松嫩平原大豆农田生态系统丛枝菌根真菌对堆肥的响应机制

As one of the three black soil zone in the world, Songnen Plain is the national commodity grain base. However, excessive reclamation and irrational utilization of phaeozem has resulted in a serials of soil degradation problems including soil erosion, decline in soil organic matter and mollic depletion in Songneng Plain. Arbuscular mycorrhizae (AM) are symbiotic associations formed between plant roots and soil fungi of the phylum Glomeromycota. AM fungi play key roles in acquisition of mineral nutrients and water, enhance host plant growth, soil aggregate structure and soil fertility. Therefore, a long-term “Response and regulation mechanism of soybean agroecosystem to compost addition ” experiment system will be conducted in Songneng Plain, Heilongjiang province. AM root colonization, extraradical hyphal density and spore density will be examined using morphological methods; AM fungal community compositions will be examined using Illumina miseq pyrosequencing techniques. We will explore the response of AM fungal biomass, diversity and community composition to compost addition in soybean agroecosystem. The study here will undoubtedly provide scientific theories and practical instruction for restoration and reconstruction of phaeozem degradation in Songnen Plain.

作为世界三大黑土带之一的松嫩平原，是我国重要的商品粮生产基地。然而近年来由于黑土的过度开垦和不合理利用，使该地区面临着严重的水土流失、有机质含量下降和黑土层变薄等一系列土壤退化问题。丛枝菌根(arbuscular mycorrhizae, AM)真菌能够与85%的陆地植物根系形成互惠共生体，在促进植物生长、维持土壤团粒结构和退化土壤修复过程中具有显著功能。因此本项目拟建立“松嫩平原大豆农田生态系统对堆肥添加的响应与反馈作用”实验平台，进行长期定位研究：利用形态学方法测定大豆根系AM真菌侵染率、土壤中AM真菌的孢子密度和根外菌丝密度；利用MiSeq高通量测序技术检测大豆根系内AM真菌的群落组成。通过不同处理间AM真菌的侵染率、生物量、多样性、群落组成、土壤和植物因子进行长期的监测，阐明大豆农田系统AM真菌对堆肥添加的响应机制，为实现退化黑土修复与重建提供重要的科学依据。

当前，由于化肥的过量施用和对土壤资源的掠夺性利用，土壤肥力衰退、农作物产量下降等问题日益严峻。同时，伴随着畜禽养殖规模化和集约化农业生产的发展，导致大量畜禽粪便和农作物秸秆的产生和不合理利用，不仅使我国空气和土壤污染日趋严重，而且造成了生物资源的巨大浪费。堆肥不仅使有机废弃物无害化和资源化、同时也是修复退化土壤的有效途径。在土壤农田生态系统中，土壤微生物是最活跃的组分，在土壤有机质转化过程中扮演重要角色。为了探索土壤肥力、土壤微生物和丛枝菌根(AM)真菌对堆肥添加的响应，本研究通过设置不同堆肥施用量(0, 11.25, 22.5和45 Mg/ha)，检测大豆苗期、花期和成熟期的土壤肥力、土壤微生物和AM真菌活性、生物量、多样性和群落组成对堆肥添加的响应。主要取得以下研究结果：.施用堆肥显著提高了土壤有机质、总氮、总磷、速效磷、速效钾和速效氮含量。然而土壤微生物生物量、微生物活性和多样性主要受到大豆的不同生长发育阶段影响，并未受到施用堆肥的影响。尽管施用堆肥并未显著影响苗期和花期的土壤微生物群落组成，但是成熟期的微生物群落组成显著受到了施用堆肥的影响。结构方程模型显示，大豆的不同生长发育期对土壤微生物群落组成的影响远大于施用堆肥的影响。22.5Mg/ha和45Mg/ha的堆肥施用量显著提高了AM真菌在大豆根内的侵染率、根外菌丝密度AM真菌的孢子密度。随着堆肥施用量的增加，Rhizophagus fasciculatum的多度也随之显著增加，而Paraglomus sp.则表现出相反的趋势。此外，AM真菌的群落组成具有明显的季节动态变化。进一步的分析显示，AM真菌的季节动态变化仅在对照处理中出现，而在施肥处理中季节动态变化消失。.综上，施用堆肥对土壤肥力、AM真菌的生长和繁殖具有显著的促进作用，但是对土壤微生物和AM真菌的群落组成影响并不显著。该研究为大豆种植合理施肥、提高土壤养分资源高效利用提供理论基础，而且对全面阐明农田生态系统对外源堆肥添加的响应机制具有重要的科学意义。