小麥-苜蓿間作的土壤微生物多樣性和種間促進(jìn)作用研究.pdf

1、豆科/禾本科間作是中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的生產(chǎn)技術(shù)和土地利用方式，具有悠久的歷史。這種間作系統(tǒng)可以充分利用土地資源和環(huán)境資源，提高了資源利用效率，而且具有明顯的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。由于植物間作系統(tǒng)的種間促進(jìn)作用可以改善植物根系和土壤養(yǎng)分環(huán)境狀況，在控制水土流失和荒漠化防治等方面具有顯著的作用。但是，有關(guān)禾本科植物尤其是麥類作物和豆科植物苜蓿間作的種間促進(jìn)作用鮮見報(bào)道。為此，采用傳統(tǒng)的土壤學(xué)和土壤微生物學(xué)方法，結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)的方法，通過研究小麥/

2、苜蓿間作系統(tǒng)的植株生長、生物學(xué)產(chǎn)量、土壤理化性質(zhì)和土壤酶的變化情況，進(jìn)一步利用土壤微生物基因組的高通量分析技術(shù)研究小麥/苜蓿間作根際土壤微生物多樣性的變化，主要目的是揭示根際微生物多樣性與土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性的相互關(guān)系，闡明小麥/苜蓿間作的根際土壤養(yǎng)分資源高效利用的種間促進(jìn)作用，為農(nóng)林生產(chǎn)的生物多樣性提供理論依據(jù)和小麥/苜蓿間作體系的應(yīng)用提供技術(shù)支持。主要研究結(jié)論如下：
　　1.小麥/苜蓿間作對(duì)生物量、根系及葉片營養(yǎng)元素的影

3、響:與單作相比，間作降低了苜蓿生物量和株高，增加了小麥的生物量和株高;間作小麥的行間麥的生物量高于單作，株高卻略低于單作。間作苜蓿的莖葉比低于單作苜蓿12.6％，而主莖分枝條數(shù)增加了17.6％。間作苜蓿的根系長度顯著增加，而根系干重和根系密度略有降低，而間作小麥根長降低，根系干重和根長密度分別增加了48.6％和45.1％。間作苜蓿葉片中全氮和全鉀含量比單作苜蓿有所降低，而間作苜蓿葉片中錳、鐵和鋅含量比單作苜蓿分別增加。間作小麥葉片中全氮

4、和全鉀含量分別比單作含量高9.9％和33.9％，內(nèi)行麥全氮和全鉀的含量最低;間作小麥葉片中錳、鐵和鋅含量比分別比單作含量高39.8％、26.6％和41.4％，內(nèi)行麥葉片中錳和鋅含量與單作小麥沒有明顯差別，鐵含量比單作小麥高6.7％。同時(shí)，間作小麥葉片中粗蛋白和蛋白質(zhì)含量顯著提高，說明間作后小麥品質(zhì)得到明顯改善，提高了小麥和苜蓿作為混合飼料的價(jià)值。小麥/苜蓿間作的LER值大于1(1.099)，說明兩作物互補(bǔ)作用較大，具有生物產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

5、r>　　2.小麥/苜蓿間作對(duì)土壤酶和土壤速效養(yǎng)分及微量元素的影響:間作小麥和苜蓿根際土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性顯著高于單作，其中，間作小麥蔗糖酶和過氧化氫酶活性分別比單作高25.01％和20.59％;間作苜蓿根際土壤的蔗糖酶和過氧化氫酶活性較單作高24.04％和22.30％。土壤磷酸酶活性在間作和單作處理間無顯著差異。小麥/苜蓿間作土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于單作。與單作相比，間作小麥有機(jī)質(zhì)含量增加了58.82％，而間作苜蓿有機(jī)質(zhì)含量增

