生态集约化管理下玉米种植体系土壤微生物学响应机制
肥料不合理施用以及由此带来的环境问题已引起全球范围广泛关注。生态集约化管理（Ecological Intensification Management，简称EI），因其采用优化管理措施如应用高产高效作物品种，合适密度，优化养分管理（包括合适的肥料种类、用量、施肥时间、施肥位置）等，能够实现作物高产高效和环境保护多重目标。然而，关于EI管理下的农学效应研究较多，而有关土壤微生物群落结构和多样性的变化较少涉及。本研究针对吉林春玉米和河北夏玉米种植体系，采用田间试验结合荧光微孔板酶检测技术、磷脂脂肪酸分析、实时荧光定量PCR和Illumina高通量测序技术，研究了EI管理下土壤细菌和真菌群落结构和多样性、氮循环功能基因丰度以及有关碳、氮和磷转化胞外酶活性变化。取得的主要进展如下: 1.生态集约化管理下春玉米和夏玉米土壤细菌群落结构和多样性的响应。与农民习惯施肥(FP)相比，EI处理显著提高了作物产量，改善了土壤pH，同时提高了细菌多样性。EI处理中具有重要生态作用的微生物类群红螺菌和芽孢杆菌显著增加，根瘤菌在FP中显著降低。变形杆菌门、放线菌门、酸杆菌门和绿弯菌门是优势门。潮土中EI处理对红螺菌和芽孢杆菌影响最为显著，FP处理对亚硝化单胞菌和黄单胞菌影响最为显著。黑土中Acidoacteria和Acidobacteriales门下的subgroup_6对氮肥最敏感，其丰度在不施氮处理最高。在两类土壤中高氮的输入显著降低了根瘤菌的相对丰度。细菌群落结构及多样性在潮土上与土壤有效磷含量紧密相关，在黑土上与土壤pH值高度相关。 2.生态集约化管理下春玉米和夏玉米土壤真菌群落组成和多样性的响应。施用氮肥均降低了黑土和潮土真菌的多样性。与FP相比，EI处理提高了黑土和潮土真菌类群的多样性。潮土中的子囊菌和接合菌比黑土更为丰富，而担子菌在黑土中更为丰富。主成分分析结果显示，在EI和FP之间的OTU存在显著区别，EI处理的真菌群落可归为一类，而FP处理的真菌群落则归为另一类。土壤NO3--N和pH是影响潮土和黑土真菌多样性的关键环境因子。 3.生态集约化下春玉米和夏玉米土壤氮素转化相关功能微生物的响应。在两类土壤中EI和FP处理下添加氮肥均提高了土壤的硝化潜势(PNA)和反硝化潜势(PDA)。与FP相比，EI处理降低了PNA和PDA。同样，在EI和FP处理下与不施肥相比，添加氮肥均显著增加了N循环相关的基因丰度，包括氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)、亚硝酸还原酶基因（nirS和nirK）和氧化亚氮还原酶(nosZ)。然而，与FP相比，EI处理减少了N循环相关的基因丰度。同时在两类土壤中EI和FP处理下添加氮肥均显著降低了nifH基因丰度，其中与FP处理相比，EI处理nifH基因丰度降低幅度较小。同时，在两类土壤中PNA与AOA和AOB显著相关。 4.生态集约化下夏玉米种植体系土壤胞外酶和土壤微生物群落结构的响应。与FP相比，EI处理降低了C和N循环相关的胞外酶活性。与不施肥相比，施肥显著降低了酚氧化酶和过氧化物酶的活性，施氮处理显著提高了磷脂脂肪酸总量和细菌的相对丰度，且EI处理高于FP处理。土壤pH和土壤有机碳(SOC)是导致土壤细菌群落结构差异的最重要因素，同时它们也是影响C和N循环相关胞外酶活性的环境因子。 总之，生态集约化管理主要通过提高土壤微生物多样性，降低土壤碳氮代谢强度而保障土壤健康，减少氮素损失，提高作物产量，是我国玉米生产体系可持续的养分综合管理方法。
玉米;生态集约化管理;土壤微生物;群落结构;作物产量
中国农业科学院
博士
植物营养学
何萍
2019
中文
S513
2019-08-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）