基于高通量测序技术对三种土壤修复技术的评价分析

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在耕地资源不足,正确种植理念的缺乏,导致我国的农业种植产业出现高投入、高产出的不可持续发展的模式,各种土壤退化问题一一显现,分别从物理化学生物等方面划分主要包括土壤结构退化,土壤养分退化,土壤生物退化,土壤环境退化。其中连作障碍是最为常见的土壤退化问题之一,因同种或者近缘的作物连续多年种植后出现产量下降,作物品质下降,病虫害频发等现象。湖北恩施作为主要产烟区因连续多年的种植烟草,近年来烟草青枯病频发,烟草产量有了严重的下降趋势,对烟草经济造成巨大的损失。为了更好的解决耕地的土壤日益严重的土壤退化问题,以恩施山区的产烟区为土壤实验样本,分别使用三种不同的土壤修复手段实现对土壤的生物修复,并探求其中的原理。三种土壤修复手段分别为:生物质炭,秸秆还田和远缘作物轮作。生物质炭按照施用的量33.33kg/hm~2-200kg/hm~2分为四个实验组和一个对照组;秸秆还田按照秸秆来源水稻,玉米,烟草和烟草秸秆生物有机肥分为四个实验组和一个对照组;远缘作物轮作按照轮作作物和休耕年限紫花苕子,油菜,小麦,不休耕,休耕一年,休耕两年分为十二个样本。实验内容主要包括对采集土壤样本的各项理化指标的检测,同时提取土壤的总DNA并进行高通量测序分析微生物群落的组成和多样性。另外检测烟草的生物学性状和青枯病发病率确定修复手段是否具有控制病害发生和提高产量等效应。对于三种修复手段进行评价分析在每种方法中选出效果最好的手段。本研究的主要结论如下:在生物质炭修复处理中,BC1不施用生物质炭为对照组,BC2施用谷壳生物质炭33.33 kg/hm~2,BC3为66.67 kg/hm~2,BC4为133.33 kg/hm~2,BC5为200 kg/hm~2青枯病的发病率和发病指数在施加生物质炭的实验组中显著降低,其中BC3(66.67kg/hm~2)拥有最低的发病率,显著低于其他各组。在第一年生物质炭施入土壤较对照组土壤p H值有所提高,土壤中速效磷和速效钾含量都随着施加年份的推移有所增加并且四个实验组中含量每年都高于对照组。BC3(66.67kg/hm~2),BC4(133.33kg/hm~2)细菌OTU数在每年的样本中均属于较高的值而且逐年递增,样本的多样性系数在第三年偏低,连续三年适量的生物质炭使用使得土壤中细菌微生物的数目提升。在属的分类单位上样本之间出现显著的差异,而且年份所带来的环境变化对于微生物群落的组成具有较大的影响。综合分析66.67kg/hm~2-133.33kg/hm~2的适宜生物质炭施用量,可以有效的抑制青枯病的发生,对土壤理化性状和微生物多样性都具有一定的改善作用。在秸秆还田修复处理中,青枯病在四个处理组中的发病率和发病指数显著性的低于对照组,秸秆进行土壤修复具有一定的抑制青枯病的作用,其中TOF的抑制效果最为明显,MS的抑制效果相对而言最差。TOF组中速效钾和速效磷含量显著的高于其他组,铜,锌,钙,镁,钠和硼元素均具有较高含量,而且TOF组的土壤p H值也显著高于其他组。除去过氧化氢酶的酶活,蔗糖酶,脲酶和磷酸酶三种酶活在各处理组都较对照组有所提升。细菌和真菌在使用秸秆后OTU的数量上升,但是对于shannon系数所显示的微生物多样性并没有显著提升。而且相对丰度高的属种累加的丰度之和也在逐年递增,相比生物质炭秸秆可以更好被微生物利用降解。综上分析烟草秸秆生物有机肥是最佳的还田材料,不仅可以有效的抑制青枯病,对土壤的各项性状也有一定的修复作用。在远缘作物轮作修复处理中,三个未进行轮作的对照组CT(正常植烟),F1(休耕一年)和F2(休耕两年)具有较高的发病率和发病指数,而PF2(紫花苕子组),RF2(油菜组)和WF2(小麦组)三个小组是在休耕两年后再投入到烟草种植中,呈现出极为明显的青枯病发病率下降的趋势。在土壤物理性状和化学性状方面轮作并未显现良好的修复效应。蔗糖酶在实验组尤其是各个休耕两年再种植的组中依然具有较高的活性,大部分实验组的过氧化氢酶活性要显著偏高,尤其体现在休耕两年的样本中(PF2,RF2,WF2)。进行休耕一年或者两年的样本在细菌和真菌的OTU数目上较对照组更具与优势,其中小麦轮作组的尤其是WF1和WF2具有更高的细菌OTU数目。在门的分类水平上样本之间的差异不显著,而在属的分类单位可见样本间的差异性,这种差异性不仅存在于不同轮作作物的层面上也存在于休耕年份的层面上。相对于选择合适的轮作作物,更重要的是选择休耕年限,使得耕地在“休息”中得以恢复。
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