稻秆在土壤中的降解特征及微生物群落变化研究
摘要：为了探讨自然环境下微生物群落对水稻秸秆降解过程的影响，本研究选择南京紫金山、八卦洲、江宁东郊农场3个试验点，开展野外自然条件稻秆降解试验。通过检测秸秆碳氮成分及木质纤维素含量的变化探索稻秆在不同土壤中降解特征。并对可培养微生物进行筛选纯化，分析土壤中微生物多样性特征及微生物群落的变化。结果表明：秸秆木质纤维素降解速率和其不同成分结构的复杂性及土壤中相关功能微生物活性有关。稻秆降解主要是微生物的作用，而与土壤理化性状的相关性不大，在稻秆降解过程中微生物群落不断改变，部分细菌优势菌群如短小芽孢秆菌和解淀粉芽孢秆菌、芽孢秆菌和真菌优势菌群如黄曲霉、黑曲霉及烟曲霉在整个过程都占一定的主导地位。
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Key words 1
引言 1
1 材料与方法 2
1.1 材料 2
1.1.1 试验点布置与采样 2
1.1.2 培养基 3
1.2 方法 3
1.2.1 不同试验点土壤理化测定 3
1.2.2 秸秆降解率变化 3
1.2.3 秸秆降解微生物筛选与鉴定 3
1.2.4 不同采样时期，微生物群落变化 4
2 结果与分析 4
2.1 土壤理化结果 4
2.2 不同试验点秸秆腐解的动态差异 4
2.3 稻秆降解主成分变化 5
2.3.1 稻秆降解纤维素含量变化 5
2.3.2 稻秆降解半纤维素含量变化 5
2.3.3 稻秆降解木质素含量变化 6
2.4 不同试验点降解秸秆富集可培养的细菌和真菌动态变化 6
2.4.1 腐解秸秆富集细菌的动态变化 6
2.4.2 腐解秸秆富集真菌的动态变化 8
3结论 9
致谢 10
参考文献 10
秸秆在土壤中的降解特征及微生物群落变化研究
引言
引言 我国每年可产秸秆7.8亿t以上，以水稻、玉米和小麦秸秆为主，共占76.1%，其中水
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
稻秸秆居首，其次是玉米秸秆和小麦秸秆[1]。被利用的不足2000万t，约97%的秸秆被焚烧堆积或遗弃[23]。秸秆“用则利，弃则害”，合理利用秸秆资源，涉及到整个农业生态系统中的土壤肥力、水土保持、环境安全以及可再生资源高效利用等可持续发展问题，是发展农业生产的必然要求[4]。
秸秆还田是保护性耕作技术的关键技术措施之一，有利于土壤腐殖质的更新土壤有机质平衡的维持和土壤的改良，并且能达到培肥地力的作用[56] ，是农业可持续发展的重要途径，对秸秆的不恰当处置不仅造成资源极大的浪费，更是对环境的破坏，从而也就影响了交通安全社会生产和人民的生活[78]。如果将我国每年产生的秸秆做成有机肥料或秸秆直接还田，相当于300多万t氮，700多万t钾，70多万t磷，相当于我国每年化肥用量的1/4[9]。大量试验证明仅仅依靠简单的直接还田，秸秆不能快速降解，某些病菌在秸秆上滋生，使病害率增加[10]，补加纤维素降解菌剂是解决秸秆直接还田不利影响的有效方法[11]，加快秸秆物料中纤维素的降解速度，是提高秸秆降解率，促进秸秆还田技术推广的关键，因此筛选出有效的纤维素降解菌是亟待解决的问题。
土壤微生物在土壤有机质降解、物质转化与能量传递、地球生物化学循环与生物修复等方面起着重要的作用[12]。微生物群落结构的生物多样性与整个生态系统的结构、功能息息相关，是维持土壤生产力的主要组分和评价土壤质量的重要指标之一[13]。由于环境中的微生物具有增殖速度快、功能丰富多样、适应性强等特点，应用微生物腐解处理秸秆具有其他物理化学方法不可替代的优点，通过微生物降解可以促进秸秆快腐，减少秸秆直接还田的危害[14]。研究表明，传统方法测得的微生物数量少，约为微生物总数的0.1~10%[15.16]，且这些方法只能在门、纲等等级高的层次上检测出微生物种类[17]，无法从整体上描述土壤中土壤微生物的群落结构。随着科学技术的不断发展，相继出现了分子生物学等技术[18]，在发展过程中出现的高通量测序技术[19]一次可以对几十万到几百万条 DNA 分子进行序列测定，因此也称其为下一代测序技术，高通量测序技术又被称为深度测序[20]，因此可以通过高通量测序法来鉴定土壤微生物的群落结构及种类。
