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秸秆还田方式对丛枝菌根真菌群落和玉米磷素利用的影响

胡凯婕  
【摘要】:红壤作为我国南方地区的典型土壤存在酸化严重、养分贫瘠、土壤生物功能退化等问题。秸秆还田是改善贫瘠红壤地力的有效方式之一。在农田生态系统中,丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)在土壤与植物之间的养分循环中起重要作用。本研究针对第四纪红黏土发育红壤,依托江西省鹰潭市中国科学院红壤生态实验站设置的等碳量不同秸秆还田方式长期定位试验,设置5个不同处理:不施肥对照(CK);常规NPK(N);NPK+秸秆还田(NS);NPK+秸秆/猪粪配施(9:1)(NSM);NPK+秸秆生物炭(NB),通过高通量测序技术等手段研究不同秸秆还田方式对根际丛枝菌根真菌群落结构和玉米磷素利用的影响。其结果如下:1.不同秸秆还田方式下土壤理化性质存在显著差异。NB处理下有机碳(SOC)含量显著高于NS处理;NSM处理的全磷(TP)、速效磷(AP)和磷活化系数(PAC)均显著高于NS和NB处理;NSM和NB处理的全氮(TN)显著高于N处理。2.不同秸秆还田方式下根际AMF多样性和群落结构:秸秆还田显著增加了AMF的α多样性,其中Chao1和Richness指数在NSM处理中最高,其趋势为NSMNS≈NBNCK。三种秸秆还田方式处理中Richness指数没有显著差异。主坐标分析(PCo A)结果说明,不同秸秆还田方式对于AMF群落具有显著影响,其群落结构主要受TP、TK、TN和AP影响。构建系统发育树分析发现,根际AMF群落中主要优势属分别为类球囊霉属(Paraglomus,48.51%)、球囊霉属(Glomus,26.73%)、两性囊霉属(Ambispora,7.92%)、无梗囊霉属(Acaulospora,6.93%)、盾巨孢囊霉属(Scutellospora,4.95%)、多孢囊霉属(Diversispora,3.96%)、原囊霉属(Archaeospora,0.99%),NS和NB处理Glomus丰度显著高于NSM处理,Paraglomus丰度趋势相反。Pearson相关性和随机森林模型分析表明,Chao1、Richness与SOC、TN、TP、AP、CEC和PAC呈现显著正相关,AP、TN、PAC、TP和p H是AMF群落结构的主要影响因子。3.不同秸秆还田方式下AMF共发生网络分析表明:不同秸秆还田处理下AMF互作网络存在明显差异,其中NSM处理AMF网络最复杂且以负相关为主。CK和NSM处理中,Paraglomus的节点所占比例高于Glomus,而N、NS和NB处理中趋势相反。与CK相比,N、NS、NSM和NB处理均提高了网络稳定性(Natural connectivity),其中NSM处理增加幅度最大。NB处理AMF网络中Glomus为关键属,而CK、N、NS和NSM处理下AMF网络中Paraglomus为关键属。不同秸秆还田方式AMF网络模块与土壤理化性质的相关性分析表明CK中模块1可能有利于土壤磷素积累。N处理中三个模块可能与土壤磷素积累和磷素有效性利用相关,利于作物玉米的磷素吸收。NS网络中存在四个模块与土壤理化性质(TN、AP)存在显著相关性。NSM网络中所有模块与土壤理化性质密切相关。NB中有三个模块与土壤理化性质(AP/TP)相关。4.不同秸秆还田方式下AMF群落装配机制分析表明:不同秸秆还田方式中AMF群落的生态位宽度存在显著差异,趋势表现为NSMNBNSNCK。其中,优势属Glomus和Paraglomus生态位宽度与整个AMF群落具有相似趋势。β-null deviation(NDV)分析结果发现秸秆还田施用促进AMF群落装配随机性过程比例增加,但仍然以确定性过程占主导。而三种秸秆还田方式间AMF的NDV呈现NSMNSNB趋势,其中Glomus与整个AMF群落具有相似的趋势,而Paraglomus不同。AMF群落结构和多样性是决定群落装配过程的主要生物因子,TP、p H、AP和PAC是显著的非生物因子。5.不同秸秆还田方式对土壤磷转化与植物生产力影响的分析表明:不同秸秆还田方式的酸性磷酸酶(Acid phosphatase,ACP)活性(NSMNB≈NSN≈CK)和碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性(NSM≈NBNS≈N≈CK)具有不同趋势,且ACP活性均高于ALP活性。ACP和ALP活性受到土壤理化性质(SOC、TN、AP和PAC)和生物因素(Chao1、Richness、Shannon、负相关比例)综合影响。不同秸秆还田方式下籽粒干重、秸秆干重、地上部生物量具有相似趋势:NSMNS≈NBNCK。随机森林模型发现玉米产量和生物量主要受到土壤理化性质AP、PAC、p H、TP、CEC、SOC和TN,生物因素多样性、负相关比例和ALP活性的影响。磷肥表观利用率和经济利用率的高低依次为NSMNSNBN,NSM处理磷肥表现利用率和经济利用率均显著高于N、NS和NB处理。磷肥表观利用率和经济利用率主要受到理化性质(AP、PAC、TP)、PNC、ACP、ALP活性以及植物籽粒干重及地上部生物量的显著影响。磷素利用率SEM中可以发现土壤理化性质(AP、TP)可以间接通过影响AMF群落组成、AMF相互作用、磷酸酶活性和植物生产力来影响磷利用率。不同秸秆还田方式下根际AMF群落可能调控了土壤磷素活化和玉米磷素利用,对于加强土壤健康管护和粮食产能提升具有重要意义。


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