枸杞连作障碍的土壤微生物生态学机制研究

It has been found that soil sickness seriously hindered the sustained development of Lycium bararum L. plantation and caused numerous economic losses every year in Ningxia. Previously, we characterized changes in rhizosphere bacterial assemblages of Lycium barbarum L. planted in monocropped soil and in a fallow agricultural soil by using barcoded pyrosequencing of the 16S rRNA gene amplicons and found a substantial variation in the diversity and structure of the bacterial rhizosphere communities in monocropped soil. However, the relationships between the growth of Lycium barbarum L. and soil microbes in monocropped soil have received far less attention. To address this challenge, the proposed research will study the chronological changes of bulk soil properties and soil microbial community metabolic activity in Lycium bararum L. orchard soil ecosystems at two major production areas in Ningxia, firstly. Then, the root exudation profiles and rhizosphere microbial community composition and function of the Lycium bararum L. seedlings cultured in different monocropped soils will be detected by using GC-MS, metagenomic sequencing and Biolog ECO plates, etc. After that, we will further study the changes of plant growth and soil microbial community in Lycium bararum L. cultivation under different amendments treatment. The objective of this program is to unravel the mechanism underlying plant-soil feedback in the agroecosystems of Lycium bararum L. The proposed research will provide insights about soil sickness of Lycium bararum L., and for the establishment of sustainable agroecosystems.

受到道地产区土地资源等因素限制，连作障碍已成为影响枸杞产业发展的重要原因之一，导致严重的经济损失。前期研究表明：连作显著抑制再植枸杞生长，并影响其根际细菌多样性和群落结构。然而，目前就连作条件下枸杞生长与土壤微生物间的互作关系仍不清楚。为进一步从微生物生态学角度探索枸杞连作障碍形成的分子机制，本项目利用BIOLOG微平板等技术，首先分析宁夏主要产区枸杞园土壤微生物活性及底物碳源代谢特征的年代变化规律，揭示长期种植对枸杞园土壤微环境的作用机制；同时采用盆栽实验，利用GC-MS、HPLC及宏基因组测序等方法，观察连作对枸杞根际微生物功能的影响，解析连作条件下的枸杞根土互作机制。在此基础上，利用扩增子测序和BIOLOG微平板技术探索不同土壤改良剂对枸杞连作障碍的缓解作用及其机制。本研究旨在揭示枸杞连作障碍的土壤微生物生态学机制，为改良枸杞园人工管理模式、促进枸杞产业的可持续发展提供理论基础。

长期连作造成枸杞产量降低、品质下降和土传病害增加等连作障碍问题，严重阻碍了我国西北欠发达地区农村经济可持续发展和乡村振兴计划实施。研究发现自毒作用和土壤理化性质变异均影响枸杞生长，但连作影响土壤微生物群落结构和功能的机制尚不明确。本项目首先结合土壤理化性质测定、酶活性分析和高通量测序技术，研究了连作条件下枸杞园土壤微生物群落多样性的变化规律，阐释了长期施肥导致的微生物多样性损失、植物病原菌富集和枸杞-根际细菌群落解偶联等枸杞连作障碍形成机制。对不同深度土壤的分析表明，亚表层土壤退化可能较表层土壤更为严重。随机森林模型表明，土壤pH和电导率是影响枸杞幼苗生长和枸杞-土壤反馈模式及强度的主要土壤因子。在此基础上，本项目进一步结合盆栽和大田实验，证实了生物有机肥能够通过增加土壤养分含量、激活土壤酶活性和抑制镰刀菌等致病真菌丰度等，促进再植枸杞生长、缓解枸杞连作障碍的作用机制。综上所述，本项目实验结果表明，长期连作导致的枸杞地土壤微生物多样性损失、病原真菌富集和微生物群落功能变异是枸杞连作障碍形成的三大主要原因；这种负反馈作用可以通过增施生物有机肥缓解。同时，项目研究结果也提示亚表层土壤的健康状况对于枸杞生产和连作障碍的防治可能更为重要，在后续研究和生产实践中应给与更多关注。项目所取得的成果为枸杞可持续种植模式开发提供了理论参考，对于我国西北欠发达地区区域农村经济发展具有重要意义。此外，项目相关研究成果共发表SCI论文7篇，部分实验结果将在未来1-2年内发表或申请专利；项目共培养研究生5名（其中在读博士1名、硕士2名）、本科生3名（已毕业）。项目共投入直接经费38万，支出35.9864万元，各项支出符合资金管理办法。经费剩余2.0136万元，将按照计划科目用于后续研究。