肥料不合理施用以及由此帶來的環(huán)境問題已引起全球范圍廣泛關(guān)注。生態(tài)集約化管理(Ecological Intensification Management,簡稱EI),因其采用優(yōu)化管理措施如應(yīng)用高產(chǎn)高效作物品種,合適密度,優(yōu)化養(yǎng)分管理(包括合適的肥料種類、用量、施肥時間、施肥位置)等,能夠?qū)崿F(xiàn)作物高產(chǎn)高效和環(huán)境保護多重目標。然而,關(guān)于EI管理下的農(nóng)學(xué)效應(yīng)研究較多,而有關(guān)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的變化較少涉及。本研究針對吉林春玉米和河北夏玉米種植體系,采用田間試驗結(jié)合熒光微孔板酶檢測技術(shù)、磷脂脂肪酸分析、實時熒光定量PCR和Illumina高通量測序技術(shù),研究了EI管理下土壤細菌和真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性、氮循環(huán)功能基因豐度以及有關(guān)碳、氮和磷轉(zhuǎn)化胞外酶活性變化。取得的主要進展如下:1.生態(tài)集約化管理下春玉米和夏玉米土壤細菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的響應(yīng)。與農(nóng)民習(xí)慣施肥(FP)相比,EI處理顯著提高了作物產(chǎn)量,改善了土壤pH,同時提高了細菌多樣性。EI處理中具有重要生態(tài)作用的微生物類群紅螺菌和芽孢桿菌顯著增加,根瘤菌在FP中顯著降低。變形桿菌門、放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門是優(yōu)勢門。潮土中EI處理對紅螺菌和芽孢桿菌影響最為顯著,FP處理對亞硝化單胞菌和黃單胞菌影響最為顯著。黑土中Acidoacteria和Acidobacteriales門下的subgroup_6對氮肥最敏感,其豐度在不施氮處理最高。在兩類土壤中高氮的輸入顯著降低了根瘤菌的相對豐度。細菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性在潮土上與土壤有效磷含量緊密相關(guān),在黑土上與土壤pH值高度相關(guān)。2.生態(tài)集約化管理下春玉米和夏玉米土壤真菌群落組成和多樣性的響應(yīng)。施用氮肥均降低了黑土和潮土真菌的多樣性。與FP相比,EI處理提高了黑土和潮土真菌類群的多樣性。潮土中的子囊菌和接合菌比黑土更為豐富,而擔(dān)子菌在黑土中更為豐富。主成分分析結(jié)果顯示,在EI和FP之間的OTU存在顯著區(qū)別,EI處理的真菌群落可歸為一類,而FP處理的真菌群落則歸為另一類。土壤NO_3~--N和pH是影響潮土和黑土真菌多樣性的關(guān)鍵環(huán)境因子。3.生態(tài)集約化下春玉米和夏玉米土壤氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)功能微生物的響應(yīng)。在兩類土壤中EI和FP處理下添加氮肥均提高了土壤的硝化潛勢(PNA)和反硝化潛勢(PDA)。與FP相比,EI處理降低了PNA和PDA。同樣,在EI和FP處理下與不施肥相比,添加氮肥均顯著增加了N循環(huán)相關(guān)的基因豐度,包括氨氧化古菌(AOA)、氨氧化細菌(AOB)、亞硝酸還原酶基因(nirS和nirK)和氧化亞氮還原酶(nosZ)。然而,與FP相比,EI處理減少了N循環(huán)相關(guān)的基因豐度。同時在兩類土壤中EI和FP處理下添加氮肥均顯著降低了nifH基因豐度,其中與FP處理相比,EI處理nifH基因豐度降低幅度較小。同時,在兩類土壤中PNA與AOA和AOB顯著相關(guān)。4.生態(tài)集約化下夏玉米種植體系土壤胞外酶和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。與FP相比,EI處理降低了C和N循環(huán)相關(guān)的胞外酶活性。與不施肥相比,施肥顯著降低了酚氧化酶和過氧化物酶的活性,施氮處理顯著提高了磷脂脂肪酸總量和細菌的相對豐度,且EI處理高于FP處理。土壤pH和土壤有機碳(SOC)是導(dǎo)致土壤細菌群落結(jié)構(gòu)差異的最重要因素,同時它們也是影響C和N循環(huán)相關(guān)胞外酶活性的環(huán)境因子。總之,生態(tài)集約化管理主要通過提高土壤微生物多樣性,降低土壤碳氮代謝強度而保障土壤健康,減少氮素損失,提高作物產(chǎn)量,是我國玉米生產(chǎn)體系可持續(xù)的養(yǎng)分綜合管理方法。
【學(xué)位單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S154.3;S513

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本文編號：2817230