论文部分内容阅读
旱作农业区是重要的粮食产区,对保障粮食安全具有至关重要的作用。在该地区,长期采用传统耕作和单一种植方式易造成农田土壤肥力下降和微生态失衡。保护性耕作结合豆禾轮作模式可以改善农田土壤肥力及作物根际微环境,提高作物养分吸收利用能力。然而,保护性耕作和豆麦轮作系统中冬小麦高效利用氮素的土壤微生物作用机制尚不清晰。因此,本研究基于黄土高原旱作农田生态条件,以“作物-微生物-土壤”为中心,将保护性耕作措施和豆麦轮作模式相结合,设置三个耕作措施（深松耕:CPT;免耕:ZT;翻耕:PT）和两种作物轮作模式（大豆-小麦轮作:SW;玉米-小麦轮作:MW）,采用16S r RNA扩增子测序和代谢组学等方法,对土壤耕作和作物轮作系统中土壤细菌群落和冬小麦生长特性进行研究,结合土壤理化特性,明晰土壤细菌群落在作物生长发育过程中对土壤耕作和作物轮作的响应规律。从多组学角度出发,分析根际细菌群落与冬小麦氮素利用的潜在关系,明确保护性耕作和豆麦轮作系统中冬小麦氮素利用的根际细菌作用机制。本研究的主要发现如下:（1）土壤耕作通过改善土壤环境调节了轮作系统中前茬作物生长特性和土壤细菌群落。与常规耕作（PT）相比,保护性耕作（CPT和ZT）显著提高了前茬作物土壤水分（3.62–13.13%）、有机碳（29.19–39.67%）和全氮（38.69–60.23%）含量,降低了土壤p H值（1.15–3.76%）。CPT较PT增加了玉米和大豆生物量（2.39%和3.58%）及氮素积累量（5.53%和7.03%）,而ZT降低了玉米和大豆生物量（4.21%和8.88%）及氮素积累量（6.83%和5.56%）。根际细菌群落组成随前茬作物生长具有一致性的变化。根际效应降低了细菌群落间的竞争（根际和非根际细菌群落网络边数分别为926和1095;密度分别为0.157和0.184）,并增加了群落网络复杂性（模块性分别为0.857和0.556）。保护性耕作措施和大豆增加了细菌群落网络复杂性（CPT、ZT和PT下模块性分别为0.879、0.742和0.495;玉米和大豆下分别为0.525和0.888）。尽管根际效应引起的根际细菌群落系统发育聚类低于非根际土壤细菌（2.13%）,但对根际和非根际土壤细菌群落组成没有显著影响,且土壤细菌群落结构的形成以确定性过程为主。偏最小二乘通径模型分析表明,根际细菌群落的时间变异（解释度分别为94.7%和92.7%）受土壤耕作和生育期的调节,在一定程度上促进了前茬作物的生长。（2）通过对土壤耕作和作物轮作体系影响冬小麦生长发育过程中根际细菌群落的研究结果表明,根际细菌群落之间的关系与耕作和轮作引起的土壤性质的变化密切相关。根际细菌群落的系统发育多样性和分类组成受冬小麦生育时期（R~2:0.2130,P=0.001;R~2:0.2067,P=0.001）、土壤耕作（R~2:0.1277,P=0.001;R~2:0.12617,P=0.001）和作物轮作（R~2:0.0241,P=0.001;R~2:0.0392,P=0.001）的显著影响。根际细菌群落相似性随冬小麦发育过程而降低,保护性耕作和SW均降低了根际细菌群落衰减速率。根际细菌群落共生网络分析表明,MW和SW中根际细菌群落差异性模块随冬小麦生长发育而减少。随机森林结果显示,土壤p H值、水分、全氮和有机碳含量是影响根际细菌群落多样性和组装过程的最主要环境因素。根际细菌群落结构形成过程与土壤水分、全氮、p H值和根际细菌群落多样性有显著的相关关系（P＜0.05）。（3）进一步分析土壤耕作和作物轮作对冬小麦生长特性的影响,研究发现CPT和ZT较PT显著提高了土壤水分（分别为6.25–9.99%和5.95–11.43%）、有机碳（分别为14.99–17.62%和14.73–15.38%）和全氮（分别为30.77–37.30%和26.51–32.99%）水平;SW较MW提高了有机碳（0.38–0.60%）和全氮（0.34–2.56%）水平。土壤耕作对冬小麦生长特性有显著影响（P＜0.05）,而作物轮作模式仅对冬小麦的氮素含量有较大影响。与CPT和PT相比,ZT显著降低了冬小麦氮肥生产率（7.52–14.57%）和氮素吸收效率（10.44–24.62%）,而冬小麦氮素利用效率则表现出相反的结果。此外,与PT相比,CPT提高了冬小麦的籽粒产量（3.28%）和经济效益（5.41%）,而ZT降低了籽粒产量（9.69%）和经济效益（7.41%）。在CPT下,SW较MW提高了籽粒产量（1.12%）和经济效益（1.83%）,并在SW＿CPT处理下达到最高。（4）通过分析冬小麦根际细菌群落对其氮素利用效率的作用机制,研究发现在MW和SW系统中,CPT较PT增加了冬小麦氮素积累量（2.15%和3.38%）和蛋白质含量（4.75%和2.64%）,ZT则表现出相反的结果;SW较MW增加了冬小麦氮素积累量（4.54%）和蛋白质含量（9.20%）。小麦根系谷氨酸脱氢酶（GDH）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性随冬小麦生长而增加,谷氨酸合成酶（GOGAT）、硝酸还原酶（NR）和亚硝酸还原酶（Ni R）活性则降低;CPT较PT具有增加GOGAT、GDH和GS活性,降低NR和Ni R活性的趋势,ZT表现出相反的结果;SW较MW增加GOGAT、GDH和GS活性,降低NR和Ni R活性。由土壤耕作和作物轮作引起的根际细菌群落多样性的变化（PERMANOVA,P＜0.05）是影响冬小麦氮素利用的重要生物因素。土壤耕作和作物轮作引起根际细菌共生网络差异性模块中优势菌门（变形菌门、放线菌门等）相对丰度的变化改变了群落代谢产物。保护性耕作和SW增加了四氢叶酸和PC（14:1（9Z）/20:2（11Z,14Z））表达,与土壤氮素代谢过程有关。链霉菌属、叶杆菌属和类固醇菌属相对丰度的变化,与根际细菌群落代谢功能多样性密切相关,产生差异性代谢产物,影响冬小麦对氮素的吸收利用。综上所述,CPT和SW通过改善土壤微生态环境,进而影响土壤细菌群落多样性和结构形成过程,并具有提高作物生长特性和生产力的趋势。此外,CPT和SW引起根际细菌菌属丰度及差异代谢产物的变化,通过调节氮素代谢相关酶活性及其相应过程,促进了冬小麦对氮素的吸收利用。因此,将SW与CPT结合可以成为旱作农业区理想的改善作物-微生物-土壤互作的绿色生态农艺管理措施。