作物根际效应时空特征对黑土耕层厚度的响应

Main outcomes of eroded Black soils are thinner topsoil layer, reduced organic carbon storage and declined crop productivity. The declined productivity in eroded Black soils varies depending on crop types, while crops respond to eroded changes directly through roots and their environment. However, no systematic data are available on how eroded Black topsoils affect root growth and development as well as rhizosphere environment. This project utilizes the reconstructed topsoil facility with different thickness under no-till soybean-corn rotation in Mollisols region to characterize root growth, development, morphology and distribution during growing season of corn and soybean; to examine main mineral nutrients uptake and root vigor at key growth stages; to investigate changes of urease, phosphatase and proteinase activities, microorganism population and nutrient availability in rhizosphere soil and bulk soil; to differentiate pH and main low-molecular weight organic acids from rhizosphere. The ultimate goals are to elicit the responses of microorganism population and their metabolic diversity, nutrients uptake and availability in soil solution to topsoil thickness, and to differentiate spatial and temporal characterization and mechanism of rhizosphere effects to topsoil thickness between corn and soybean, and thus providing theoretical support in understanding the quantitative contributions of topsoil thickness to crop yield and technological approach for restoring eroded Mollisols.

黑土耕层变薄，有机碳储量下降，作物生产力降低，是侵蚀黑土农田的主要表征。侵蚀黑土生产力降低因作物种类而异，作物是通过根系及其环境直接感知侵蚀变化的影响，而侵蚀黑土耕层厚度如何影响作物根系发育及其根际环境尚无科学系统数据。本项目基于典型黑土区已建成的农田耕层人为剥离后重建的不同厚度黑土层的定位模拟试验，开展免耕玉米大豆轮作，分析不同厚度耕层的玉米和大豆生育期间根系发育、形态和分布，探讨根系主要矿质养分的吸收变化和关键生育期根系活力，研究土壤脲酶、磷酸酶和蛋白酶活性及其根际与非根际土壤养分有效性，分析不同作物根际pH和分泌物中低分子量有机酸含量变化差异，判定根际微生物群落生理代谢多样性、根系养分吸收及根际土壤养分有效性对耕层厚度的响应，明晰玉米和大豆对耕层厚度响应的根际效应时空特征和差异机制，为量化黑土层厚度对作物产量的贡献率以及侵蚀黑土农田生产力技术提升提供理论支撑。

土壤侵蚀导致坡耕地黑土层厚度减少，影响农田生态系统的土壤肥力和作物生产力。关于不同作物的根系功能、养分吸收和根际生物化学特性以及它们对土壤侵蚀的响应还不清楚，而这是农作物种植的关键。本研究建立了10、20和30 cm三个黑土耕层厚度，在玉米-大豆免耕轮作制度下，经过连续三年的田间试验研究表明，与30 cm耕层厚度相比，10 cm耕层厚度使玉米减产9-22%，但对大豆产量没有影响；与30 cm和20 cm耕层厚度相比，10 cm耕层显著降低了玉米拔节期（V7）和乳熟期（R3）及大豆鼓粒期（R6）的根生物量和地上部生物量。另外，与30 cm耕层相比，10 cm耕层厚度使土壤速效氮和速效磷降低，其中，玉米分别降低了42%和36%，大豆降低了25%和19%，而且10 cm耕层厚度也降低了单位根长的N、P和K含量，其中玉米的降低幅度小于大豆；与30 cm耕层相比，10 cm和20 cm耕层显著提高了玉米根际土壤脲酶活性、磷酸酶活性和蔗糖转化酶的活性，而大豆根际土壤中除10 cm耕层增加了38%的脲酶活性，其余均无显著影响。这些结果表明，与大豆相比，玉米生育和产量对耕层厚度的减少更为敏感，这可能是由于土壤养分有效性降低及作物从土壤中获取养分的能力下降而致。而且，浅层土壤厚度对土壤养分矿化过程的刺激并不能缓解养分对玉米产量的制约。因此，在农业生产中增加氮肥和磷肥有助于缓解土壤侵蚀对玉米产量的损失，本研究对制定生长在浅层耕层中的作物施肥策略有重要的指导作用。关于不同耕层厚度对大豆和玉米根际微生物群落结构和丰度的研究结果再次印证了相对于土壤理化性质而言，土壤微生物对耕层厚度的响应更为敏感，该结果也进一步强化了应该把土壤微生物作为土壤理化指标变化的指示因子。不同黑土层厚度对大豆根际细菌丰度和土壤呼吸没有显著影响，但是却显著降低了玉米根际细菌丰度、提高了土壤呼吸，表明玉米根际细菌对不同黑土层厚度的响应比大豆要敏感。