6、加了49.49％。間作增加小麥根際土壤速效氮和速效磷含量，速效鉀含量降低。與小麥相比，間作苜蓿根際有效養(yǎng)分的影響不同，即間作苜蓿的根際土壤速效氮和速效磷含量顯著低于單作。與單作相比，間作苜蓿和小麥根際土壤有效鐵含量顯著增加，而錳和鋅含量無顯著變化。
　　3.小麥/苜蓿間作根際土壤微生物多樣性及其基因組學(xué)的影響:利用BiologTM技術(shù)分析間作土壤的微生物多樣性及其對(duì)碳源的利用情況。結(jié)果表明:間作苜蓿的根際土壤微生物的代謝活性顯著增

7、強(qiáng)，而間作小麥變化并不明顯。間作顯著提高了土壤微生物群落均勻度。主成分分析表明，間作顯著提高了小麥根際微生物對(duì)糖類和雙親化合物的利用比例，而降低了苜蓿根際微生物對(duì)糖類和雙親化合物的利用比例，提高了對(duì)聚合物和氨基酸利用比例。進(jìn)一步分析小麥和苜蓿對(duì)碳源的利用能力發(fā)現(xiàn)，單作苜蓿、單作小麥和間作行間小麥的土壤微生物群落不穩(wěn)定，而間作小麥和苜蓿的根際土壤微生物群落穩(wěn)定性明顯提高。
　　利用分子生物學(xué)中的宏基因組學(xué)技術(shù)解析了小麥/苜蓿間作根際

8、土壤微生物多樣性的結(jié)構(gòu)多樣性變化本質(zhì)，發(fā)現(xiàn):間作土壤微生物的豐富度指數(shù)顯著高于單作，明顯提高了根際微生物群落多樣性。間作對(duì)根際土壤微生物結(jié)構(gòu)影響最大的順序?yàn)?變形菌門(Proteobacteria)＞酸桿菌門(Acidobacteria)＞擬桿菌門Bactero idetes）＞放線菌門(Actinobacteria)＞浮霉菌門(Planctomycetes)＞綠彎菌門(Chloroflexi)＞硝化螺旋菌門(Nitrospirae)＞

9、未知的種類(Unclassified bacteria)＞厚壁菌門(Firmicutes)＞芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)。其中，變形菌門(Proteobacteria)在單作苜蓿中所占比例最高，間作苜蓿最低;間作顯著降低了小麥根際土壤的酸桿菌門(Acidobacteria)所占比例，卻提高了間作苜蓿中酸桿菌門(Acidobacteria)在總菌群所占比例。結(jié)合Venn分析和Heatmap圖，間作增加了根際土壤中劣勢(shì)菌群

10、的種類和數(shù)量，尤其是Spirochaetales、Opitutales、Chloroflexi-unclassified和Clostridiales等的數(shù)量明顯增加。此結(jié)果為小麥/苜蓿間作改善根際土壤微生物多樣性和提高根際土壤養(yǎng)分，提高間作系統(tǒng)生物產(chǎn)量提供了有力證據(jù)，為進(jìn)一步深入研究特異微生物的作用提出了研究導(dǎo)向。
　　4、小麥/苜蓿間作的種間促進(jìn)作用對(duì)土壤有機(jī)磷利用的影響:采用溶液培養(yǎng)法，研究小麥/苜蓿間作對(duì)有機(jī)磷的利用，發(fā)現(xiàn):

11、苜蓿對(duì)有機(jī)磷的利用能力強(qiáng)于小麥。間作體系中兩種植物磷吸收的總量高于單作之和。這一結(jié)果進(jìn)一步證明:間作苜蓿促進(jìn)了小麥根系對(duì)有機(jī)磷的活化利用，增加了小麥的根系長度，提高了小麥對(duì)磷的吸收面積，從而顯著提高了間作小麥的生物量;而間作苜蓿根際土壤酸性磷酸酶活性高于小麥，活化了苜蓿根際土壤有機(jī)磷，為小麥/苜蓿間作提供了養(yǎng)分環(huán)境，在小麥/苜蓿間作生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面發(fā)揮了重要作用。
　　綜上研究結(jié)果，小麥/苜蓿間作的種間作用和競(jìng)爭(zhēng)作用同時(shí)存在，