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地膜减量背景下接种丛枝菌根真菌对旱地玉米生产力及土壤有机碳的影响及机理

任爱天  
【摘要】:如何在地膜减量条件下维持旱地玉米生产力,并有助于土壤培肥是目前旱地农业生态系统管理中的关键问题。土壤微生物在农业生态系统中提供了一系列重要的生态服务,尤其是土壤有益微生物-丛枝菌根(AM)真菌。目前在半干旱区地膜覆盖条件下接种外来AM真菌菌种是否能够很好的定殖生长并对作物和土壤产生积极效应仍不清楚。在地膜减量条件下,开展AM真菌的接种对作物产量,土壤有机碳和水分的影响以及AM真菌的多样性的研究很有必要。本文首先采用meta分析方法,综合评估了黄土高原雨养农业区地膜覆盖条件下玉米生产力及土壤水分和有机碳库的变化。其次通过膜草二元覆盖和一膜两年用耕作实践降低地膜覆盖量的同时接种AM真菌,研究不同农业管理措施对土壤水分、易变有机碳组分、玉米产量和本地自然发生的AM真菌群落的影响。主要结果如下:(一)地膜覆盖条件下玉米生产力及土壤水分平衡和有机碳库的meta分析1.在年平均降水量250-400 mm、400-500 mm、500-600 mm和600 mm区域中,地膜覆盖下产量和水分利用效率(WUE)分别提高了142和190%、38.6和35.5%、33.9和32.2%、22.4和30.8%。在年平均降水量240-400 mm时,地膜覆盖促进作用最显著。此外,与半膜覆盖相比,全膜覆盖显著的提高了玉米产量和WUE。施氮水平低于125、125-215和大于215 kg ha~(-1)时,产量和WUE分别增加了47.8%和45.9%、50.2%和46.8%、47.1%和58.2%。地膜覆盖影响着玉米生长季和休耕季土壤的水分动态,但它没有破坏土壤水分的年际平衡。2.全膜覆盖增加了对玉米地土壤轻组有机碳(LFOC)、颗粒碳(POC)和总有机碳(TOC)消耗。LFOC、POC和TOC的效应值分别为0.92(0.90-0.94),0.96(0.96-0.97)和0.98(0.98-0.99)。说明地膜覆盖对易变有机碳有显著的负作用,而对易氧化有机碳(EOC)和微生物生物量碳(MBC)没有显著的影响。(二)玉米产量、土壤水分、土壤有机碳组分和AM真菌群落对不同农业管理措施的响应3.在第二个生长季,膜草二元覆盖试验(地膜用量是全膜覆盖的2/3)和一膜两年用试验(免耕不更换地膜,地膜用量是全膜覆盖的1/2)的地膜覆盖处理较不覆膜处理均显著的增加了玉米播前0-60 cm土层的储水量(SWS)。其中接种AM真菌后促进效应更显著。收获时,其0-20 cm土层的SWS也显著的增加。其中在一膜两年用试验中接种AM真菌对土壤水分影响效果较为明显。在60-120cm的土层,平地AM真菌接种处理土壤SWS最高,较其他处理平均SWS增加了13.1-20.1%。4.第二个生长季,膜草二元覆盖试验和一膜两年用试验中地膜覆盖处理均显著增加了玉米的叶面积比。此外,膜草二元覆盖和一膜两年用试验的地膜覆盖处理较平地不覆膜种植均显著的增加了玉米穗长,穗直径,千粒重和降低了秃顶长度,进而增加了玉米的产量和水分利用效率。在第二个生长季,一膜两年用试验中地膜覆盖接种AM真菌增加了玉米穗长,同时显著的增加了玉米产量,水分利用效率和生物量。5.膜草二元覆盖试验中,各处理间的TOC含量没有显著的差异,但是不稳定有机碳的变化与生长年限和处理方式有关。秸秆覆盖和AM真菌接种在第一个生长季LFOC含量较对照提高了5.57-15.1%,第二个生长季提高了8.46-15.6%。此外,在2016年,秸秆覆盖处理土壤POC的含量较对照和不覆盖秸秆处理增加了3.80-5.82%;秸秆覆盖结合AM真菌接种处理POC的含量较其他处理增加了10.5-12.4%。