玉米/紫花苜蓿间作提高磷素利用的根土互作机理

Maize and alfalfa, as the important food crop and the excellent leguminous forb, respectively, have been prioritized in the development of the northeast farming and pastoral area, and their intercropping system has promising prospects. It is probable that belowground processes including water and phosphorus capture are important elements of the productivity of this polyculture. However, the mechanisms of root interactions in polyculture systems are poorly understood. The proposed project would integrate field and greenhouse experiments, isotope tracer methods, root separation methods, and in-situ root scanning methods to explore the relationship between root architecture, rhizosphere mycorrhizal infection and root turnover in different maize/alfalfa intercropping modes, clarify the relationships between these parameters with the absorption and utilization of water and phosphorus of intercropped crops. The study will provide theoretical basis for delicately regulating phosphorus fertilizer utilization in maize/alfalfa intercropping system and reducing its input and risks to the environment.

玉米和紫花苜蓿作为东北农牧交错区重要粮食作物和优良豆科牧草，两者间作对兼顾区域粮食安全和生态环境改善具有重要意义。磷是限制作物生长发育和产量的重要营养元素，在土壤中有效性低，但间作作物可通过根系构型生态位互补、菌根侵染与根际活化互利来实现间作体系磷素的高效利用，而这些根系形态和生理变化都与根系周转密切相连，但其耦合作用如何促进磷素高效利用的地下过程机理尚不清楚。本研究通过田间试验和盆栽试验，采用同位素示踪技术、根系分隔技术和根系原位扫描技术，综合运用生态学、农学及生理学知识，试图揭示玉米/紫花苜蓿间作根系周转与根系构型和菌根侵染之间互作机理，阐明上述地下过程与磷素高效利用的关系。本研究从根系周转—土壤养分释放—根系吸收的新视角刻画玉米/紫花苜蓿间作提高磷素利用效率的机理，在学术思想上具有创新性。预期成果有望为玉米/紫花苜蓿间作体系精细调控磷肥、减少磷肥投入和降低环境风险提供科学理论依据。

目前将根系周转与根系构型、根际活化与菌根侵染等根际过程联系起来探讨间作作物促进磷素高效吸收和利用的相关研究尚不清楚。因此，本研究以玉米/紫花苜蓿间作体系为研究对象，通过田间试验和盆栽试验，采用根系分隔技术和根系原位扫描技术揭示玉米/紫花苜蓿间作根系周转与根系构型、根际活化和菌根侵染之间互作机理，阐明上述地下过程与磷素高效利用和产量的关系。野外大田实验结果表明，2015-2018年间无论是否施磷，玉米/苜蓿间作显著增加了间作系统的总产量和总吸磷量，比单作玉米显著增加了74%和67%，比单作苜蓿增加了32%和19%；在缺磷条件下的玉米和苜蓿的磷素利用效率显著高于施磷时的利用效率，并且缺磷时间作系统的总吸磷和总产量与单作相比平均增加了51%，显著高于施磷时的增加比例。不同种植模式中，IMA43模式的根系特征以及土地当量比最大，因此为最优模式。作物的根系形态指标主要与作物的产量、磷素吸收量显著正相关；作物菌根侵染能够促进玉米/紫花苜蓿间作体系作物产量的增加和磷素的吸收利用，玉米/紫花苜蓿间作对于玉米和紫花苜蓿的菌根侵染分别起到抑制和促进作用，施磷能够抑制作物中菌根真菌的形成以及土壤中菌丝网络的形成；玉米/紫花苜蓿间作通过加快根系的生产和死亡、提高根系现存量，促进了作物对磷素的吸收利用，与单作相比，IMA43间作提高了作物在0-20cm土层根系的生产力、死亡量和现存量。并通过盆栽试验验证以上过程对于作物磷素吸收和产量的耦合关系，结果显示，在玉米和紫花苜蓿磷素吸收过程中，接种AM真菌调节了根系构型和根系分泌物，改变了根系碳分配，促进了磷素吸收利用；玉米/紫花苜蓿间作促进了磷素高效吸收利用，施磷条件下根际特征对磷素吸收当量比相对贡献：根系交互作用>共生菌根网络作用>分泌物作用。