本研究主要探讨水稻秸秆还田降解过程中的降解特征及微生物群落的变化，通过对3个不同试验点秸秆原位降解工程中的高通量土壤微生物测序，充分了解稻秆还田的降解特性以及相应功能降解菌的协同降解机理，为开发高效稻秆腐解菌剂提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试验点布置与采样
样品准备：水稻秸秆采自南京周边农村，去除土壤和灰尘，自然晾干， 切成 1 cm的小段装入100目的尼龙网带中（25 cm × 15 cm）。
试验布置：将已装入尼龙网袋的稻秆样品分别填埋于3个试验点，深度10 cm，每个样品之间间隔10 cm。填埋前混匀土壤，并采集土壤样品用于后期实验。
图1.水稻秸秆装袋示意图
Fig1.The sketch map of rice straw bag
试验点设紫金山、八卦洲、东郊小镇农场3处，设置0、2、4、6、8、12、16w7个采样时间段。采集尼龙网袋秸秆腐解样品及网袋接触面土壤样品，每个时间段采集3个重复。取回样品及时进行试验并部分保存于70℃冰箱以备后期试验。将采集的腐解稻秆样品混合均匀后，称取1 g加入到10 mL无菌水中并制成悬浊液，静置约5 min后，取上清液2 mL富集液按照 104、105、106梯度稀释涂布到到制备好的培养基中。
表1. 试验点布置
地点
地理位置
环境条件
土壤利用
江宁(JN)
紫金山(ZJ)
八卦洲(BG)
32°03′18.08″N，118°58′28.50″E
32°02′15.28″N，118°55′05.79″E
32°09′37.38″N，118°49′58.25″E
长期种植蔬菜，水热充足
自然林地，土壤微生物丰富，水热条件适宜受天气影响较大
水稻田，土壤颗粒较细，水热条件较好
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Key words 1
引言 1
1 材料与方法 2
1.1 材料 2
1.1.1 试验点布置与采样 2
1.1.2 培养基 3
1.2 方法 3
1.2.1 不同试验点土壤理化测定 3
1.2.2 秸秆降解率变化 3
1.2.3 秸秆降解微生物筛选与鉴定 3
1.2.4 不同采样时期，微生物群落变化 4
2 结果与分析 4
2.1 土壤理化结果 4
2.2 不同试验点秸秆腐解的动态差异 4
2.3 稻秆降解主成分变化 5
2.3.1 稻秆降解纤维素含量变化 5
2.3.2 稻秆降解半纤维素含量变化 5
2.3.3 稻秆降解木质素含量变化 6
2.4 不同试验点降解秸秆富集可培养的细菌和真菌动态变化 6
2.4.1 腐解秸秆富集细菌的动态变化 6
2.4.2 腐解秸秆富集真菌的动态变化 8
3结论 9
致谢 10
参考文献 10
秸秆在土壤中的降解特征及微生物群落变化研究
引言
引言 我国每年可产秸秆7.8亿t以上，以水稻、玉米和小麦秸秆为主，共占76.1%，其中水
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
稻秸秆居首，其次是玉米秸秆和小麦秸秆[1]。被利用的不足2000万t，约97%的秸秆被焚烧堆积或遗弃[23]。秸秆“用则利，弃则害”，合理利用秸秆资源，涉及到整个农业生态系统中的土壤肥力、水土保持、环境安全以及可再生资源高效利用等可持续发展问题，是发展农业生产的必然要求[4]。