2017年秸秆覆盖处理土壤POC的含量较对照和不覆盖秸秆处理增加了9.19-20.4%;秸秆覆盖结合AM真菌接种处理POC的含量较其他处理增加了13.0-23.7%。土壤表层硝态氮(NO_3~--N)和氨氮(NH_4~+-N)含量不受秸秆覆盖和接种AM真菌的影响。但是AM真菌接种显著的降低了第二个生长季土壤总氮(TN)和速效磷(AP)含量。接种AM真菌显著的增加了根外菌丝长度(EMH,18.4-29.8%)和球囊霉素相关的土壤蛋白(GRSP)的含量。LFOC和POC均随GRSP和EMH的增加而显著增加。此外,EMH和菌根侵染率显著的增加了玉米对N和P的吸收。6.全膜覆盖下的田间试验土壤有机碳含量的变化与meta分析的结果一致。全膜覆盖较不覆盖处理显著降低了POC和LFOC的水平。但是在一膜两年用条件下,土壤不稳定有机碳含量有所增加,接种AM真菌后增加效果更显著。接种AM真菌后LFOC含量较不接种处理增加了12.9-35.5%;POC含量增加了6.44-22.3%。同时,接种AM真菌后,地上部N浓度较不接种处理提高了9.21%。与常规翻耕相比,免耕条件下AM真菌接种后EMH提高了16.9-19.8%。接种F.mosseae后,根际土壤中检测到的F.mosseae相对丰度明显增加。在2017年免耕措施中,平地AM真菌接种处理中F.mosseae的相对丰度高达55.0%,地膜覆盖条件下AM真菌接种处理中为20.8%,而对照中只有1.63%。接种后AM真菌的侵染率也显著增加,表明接种剂在与自然发生的AM真菌竞争中成功定殖玉米根系。菌根侵染率、GRSP和EMH在免耕条件下与EOC、LFOC、POC和地上N浓度显著相关。7.菌根抑制剂可能通过降低EMH、GRSP含量和土壤AM真菌多样性,进而降低不稳定的土壤有机碳含量。较对照处理,苯菌灵的应用显著降低了POC(21.1%)、MBC(8.92%)和LFOC(28.6%)的含量;菌根侵染率、EMH、已提取GRSP(EE-GRSP)和总GRSP(T-GRSP)分别降低了26.0%、49.0%、30.2%和18.3%。菌根的抑制也显著的降低了地上N浓度(38.6%),但显著增加了0-100cm土层中NO_3~--N和NH_4~+-N的积累。此外,Glomeraceae在所有处理中(免耕条件下AM真菌的接种试验和苯菌灵抑制试验)占主导地位。8.AM真菌richness和shannon指数不受地膜覆盖和AM真菌接种及其交互作用的影响。但施用苯菌灵显著的降低了AM真菌alpha多样性。地膜覆盖和苯菌灵的施加显著影响AM真菌群落组成,其变化与土壤有机碳组分(LFOC和POC)和土壤N含量密切相关。相关分析表明,接种AM真菌条件下,AM真菌多样性与土壤SOC组分之间没有显著的关系。但在苯菌灵处理下土壤AM真菌的多样性(alpha多样性)与土壤SOC组分呈显著正相关。这些结果表明,在半干旱地区,地膜覆盖增加作物产量的同时,保持了土壤水分的年际平衡,但是降低了土壤易变有机碳组分的含量。地膜减量接种AM真菌可以降低地膜用量的同时提高水分利用效率,维持了SOC的稳定,进而促进了旱地农业生态系统的可持续性。AM真菌的丰度、多样性与不稳定的SOC之间密切的相关性,进一步说明AM真菌在旱地农业生态系统中对作物生产力的提高和SOC的稳定所起的重要作用。同时,AM真菌的接种没有显著的改变本土自然发生的AM真菌群落组成和多样性。因此,AM真菌接种可以作为一种有效的耕作措施来减少旱地农业土壤地膜的残留量的同时增加土壤SOC组分含量,进而提高作物产量和维持农业生态系统的可持续性。


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