高产豆禾混播草地养分吸收及微生物调控机制

Building perennial legume-grass mixtures effectively improves forage production, and provides a sustainable source of soil nitrogen through biological N-fixation. However, lack of appropriate collocation of legumes and grasses is one of obstacles to maintenance of high productive mixtures, due to strong competitive exclusion between different species. Here we propose to conduct both field and greenhouse experiments, combing the 15N tracer technique, microbial co-inoculated method, and High-Throughput Sequencing, to address the vertical niche differences of resources uptake between deep and shallow-rooted species, and the mechanism of soil micro-organisms, especially Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and rhizobium, mediating plants resource use pattern and the interspecific relationship between legumes and neighbouring grasses. Our results will unravel the mechanism of resource use pattern and microbial-mediated feedbacks in high productive legume-grass mixtures, and support for grassland production and degraded grasslands restoration.

建植多年生豆禾混播草地可有效提高饲草产量和品质、改良培肥土壤。但是由于草种组合或比例不当，混播草地常出现牧草生长不良、种间竞争激烈，草群结构稳定性差，导致草地生产力不足。本项目通过在田间建立豆禾混播样地，并结合室内植物-土壤反馈机制研究方法，运用稳定同位素15N示踪法、微生物双接种、Miseq高通量测序等技术深入探究混播草地不同根系构型植物的养分垂直生态位互补策略，以及土壤微生物（特别是丛枝菌根真菌与根瘤菌）对植物养分吸收及种间关系的反馈调节机制，从而揭示高产豆禾混播草地养分吸收策略及微生物调控机制，为混播人工草地生产力提升及退化草地改良提供科学依据和技术支持。

建植多年生豆禾混播草地可有效提高饲草产量和品质、改良培肥土壤。但是由于草种组合或比例不当，混播草地常出现牧草生长不良、种间竞争激烈，草群结构稳定性差，导致草地生产力不足。本项目通过在田间建立豆禾混播样地，结合室内植物-土壤反馈机制研究方法，运用稳定同位素15N示踪法、微生物双接种、Miseq高通量测序等技术深入探究混播草地不同根系构型植物的养分垂直生态位互补策略，以及丛枝菌根真菌（AMF）与根瘤菌对植物养分吸收及种间关系的反馈调节机制。研究表明，相比单播处理，混播草地表现出明显的超产效应，混播物种间的互补效应是引起超产效应的主要原因。白三叶（Trifolium repens）+红三叶（Trifolium pratense）+鸭茅（Dactylis glomerata）+多年生黑麦草（Lolium perenne）4种草混播草地生产力及植物生长异步性均高于单播及其他混播组合；混播中植物吸收15N示踪剂总量均高于各单播处理；鸭茅和多年生黑麦草主要从浅层土壤吸收氮素营养，而红三叶和白三叶可从浅层土壤及深层土壤同时进行生物固氮及氮素吸收。地下微生物结果表明，白三叶+红三叶+鸭茅+多年生黑麦草组合的真菌丰富度最高，白三叶+红三叶+鸭茅混播组合的土壤细菌丰富度最高；土壤铵态氮和植物地上生物量，是影响植物细菌群落变化的主要因素，植物全磷，土壤速效磷，微生物生物量碳氮比是影响真菌群落组成的主要因素。AMF对混播中豆禾植物养分吸收及种间关系有重要的调节作用，AMF显著提高了混播中苜蓿、白三叶的地上生物量、根瘤数及氮含量，降低了鸭茅的地上生物量及氮含量；AMF显著提高了白三叶的固氮率及土壤15N示踪剂的吸收量；与单播相比，混播显著提高了浅层和深层土壤豆科植物的固氮率，降低了豆科对土壤15N示踪剂的吸收量。未接种AMF时，单播白三叶主要从浅层土壤吸收15N示踪剂，接种AMF后，白三叶在深层土壤吸收的15N示踪剂显著提升。我们的结果为混播人工草地生产力提升及退化草地改良提供科学依据和技术支持。