【摘要】：在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),低水多變的土壤環(huán)境是春小麥生長的最大制約因子,地膜覆蓋和施加化肥為主的旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)從一定程度上提高了作物產(chǎn)量和水分利用效率,但導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,水生產(chǎn)力還有較大的提升空間,研發(fā)環(huán)境友好型的水土管理和生態(tài)修復(fù)技術(shù)成為目前人們關(guān)注的熱點。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是一類植物專性營養(yǎng)共生微生物,前期研究表明AMF能提高植物根系水分和養(yǎng)分吸收和利用,有利于植株生長和土壤養(yǎng)分循環(huán),具有顯著的生產(chǎn)和生態(tài)效應(yīng)。然而,AMF能否對旱地春小麥起到類似的促進作用?能否融合到地膜覆蓋技術(shù)中發(fā)揮更佳效果?對土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量是否有積極促進作用?其生理生態(tài)機理如何?對上述問題的回答需要系統(tǒng)的實驗驗證。本研究以從澳大利亞西部小麥帶土壤中分離到的三種AMF菌種為接種源,包括光壁無梗囊霉(Acaulospora laevis,ID:Sunsex)、根內(nèi)球囊霉(Glomus intraradices)和單孢球囊霉(Glomus monosporum,ID:WUM11),在甘肅省榆中縣實驗站從2011 2015年開展了盆栽和大田實驗,進行系統(tǒng)性的觀測和研究,以期回答以上問題。盆栽實驗以六倍體栽培品種L8275、四倍體栽培品種DM31和二倍體栽培品種MO4為實驗材料,通過設(shè)置不同水分梯度,揭示AMF接種條件下不同倍體小麥水分利用、產(chǎn)量差異、進化特征及根冠通訊機理。大田實驗以六倍體栽培品種L8275為實驗材料,開展如下三個相對獨立但又緊密聯(lián)系的實驗:1)將三種AMF分別單一和混合接種條件下,研究春小麥水分利用、生長、生物量積累和產(chǎn)量形成、根際土養(yǎng)分和可培養(yǎng)微生物類群的變化;2)裸地和地膜覆蓋條件下,探討春小麥水分利用、生長、生物量積累和產(chǎn)量形成的特征。3)地膜覆蓋條件下,研究接種三個不同AMF菌種(單一和混合接種)對春小麥水分利用、生長、生物量積累和產(chǎn)量形成及土壤養(yǎng)分和微生物多樣性的影響。主要得出如下結(jié)論:1.接種三種AMF均能顯著提高六倍體春小麥(L8275)的生長和籽粒產(chǎn)量,接種光壁無梗囊霉(AL)和根內(nèi)球囊霉(Gi)能顯著提高四倍體春小麥(DM31)的生長和籽粒產(chǎn)量,并提高二倍體春小麥(MO4)的千粒重,有利于提高不同基因型小麥對干旱的適應(yīng)策略,表明本研究所選AMF適用于旱地春小麥。不同AMF對不同基因型小麥的生理生態(tài)和生長特征的影響存在一定的差異,綜合分析,光壁無梗囊霉(AL)對提高不同基因型小麥的干旱適應(yīng)策略優(yōu)于根內(nèi)球囊霉(Gi);三種AMF對六倍體春小麥(L8275)的抗旱促生增產(chǎn)效果為GmALGi。2.不論干旱年份還是濕潤年份,不論單接種還是混合接種AMF,均能改善不同時期小麥的生長、顯著提高小麥菌根侵染率和籽粒產(chǎn)量。AMF通過改善產(chǎn)量形成因素(分蘗數(shù)、有效穗、穗粒數(shù)和穗粒重等),增加了繁殖分配,改善R-V指數(shù),而顯著提高收獲指數(shù)和籽粒產(chǎn)量。表明從西澳引進的AMF對旱地田間春小麥(L8275)同樣具有促生、增產(chǎn)效果。3.大田生產(chǎn)條件下,分別添加AMF對兩個年份根際土養(yǎng)分和5類可培養(yǎng)微生物類群的影響結(jié)果顯示,添加AMF處理顯著影響了根際土微生物類群的數(shù)量,不同微生物類群與土壤養(yǎng)分存在顯著的相關(guān)關(guān)系;接種AMF有利于土壤水分的吸收利用和恢復(fù);AMF處理提高全氮和有效鉀的含量,但整體上降低根際土有機質(zhì)和有效磷的含量,不利于半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤的可持續(xù)性。