小麦/苜蓿间作的土壤微生物多样性和种间促进作用研究

【摘要】：豆科／禾本科间作是中国传统农业中的生产技术和土地利用方式,具有悠久的历史。这种间作系统可以充分利用土地资源和环境资源,提高了资源利用效率,而且具有明显的生态和经济效益。由于植物间作系统的种间促进作用可以改善植物根系和土壤养分环境状况,在控制水土流失和荒漠化防治等方面具有显著的作用。但是,有关禾本科植物尤其是麦类作物和豆科植物苜蓿间作的种间促进作用鲜见报道。为此,采用传统的土壤学和土壤微生物学方法,结合现代分子生物学的方法,通过研究小麦／苜蓿间作系统的植株生长、生物学产量、土壤理化性质和土壤酶的变化情况,进一步利用土壤微生物基因组的高通量分析技术研究小麦／苜蓿间作根际土壤微生物多样性的变化,主要目的是揭示根际微生物多样性与土壤微生物数量、土壤酶活性的相互关系,阐明小麦／苜蓿间作的根际土壤养分资源高效利用的种间促进作用,为农林生产的生物多样性提供理论依据和小麦／苜蓿间作体系的应用提供技术支持。主要研究结论如下：1.小麦／苜蓿间作对生物量、根系及叶片营养元素的影响：与单作相比,间作降低了苜蓿生物量和株高,增加了小麦的生物量和株高；间作小麦的行间麦的生物量高于单作,株高却略低于单作。间作苜蓿的茎叶比低于单作苜蓿12.6%,而主茎分枝条数增加了17.6%。间作苜蓿的根系长度显著增加,而根系干重和根系密度略有降低,而间作小麦根长降低,根系干重和根长密度分别增加了48.6%和45.1%。间作苜蓿叶片中全氮和全钾含量比单作苜蓿有所降低,而间作苜蓿叶片中锰、铁和锌含量比单作苜蓿分别增加。间作小麦叶片中全氮和全钾含量分别比单作含量高9.9%和33.9%,内行麦全氮和全钾的含量最低；间作小麦叶片中锰、铁和锌含量比分别比单作含量高39.8%、26.6%和41.4%,内行麦叶片中锰和锌含量与单作小麦没有明显差别,铁含量比单作小麦高6.7%。同时,间作小麦叶片中粗蛋白和蛋白质含量显著提高,说明间作后小麦品质得到明显改善,提高了小麦和苜蓿作为混合饲料的价值。小麦／苜蓿间作的LER值大于1(1.099),说明两作物互补作用较大,具有生物产量优势。2.小麦／苜蓿间作对土壤酶和土壤速效养分及微量元素的影响：间作小麦和苜蓿根际土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性显著高于单作,其中,间作小麦蔗糖酶和过氧化氢酶活性分别比单作高25.01%和20.59%；间作苜蓿根际土壤的蔗糖酶和过氧化氢酶活性较单作高24.04%和22.30%。土壤磷酸酶活性在间作和单作处理间无显著差异。小麦／苜蓿间作土壤有机质含量显著高于单作。与单作相比,间作小麦有机质含量增加了58.82%,而间作苜蓿有机质含量增加了49.49%。间作增加小麦根际土壤速效氮和速效磷含量,速效钾含量降低。与小麦相比,间作苜蓿根际有效养分的影响不同,即间作苜蓿的根际土壤速效氮和速效磷含量显著低于单作。与单作相比,间作苜蓿和小麦根际土壤有效铁含量显著增加,而锰和锌含量无显著变化。3.小麦／苜蓿间作根际土壤微生物多样性及其基因组学的影响：利用BiologTM技术分析间作土壤的微生物多样性及其对碳源的利用情况。结果表明：间作苜蓿的根际土壤微生物的代谢活性显著增强,而间作小麦变化并不明显。间作显著提高了土壤微生物群落均匀度。主成分分析表明,间作显著提高了小麦根际微生物对糖类和双亲化合物的利用比例,而降低了苜蓿根际微生物对糖类和双亲化合物的利用比例,提高了对聚合物和氨基酸利用比例。进一步分析小麦和苜蓿对碳源的利用能力发现,单作苜蓿、单作小麦和间作行间小麦的土壤微生物群落不稳定,而间作小麦和苜蓿的根际土壤微生物群落稳定性明显提高。利用分子生物学中的宏基因组学技术解析了小麦/苜蓿间作根际土壤微生物多样性的结构多样性变化本质,发现：间作土壤微生物的丰富度指数显著高于单作,明显提高了根际微生物群落多样性。间作对根际土壤微生物结构影响最大的顺序为：变形菌门(Proteobacteria)酸杆菌门(Acidobacteria)拟杆菌门(Bacteroidetes)放线菌门(Actinobacteria)浮霉菌门(Planctomycetes)绿弯菌门(Chloroflexi)硝化螺旋菌门(Nitrospirae)未知的种类(Unclassified bacteria)厚壁菌门(Firmicutes)芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)。其中,变形菌门(Proteobacteria)在单作苜蓿中所占比例最高,间作苜蓿最低；间作显著降低了小麦根际土壤的酸杆菌门(Acidobacteria)所占比例,却提高了间作苜蓿中酸杆菌门(A cidobacteria)在总菌群所占比例。结合Venn分析和Heatmap图,间作增加了根际土壤中劣势菌群的种类和数量,尤其是Spirochaetales、 Opitutales、Chloroflexi-unclassified和Clostridiales等的数量明显增加。此结果为小麦/苜蓿间作改善根际土壤微生物多样性和提高根际土壤养分,提高间作系统生物产量提供了有力证据,为进一步深入研究特异微生物的作用提出了研究导向。4、小麦/苜蓿间作的种间促进作用对土壤有机磷利用的影响：采用溶液培养法,研究小麦/苜蓿间作对有机磷的利用,发现：苜蓿对有机磷的利用能力强于小麦。间作体系中两种植物磷吸收的总量高于单作之和。这一结果进一步证明：间作苜蓿促进了小麦根系对有机磷的活化利用,增加了小麦的根系长度,提高了小麦对磷的吸收面积,从而显著提高了间作小麦的生物量；而间作苜蓿根际土壤酸性磷酸酶活性高于小麦,活化了苜蓿根际土壤有机磷,为小麦/苜蓿间作提供了养分环境,在小麦/苜蓿间作生态系统的稳定性方面发挥了重要作用。综上研究结果,小麦/苜蓿间作的种间作用和竞争作用同时存在,且种间促进作用明显大于种间竞争作用,从而促进了两种植物的生长。其原因：种间促进作用增强了土壤微生物多样性,增加了劣势微生物种群的数量,活化了土壤营养元素,增强了间作土壤酶活性,尤其是提高了土壤磷酸酶活性,提高了土壤有机磷的利用能力,小麦/苜蓿间作生态系统具有明显优势,在稳定植物产量和提高土壤水土保持能力等方面将发挥作用,并为农林生产中生物多样性的高产和养分的高效吸收利用可持续发展提供理论依据。