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《兰州大学》 2016年
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丛枝菌根真菌接种对旱地小麦生产力和土壤质量的影响及机理

祝英  
【摘要】:在黄土高原雨养农业区,低水多变的土壤环境是春小麦生长的最大制约因子,地膜覆盖和施加化肥为主的旱作农业技术从一定程度上提高了作物产量和水分利用效率,但导致土壤质量下降,水生产力还有较大的提升空间,研发环境友好型的水土管理和生态修复技术成为目前人们关注的热点。丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是一类植物专性营养共生微生物,前期研究表明AMF能提高植物根系水分和养分吸收和利用,有利于植株生长和土壤养分循环,具有显著的生产和生态效应。然而,AMF能否对旱地春小麦起到类似的促进作用?能否融合到地膜覆盖技术中发挥更佳效果?对土壤质量和作物产量是否有积极促进作用?其生理生态机理如何?对上述问题的回答需要系统的实验验证。本研究以从澳大利亚西部小麦带土壤中分离到的三种AMF菌种为接种源,包括光壁无梗囊霉(Acaulospora laevis,ID:Sunsex)、根内球囊霉(Glomus intraradices)和单孢球囊霉(Glomus monosporum,ID:WUM11),在甘肃省榆中县实验站从2011–2015年开展了盆栽和大田实验,进行系统性的观测和研究,以期回答以上问题。盆栽实验以六倍体栽培品种L8275、四倍体栽培品种DM31和二倍体栽培品种MO4为实验材料,通过设置不同水分梯度,揭示AMF接种条件下不同倍体小麦水分利用、产量差异、进化特征及根冠通讯机理。大田实验以六倍体栽培品种L8275为实验材料,开展如下三个相对独立但又紧密联系的实验:1)将三种AMF分别单一和混合接种条件下,研究春小麦水分利用、生长、生物量积累和产量形成、根际土养分和可培养微生物类群的变化;2)裸地和地膜覆盖条件下,探讨春小麦水分利用、生长、生物量积累和产量形成的特征。3)地膜覆盖条件下,研究接种三个不同AMF菌种(单一和混合接种)对春小麦水分利用、生长、生物量积累和产量形成及土壤养分和微生物多样性的影响。主要得出如下结论:1.接种三种AMF均能显著提高六倍体春小麦(L8275)的生长和籽粒产量,接种光壁无梗囊霉(AL)和根内球囊霉(Gi)能显著提高四倍体春小麦(DM31)的生长和籽粒产量,并提高二倍体春小麦(MO4)的千粒重,有利于提高不同基因型小麦对干旱的适应策略,表明本研究所选AMF适用于旱地春小麦。不同AMF对不同基因型小麦的生理生态和生长特征的影响存在一定的差异,综合分析,光壁无梗囊霉(AL)对提高不同基因型小麦的干旱适应策略优于根内球囊霉(Gi);三种AMF对六倍体春小麦(L8275)的抗旱促生增产效果为GmALGi。2.不论干旱年份还是湿润年份,不论单接种还是混合接种AMF,均能改善不同时期小麦的生长、显著提高小麦菌根侵染率和籽粒产量。AMF通过改善产量形成因素(分蘖数、有效穗、穗粒数和穗粒重等),增加了繁殖分配,改善R-V指数,而显著提高收获指数和籽粒产量。表明从西澳引进的AMF对旱地田间春小麦(L8275)同样具有促生、增产效果。3.大田生产条件下,分别添加AMF对两个年份根际土养分和5类可培养微生物类群的影响结果显示,添加AMF处理显著影响了根际土微生物类群的数量,不同微生物类群与土壤养分存在显著的相关关系;接种AMF有利于土壤水分的吸收利用和恢复;AMF处理提高全氮和有效钾的含量,但整体上降低根际土有机质和有效磷的含量,不利于半干旱雨养农业区土壤的可持续性。主成分分析结果显示,2014湿润年份和2015干旱年份降雨量对根际土养分和微生物类群的影响效应高于AMF处理,表明水分是影响半干旱雨养农业区“根际养分–根际微生物–AMF–寄主植物之间相互作用”的主要限制因素,添加AMF对根际微生物、水分和养分发挥微调控效应。该研究有助于揭示根际养分–根际微生物–AMF–寄主植物之间相互作用的根际过程。4.地膜覆盖条件下添加外源AMF,在地膜覆盖的基础上,不论干旱年份还是湿润年份均进一步提高了净经济产出。2014年添加AMF与仅地膜覆盖处理相比,净收入显著提高了45%–125%,与裸地处理相比,净收入显著提高了90%–195%;2015年添加AMF与仅地膜覆盖处理相比,净收入显著提高了61%–96%,与裸地处理相比,净收入显著提高了453%–576%,表明干旱条件下,添加AMF更能保产增加收益。与此同时,添加AMF与仅地膜覆盖处理相比,2014年土壤有机碳含量提高了16.5%,2015年提高了1.9%,表明添加AMF还能提高土壤碳的周转和恢复的能力,有利于旱地农业生态系统的可持续性。5.地膜覆盖条件下添加外源AMF与地膜覆盖两种农艺措施均能提高旱地农田生产力,但两者的促生增产机制不同:与裸地接种AMF效果相同,两个年份接种地膜覆盖条件下添加外源AMF均使异速生长指数趋于0.9–1.0(0k1),有利于生物量的稳定分配,此时作物的繁殖输出随着个体大小的增加而增加;同时也促使R–V指数趋向1.0,更有利于稳定的繁殖输出。而地膜覆盖虽然也促使R–V指数趋向0.9–1.0,有利于稳定的繁殖输出;但是对小麦异速生长指数影响不大。地膜覆盖条件下添加外源AMF在地膜覆盖的基础上进一步提高小麦地上生物量,更有利于小麦籽粒形成和产量的提高。6.在裸地和地膜覆盖条件下,分别添加AMF对两个年份根际土养分影响的实验结果显示,两个年份裸地添加AMF,均降低根际土有机质含量;而两个年份地膜覆盖条件下添加AMF,均能提高根际土有机质含量。而且地膜覆盖条件下添加外源AMF均提高了根际土放线菌、座囊菌的群落组成和AMF的多样性,有利于根际土养分的周转和水分的吸收,同时还有利于改善土壤质量。而且通过丛枝菌根真菌多样性分析,进一步确认了添加的AMF已经在根际定殖并发挥作用。表明地膜覆盖条件下添加外源AMF这一农艺措施更有利于土壤的可持续发展。综上所述,本研究通过盆栽控水实验和大田实验,验证了从西澳大利亚小麦带土壤中分离到的三种AMF菌种对黄土高原雨养农业区的旱地春小麦均有促生增产效应。盆栽控水实验从AMF接种对小麦气体交换参数、膜损伤、渗透调节物质、氧化酶活性和激素(ABA)等方面的影响,揭示了干旱胁迫下AMF对不同倍体春小麦的促生增产机理。而大田实验回答了AMF接种在农业生产应用的促生增产机理和可行性,特别是AMF接种融合地膜覆盖技术,在地膜覆盖的基础上不但能进一步提高小麦产量和经济收益,而且增加了土壤有机碳含量、改善土壤微生物多样性和功能、提高土壤质量,有利于半干旱雨养农业区的可持续发展。
【学位授予单位】:

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