主成分分析結(jié)果顯示,2014濕潤年份和2015干旱年份降雨量對根際土養(yǎng)分和微生物類群的影響效應(yīng)高于AMF處理,表明水分是影響半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)“根際養(yǎng)分 根際微生物 AMF 寄主植物之間相互作用”的主要限制因素,添加AMF對根際微生物、水分和養(yǎng)分發(fā)揮微調(diào)控效應(yīng)。該研究有助于揭示根際養(yǎng)分 根際微生物 AMF 寄主植物之間相互作用的根際過程。4.地膜覆蓋條件下添加外源AMF,在地膜覆蓋的基礎(chǔ)上,不論干旱年份還是濕潤年份均進一步提高了凈經(jīng)濟產(chǎn)出。2014年添加AMF與僅地膜覆蓋處理相比,凈收入顯著提高了45% 125%,與裸地處理相比,凈收入顯著提高了90% 195%;2015年添加AMF與僅地膜覆蓋處理相比,凈收入顯著提高了61% 96%,與裸地處理相比,凈收入顯著提高了453% 576%,表明干旱條件下,添加AMF更能保產(chǎn)增加收益。與此同時,添加AMF與僅地膜覆蓋處理相比,2014年土壤有機碳含量提高了16.5%,2015年提高了1.9%,表明添加AMF還能提高土壤碳的周轉(zhuǎn)和恢復(fù)的能力,有利于旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。5.地膜覆蓋條件下添加外源AMF與地膜覆蓋兩種農(nóng)藝措施均能提高旱地農(nóng)田生產(chǎn)力,但兩者的促生增產(chǎn)機制不同:與裸地接種AMF效果相同,兩個年份接種地膜覆蓋條件下添加外源AMF均使異速生長指數(shù)趨于0.9 1.0(0k1),有利于生物量的穩(wěn)定分配,此時作物的繁殖輸出隨著個體大小的增加而增加;同時也促使R V指數(shù)趨向1.0,更有利于穩(wěn)定的繁殖輸出。而地膜覆蓋雖然也促使R V指數(shù)趨向0.9 1.0,有利于穩(wěn)定的繁殖輸出;但是對小麥異速生長指數(shù)影響不大。地膜覆蓋條件下添加外源AMF在地膜覆蓋的基礎(chǔ)上進一步提高小麥地上生物量,更有利于小麥籽粒形成和產(chǎn)量的提高。6.在裸地和地膜覆蓋條件下,分別添加AMF對兩個年份根際土養(yǎng)分影響的實驗結(jié)果顯示,兩個年份裸地添加AMF,均降低根際土有機質(zhì)含量;而兩個年份地膜覆蓋條件下添加AMF,均能提高根際土有機質(zhì)含量。而且地膜覆蓋條件下添加外源AMF均提高了根際土放線菌、座囊菌的群落組成和AMF的多樣性,有利于根際土養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)和水分的吸收,同時還有利于改善土壤質(zhì)量。而且通過叢枝菌根真菌多樣性分析,進一步確認(rèn)了添加的AMF已經(jīng)在根際定殖并發(fā)揮作用。表明地膜覆蓋條件下添加外源AMF這一農(nóng)藝措施更有利于土壤的可持續(xù)發(fā)展。綜上所述,本研究通過盆栽控水實驗和大田實驗,驗證了從西澳大利亞小麥帶土壤中分離到的三種AMF菌種對黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的旱地春小麥均有促生增產(chǎn)效應(yīng)。盆栽控水實驗從AMF接種對小麥氣體交換參數(shù)、膜損傷、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、氧化酶活性和激素(ABA)等方面的影響,揭示了干旱脅迫下AMF對不同倍體春小麥的促生增產(chǎn)機理。而大田實驗回答了AMF接種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的促生增產(chǎn)機理和可行性,特別是AMF接種融合地膜覆蓋技術(shù),在地膜覆蓋的基礎(chǔ)上不但能進一步提高小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟收益,而且增加了土壤有機碳含量、改善土壤微生物多樣性和功能、提高土壤質(zhì)量,有利于半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。
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【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S512.1
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本文編號：2288995