第56至90天，同化利用稻秸碳的主要微生物为微球菌目(Micrococcales)、鞘脂杆菌目（Sphingobacteriia）和γ-变形菌目（Gammaproteobacteria）;真菌，尤其是散囊菌目(Onygenales)、煤炱目(Capnodiales)、粪壳菌目（Sordariales）和格胞菌目(Pleosporales)在腐解后期秸秆碳源利用中发挥重要作用。 综上所述，江西双季稻体系秸秆还田下最佳氮肥施用量为180kghm-2，最佳秸秆还田量为6000kghm-2，微生物群落演替及cbhI和GH48基因在水稻秸秆腐解中起重要作用。