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减氮配施生物炭对棉花根际土壤环境及根系发育的影响及作用机理研究

冯雷  
【摘要】:棉田氮过度使用和低下的氮素效率,是新疆灰漠土棉田提质增效的主要限制因素之一。棉杆炭化还田替代直接还田已成为可行方式,以生物炭为载体改善根系构型、提高作物氮素效率为解决上述问题提供了思路。然而,减氮配施生物炭条件下水分损失和温度变化的研究仍存在异议;减氮配施生物炭根际土壤微生物物种组成和多样性的研究结论存在分歧,其作用下促进根系发育进而提高棉花氮素同化效率的机理未阐明,所以不能准确评估氮配施生物炭在新疆灰漠土棉田的应用价值。因此,本研究以棉花为研究对象,采用盆栽试验及室内分析,结合红外光谱、显微镜观察、酶标仪、根系扫描仪及高通量测序等技术,利用非线性方程拟合、冗余分析、结构方程模型、酶联免疫法、广义线性模型等分析方法,从根际土壤环境、棉花根系形态、构型分析入手,从减氮配施生物炭对棉花根际土壤环境的调节、对根系形态及生理的调控、解剖结构对减氮配施生物炭的响应,氮素关键代谢酶及基因对减氮配施生物炭的响应4方面开展研究,以探究减氮配施生物炭对棉花根际土壤环境及根系发育的影响;揭示减氮配施生物炭调控棉花根系氮素同化效率的机理,为减氮配施生物炭在新疆棉田的有效合理利用提供理论参考,以期更好发挥氮配施生物炭,实现棉花提质增效的作用。主要结果如下:(1)与未添加氮及生物炭(T_0)处理及传统施肥(T_1)处理相比,0~10 cm土层,减氮50%配施2%生物炭(T_3)处理土壤增温显著(p0.05),分别增温2.1±0.3℃和2.0±0.2℃,其它处理增温不显著(p0.05);10~20 cm土层,与T_0处理相比,减氮20%配施1%生物炭(T_2)处理土壤增温显著(p0.05),增加2.6±0.5℃,其它处理增温不显著(p0.05);相较T_1处理,10~20 cm土层各处理温度变化不显著(p0.05)。与T_1处理相比,生物炭处理质量含水量和温度的变异系数分别降低6.05%和1.33%。0~10 cm和10~20 cm土层减氮配施生物炭各处理土壤水分蒸散势保持基本恒定,分别维持在19.1±0.9 mm和17.9±0.7 mm。T_1处理中随着土壤温度升高水分蒸散呈指数增加。(2)与T_0处理相比,减氮配施生物炭对根际土壤NO_3~-均产生了显著影响(p0.05),其中T_2处理增幅最大,NO_3~-增加23.8倍,NH_4~+增加2.1倍,且T_2处理显著大于T_1处理;T_2处理棉花极细根根际土壤脲酶活性增加1.68倍。高通量测序分析表明:减氮配施生物炭处理极细根和细根根际土壤中亚硝化单胞菌(Nitrosomonas_nitrosa)相对丰度均最高,极细根和细根根际土壤亚硝化单胞菌相对丰度介于35.5%~72%和28.2%~62.3%,其次极细根和细根根际土壤亚硝化螺菌(Nitrosospira)分别介于7.4%~27.5%和12.5%~36.5%,极细根和细根根际土壤变形菌(Betaproteobacteria)分别介于4.0%~16.9%和2.1%~10.4%。在T_1处理极细根和细根根际土壤中,变形菌相对丰度分别是20.6%和32%,亚硝化单胞菌相对丰度分别是22.5%和27.5%,亚硝化螺菌相对丰度分别是16.4%和26.5%。减氮配施生物炭处理棉花根际土壤不存在古菌(Archaea),而T_0处理根际土壤存在古菌,以泉古生菌(Crenarchaeota)(58.9%)和古细菌为主(Archaea)(40.5%)为主。与T_1处理相比,减氮配施生物炭促进0~10 cm根长密度增大,为亚硝化单胞菌提供了足够生态位。除趋势对应分析表明:矿质氮、脲酶和根长密度对微生物多样性的贡献率是76.3%。(3)减氮配施生物炭改变了棉花细根和极细根的分枝角度(向地性),前者倾向于水平伸展,而后者则更趋于多样化,并且后者分枝角度介于60°~80°,具有更长的根系。除趋势对应分析表明:根系构型的变化与根系向地性关系紧密,受到细根向地性的影响最显著。根系激素水平分析表明,与T_1处理相比,T_2处理极细根生长素(Indoleacetic acid,IAA)、细胞分裂素(Cytokinin,CK)、水杨酸(Salicylic acid,SA)以及细根SA和脱落酸(Abscisic acid,ABA)含量显著增加(p0.05),CK未显著增加(p0.05),IAA/ABA含量比值显著增大,其它处理未显著增大(p0.05)。