旱地覆盖垄作系统土壤碳消长及其微生物作用机理

Based upon the research propositions of regulate and control soil fertility of ridge–furrow plastic-mulching planting system (RFM) in dry-agrocultural ecosystem, take the hypothesis that soil microbial diversity is the driver and controller of soil organic carbon content growth and decline as the theoretical basis, designing a fixed field trails to search soil organic carbon content changing pattern by systematically testing the microbial biomass carbon content which is said is the sensitive index of soil organic carbon content chaging. Tageting bacterial 16S rRNA and fungal 18S rRNA, use advanced molecular biology techniques high-throughput sequencing, T-RELP and RT-PCR to study and analyze the development characteristics,quantity and community structure of functional soil microorganism that regulate soil carbon succession. Furthermore , systematically analyze the results that gained by the research project to verify the affecting factors and the changing regular patterns of soil organnic carbon content, the relationship among environment factors, soil organic carbon content and soil microbial diversity under RFM system, and to put forward the scientific base for drafting soil fertility regular and controlling measurements.

立足旱区覆盖垄作系统土壤肥力调控关键命题，依据土壤微生物驱动、调控土壤碳消长假设，以土壤有机碳组份中对含量变化最敏感的微生物量碳（WBC）为关键指标，研究土壤有机碳含量变化规律；以细菌16S rRNA和真菌18S rRNA为标靶基因，应用高通量基因测序技术（High-throughput sequencing ）、末端标记限制性片段长度多态性分析技术（T-RELP）和实时荧光定量PCR技术（RT-PCR）研究分析调控土壤有机碳消长的功能微生物群落结构、数量和发育特征。探明覆盖垄作系统土壤有机碳消长规律及影响因素；不同调控措施不同时期环境因子、土壤有机碳消长与土壤微生物多样性之间的关系；揭示土壤有机碳消长的微生物机制，为制定土壤肥力调控措施提供科学依据。

立足旱区覆盖垄作系统土壤肥力调控关键命题，2016-2019年布置田间定位试验，研究覆盖垄作系统土壤有机碳消长规律及其微生物驱动机制。结果表明，协同增效调节土壤水热和微生物多样性是全膜双垄沟播膜下秸秆还田固碳主要驱动机制。土壤水热条件与微生物活性协同促进土壤大团聚体形成与稳定，对土壤碳的保护机制是土壤固碳的主要机理。秸秆快速降解释放的有机碳，以及作物旺盛生长归还土壤有机质抵消了土壤碳矿化和作物生长吸收的损失，是土壤固碳机理。土壤水热肥-微生物互作增效作用是旱地玉米增产、高效利用有限降水资源的理论基础。.全膜双垄膜下秸秆还田提高玉米苗期至拔节期土壤温度1.8°C -4.8°C ，降低开花至成熟土壤温度1.1°C -3.7°C；增加玉米苗期至拔节期土壤贮水量17.4 -74.2 mm、全生育期供水量36.2 - 38.1 mm。同时降低了Firmicutes（硬壁菌门）的相对丰度，增加了Proteobacteria （变形菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Gemmatimonadetes（芽单胞菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）、Acidobacteria（酸杆菌门）和Nitrospirae（硝化螺旋菌门）的丰度与结构，并与土壤有机碳（SOC）、土壤全氮全磷（TN，TP）和速效氮磷（AN，AP）含量的相关系数达到0.7891-0.7927，分别解释了62.97% TP含量的变化和96.43% SOC、TN、AN和AP含量的变化。优化的土壤水热和微生物环境降解了80.3%的还田秸秆，使81.3 %的秸秆C和83.3%的秸秆N释放于土壤。秸秆有机物加微生物粘液胶连土壤颗粒显著增加了 > 2.0 mm土壤团聚体百分比，>1.0 mm 团聚体组分碳含量 和>0.25 mm 壤团聚体SOC贮量，显著促进了耕层SOC和TN的积累、提高了土壤全量和速效NPK的含量。SOC, TN, TP, AN, AP 和ET与玉米产量和水利用效率显著正相关。AN, AP, AK含量, 生育期降水量(PGS) 和 ET 解释了 81.3 % 的玉米产量的变化。由此玉米增产61.3%-68.0% ，水分利用效率增加1.91- 1.96倍，增效长61.2%-66.7%。 研究结果补充和丰富了土壤固碳的基础理论和旱地作物高效用水的理论基础，有较强的科学意义。