秸秆还田是保护性耕作技术的关键技术措施之一，有利于土壤腐殖质的更新土壤有机质平衡的维持和土壤的改良，并且能达到培肥地力的作用[56] ，是农业可持续发展的重要途径，对秸秆的不恰当处置不仅造成资源极大的浪费，更是对环境的破坏，从而也就影响了交通安全社会生产和人民的生活[78]。如果将我国每年产生的秸秆做成有机肥料或秸秆直接还田，相当于300多万t氮，700多万t钾，70多万t磷，相当于我国每年化肥用量的1/4[9]。大量试验证明仅仅依靠简单的直接还田，秸秆不能快速降解，某些病菌在秸秆上滋生，使病害率增加[10]，补加纤维素降解菌剂是解决秸秆直接还田不利影响的有效方法[11]，加快秸秆物料中纤维素的降解速度，是提高秸秆降解率，促进秸秆还田技术推广的关键，因此筛选出有效的纤维素降解菌是亟待解决的问题。
土壤微生物在土壤有机质降解、物质转化与能量传递、地球生物化学循环与生物修复等方面起着重要的作用[12]。微生物群落结构的生物多样性与整个生态系统的结构、功能息息相关，是维持土壤生产力的主要组分和评价土壤质量的重要指标之一[13]。由于环境中的微生物具有增殖速度快、功能丰富多样、适应性强等特点，应用微生物腐解处理秸秆具有其他物理化学方法不可替代的优点，通过微生物降解可以促进秸秆快腐，减少秸秆直接还田的危害[14]。研究表明，传统方法测得的微生物数量少，约为微生物总数的0.1~10%[15.16]，且这些方法只能在门、纲等等级高的层次上检测出微生物种类[17]，无法从整体上描述土壤中土壤微生物的群落结构。随着科学技术的不断发展，相继出现了分子生物学等技术[18]，在发展过程中出现的高通量测序技术[19]一次可以对几十万到几百万条 DNA 分子进行序列测定，因此也称其为下一代测序技术，高通量测序技术又被称为深度测序[20]，因此可以通过高通量测序法来鉴定土壤微生物的群落结构及种类。
本研究主要探讨水稻秸秆还田降解过程中的降解特征及微生物群落的变化，通过对3个不同试验点秸秆原位降解工程中的高通量土壤微生物测序，充分了解稻秆还田的降解特性以及相应功能降解菌的协同降解机理，为开发高效稻秆腐解菌剂提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 试验点布置与采样
样品准备：水稻秸秆采自南京周边农村，去除土壤和灰尘，自然晾干， 切成 1 cm的小段装入100目的尼龙网带中（25 cm × 15 cm）。
试验布置：将已装入尼龙网袋的稻秆样品分别填埋于3个试验点，深度10 cm，每个样品之间间隔10 cm。填埋前混匀土壤，并采集土壤样品用于后期实验。
图1.水稻秸秆装袋示意图
Fig1.The sketch map of rice straw bag
试验点设紫金山、八卦洲、东郊小镇农场3处，设置0、2、4、6、8、12、16w7个采样时间段。采集尼龙网袋秸秆腐解样品及网袋接触面土壤样品，每个时间段采集3个重复。取回样品及时进行试验并部分保存于70℃冰箱以备后期试验。将采集的腐解稻秆样品混合均匀后，称取1 g加入到10 mL无菌水中并制成悬浊液，静置约5 min后，取上清液2 mL富集液按照 104、105、106梯度稀释涂布到到制备好的培养基中。
表1. 试验点布置
地点
地理位置
环境条件
土壤利用
江宁(JN)
紫金山(ZJ)
八卦洲(BG)
32°03′18.08″N，118°58′28.50″E
32°02′15.28″N，118°55′05.79″E
32°09′37.38″N，118°49′58.25″E
长期种植蔬菜，水热充足
自然林地，土壤微生物丰富，水热条件适宜受天气影响较大
水稻田，土壤颗粒较细，水热条件较好
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