与T_1处理相比,减氮配施生物炭处理根系衰老时间延迟2~14 d,死亡率降低3.7%~9.0%,这可能与生物炭中溶解性类蛋白质或醇、酚羟基保护作用相关,0~10cm土层生物炭有利于上述官能团的释放。非线性拟合方程表明:随根龄增加,T_1处理和减氮配施生物炭各处理的根系氮素利用能量消耗均值分别降低0.0934±0.034和0.0896±0.0002mol N·mol~(-1)O_2,说明减氮配施生物炭能够降低根系氮的消耗;结构方程模型表明:土壤腐殖质中胡敏素对降低根系死亡率贡献最高,其贡献为-0.392,减氮配施生物炭对根系周转的贡献是0.764,减缓了细根周转速率。(4)与T_0处理细根和极细根相比,减氮配施生物炭处理下细根和极细根皮层厚度均显著(p0.05)减小,T_1和T_5处理细根和极细根维根比减小,T_2和T_4处理细根和极细根维管束直径增大。与T_1处理相比,T_4处理细根维管束直径显著增大(p0.05),其它处理增大不显著(p0.05)是由于木质部细胞数量增加。与T_0处理相比,T_2和T_5处理细根皮层比例显著增加,说明减氮配施生物炭对根系径向转运能力产生了积极影响,因为较薄的皮层包含较少的皮层细胞层数和较大的皮层细胞。与T_0处理相比,无论是否添加生物炭极细根木质部中绝大部分为三原型,细根木质部中以四原型为主;与T_1处理相比,减氮配施生物炭处理使细根木质部发生了变异,出现三、六原型。转录组分析结果表明,与T_1处理相比,T_4处理的根系氨基酸转运功能基因(Glutamine Dumper 3,GDU3)、腺苷三磷酸双磷酸酶基因(Apyrase,APY)、细胞周期蛋白基因(Cyclin,CYC)显著上调(p0.05),而乙烯响应结合因子(Apetala 2,AP2)显著下调(p0.05),其他处理未显著上调(p0.05),根据基因的变化,研究推测减氮配施生物炭加速了有机氮转运,延长了细胞增殖周期,减缓了根系衰老。(5)与T_0处理相比,0~10 cm土层生物炭作用下,极细根硝酸还原酶(Nitrate Reductase,NR)、谷氨酸合成酶(Glutamine Oxoglutarate Aminotransferase,GOGAT)、谷丙转氨酶(Glutamic Pyruvic Transaminase,GPT)、谷氨酸脱氢酶(Glutamate Dehydrogenase,GDH)活性及谷氨酰胺(Glutamine,Glu)浓度增加或显著增加(p0.05)。棉花根系转录组分析表明,与T_0处理相比,T_1处理谷氨酸脱氢酶基因2(Glutamate Dehydrogenase 2 gene,gdh_2)下调1.69,铵离子转运蛋白基因(Ammonium Transporter 1;1,AMT1;1)表达量减小-1.15~-4.10;减氮配施生物炭处理组的AMT1;1表达上调2.60~3.91倍,gdh2表达量增加1.06~1.55倍,谷氨酸脱氢酶基因3(Glutamate Dehydrogenase 3 gene,gdh3)表达量增加1.78~5.00倍,上述转录因子的表达量均发生了显著变化(p0.05)。这些数据从分子水平揭示减氮配施生物炭提高了NH_4~+的吸收效率,根系中gdh2和gdh3协同表达可进一步提高NH_4~+同化效率。综上所述,减氮配施生物炭优化了根际土壤环境,增加土壤AOB种群中亚硝化单胞菌丰度,增大了根际土壤硝态氮和脲酶活性。减氮配施生物炭也显著促进激素(IAA、CK、ABA)合成,在耦合NO_3~-和NH_4~+信号协同作用下使GDU3、APY、CYC基因上调,AP2基因下调,促使根系木质部细胞数量增加,改变根系增殖过程,调节棉花根系发育。氮素效率提高是减氮配施生物炭促进根系发育,降低根系死亡率,减少根系吸收氮素能量消耗,增加极细根和细根NR活性、细根GDH活性,以及AMT1;1、gdh2和gdh3上调共同作用的结果。该结论为评估减氮配施生物炭在棉花农业生态体系中的作用提供了理论依据。


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