旱作农田土壤微生物多样性对保护性耕作的响应及其与作物生长的关系

Dryland cropping accounts for about 56.84% of total area of Chinese cultivated land, affected by climate, terrain and water resources special restriction, conventional tillage leading to the soil nutrient loss, serious degradation and the decline of soil productivity, and having a considerable impact on the regional agricultural sustainable development. Conservation tillage can improve soil structure, and conserve soil fertility and mositure effectively, so it is of great significance to study the functional mechanism of the conservation tillage in dryland cropping ecosystem . The project based on the dryland agriculture production and the current situation of agro-ecosystem, using the molecular biotechnique system to study the response of the soil microbial community abundance, structure and ecological functional diversity to the conservation tillage, combinated with the knowledge of ecology and crop planting and cultivation, deeply analyze the time-space change law and the relationship with crop growth of soil microbial diversity under the conservation tillage. By conducting the experiment,we can identify a clear soil microbial mechnism of the high yield of dryland wheat to provide the theoretic support for the efficient, ecological and sustainable conservation tillage technical system.

我国旱作农田约占耕地总面积的56.84%，受特殊的气候、地形和水资源制约，传统耕作导致旱作农田土壤养分流失，土壤退化，土地生产力下降，严重影响区域农业可持续发展。保护性耕作能够有效地改善土壤结构、保持土壤养分和水分，因此研究保护性耕作在旱作农田生态系统中的运用及其作用机理具有重要意义。本项目立足旱作农业生产和农田生态现状，运用分子生物学技术系统研究土壤微生物群落丰度、结构组成和生态功能多样性对保护性耕作的响应，结合生态学和作物栽培学与耕作学知识，深入分析保护性耕作下土壤微生物多样性的时空变化规律及其与作物生长的关系，明确旱作小麦高效生产的土壤微生物作用机理，为构建高效、生态、可持续的保护性耕作技术体系提供理论支撑。

旱作农业受特殊环境因素制约，加之不合理的农业管理措施，导致农田土壤养分流失，土地生产力下降，严重影响区域农业可持续发展。保护性耕作能够有效地改善土壤结构、保持土壤养分和水分，因此研究保护性耕作在旱作农田生态系统中的微生物作用机理具有重要意义。本研究立足旱作农业生产和农田生态现状，运用高通量测序和荧光定量PCR分子生物学技术，结合生态学和作物耕作学与栽培学知识，深入分析保护性耕作下，冬小麦生长过程中土壤微生物多样性的变化规律，明确保护性耕作措施影响小麦生长的微生物作用机理，为构建高效、生态、可持续的保护性耕作技术体系提供理论支撑。研究结果表明，保护性耕作措施增加了土壤非根际细菌群落多样性指数，主要由于通过影响土壤氮素含量和颗粒机械组成增加有益功能细菌种群的丰度，并通过改变土壤有机碳含量和土壤物理结构，进而影响非根际土壤真菌多样性和系统发育结构。深松耕和翻耕下土壤真菌群落结构组成具有较高的相似性；而免耕作为扰动较少的耕作措施，较好地保持了土壤真菌的多样性。不同耕作措施下，土壤微生物群落均表现出空间分布均匀度低、空间连续性较差和空间变异度较高及强烈的聚集分布特征。免耕措施保持较高的土壤黏粒含量和土壤含水量，进而影响土壤细菌群落的空间分布；而深松耕措施则是通过影响土壤的可溶性碳含量和过氧化氢酶活性，从而改变土壤真菌群落的空间分布。作物根系活动可减少根际微生物的多样性和分解代谢的多样性，并使根际微生物对耕作措施表现出不同的响应模式, 土壤微生物群落多样性与微生物碳源利用多样性存在显著的相关性。保护性耕作增加了根际土壤细菌变形菌门、拟杆菌门和真菌煤炱目和腔菌目的相对丰度，有助于增强根际微生物对氨基酸、糖类和羧酸的利用。在冬小麦生长过程中，保护性耕作措施显著影响了土壤微生物（细菌，真菌）群落多样性。相比较于翻耕措施，免耕措施降低了作物生长过程中根际土壤变形菌门和拟杆菌门相对丰度的变异量。与深松耕和翻耕措施相比，免耕措施减小了根际和非根际土壤间真菌群落组成的变异量。真菌类煤炱目、格孢腔菌目和炭角菌目相对丰度的变化是造成整体真菌群落差异的主要因素。同时，保护性耕作可以改善土壤理化性质，增加土壤微生物群落的稳定性。