论文部分内容阅读
农田生态系统是经历频繁的化肥投入和作物覆盖变化的动态系统。当前农业中化肥的大量施用降低了土壤有机质水平、加剧养分损失、破坏土壤生物群落结构和功能,尤其是抑制了与作物生长相关的有益微生物的发展,而适量均衡的化肥投入则能提高土壤生物功能从而促进土壤健康。为此,在目前的农业管理中已产生很多用来提升土壤生物功能和土壤健康的有益措施。种植绿肥能够提高土壤有机质水平、增强养分蓄持能力、增加作物养分利用率、促进土壤生物多样性及功能,从而有助于提高农业生态系统的稳定性。因而,粮食作物-绿肥轮作系统被认为是一种能够发挥土壤生物促进养分循环和作物生长等功能的可持续农业措施。但当前缺乏对这一种植制度下氮磷互作对土壤有益微生物群落特征影响的认识,尤其是缺乏绿肥植物生长介导的有益微生物和氮磷养分固持对后茬粮食作物影响的研究。鉴于此,本研究以夏玉米-冬绿肥毛叶苕子(Vicia villosa Roth)种植制度为基础,通过双因素交互设计调控氮磷化肥的用量(4个氮素水平0、120、240、360 kgN ha-1)和(2个磷素水平0和90 kg P2O5 ha-1),选择丛枝菌根真菌和固氮细菌作为植物有益微生物的代表,在田间条件下对三季玉米(包含两次绿肥的种植还田)进行了植株和土壤采样,测定了土壤pH、有机碳和养分状况、作物养分吸收和产量等指标,以期了解氮磷互作下植物有益微生物的响应、特别是绿肥阶段所影响的有益微生物、土壤有机碳和养分归还对粮食作物养分吸收和产量的影响。结果表明:(1)施加氮肥和磷肥均显著影响玉米的菌根侵染率,氮磷的交互作用会显著影响丛枝菌根真菌的OTU数量,并都依赖于采样时间。研究的第2年,与不施磷肥相比,在N360下磷肥使玉米菌根侵染率显著降低,可能是磷与高量氮肥导致的土壤pH降低和高硝态氮含量形成较强的交互作用。在研究的第3年,施氮量增加降低了玉米菌根侵染率。不论采样时间,不施磷肥时,丛枝菌根真菌的OTU数量随施氮量增加而降低。而施加磷肥时,在研究的第2年,N240水平相比不施氮肥显著提高了 OTU数量,在研究的第3年,随着施氮量增加,OTU数量没有显著降低,这与绿肥季固氮菌多样性改变和丛枝菌根真菌球囊霉属相对丰度的提高所形成的缓冲作用有关。(2)施加氮肥和磷肥均显著影响固氮菌的OTU数量(p<0.05),两者的交互作用会显著影响固氮菌的多样性(p<0.05)。研究的第3年玉米季,不施磷肥时,与不施氮肥相比,固氮菌的OTU数量和多样性在N360水平下显著降低,而在施磷肥时,施加氮肥对其没有显著影响。相关分析表明,两年玉米季的固氮菌多样性的改变与土壤pH降低有关。(3)在研究的第2年玉米季,不施加磷肥时,网络复杂程度随施氮量增加呈先增加后降低的趋势,且在N240水平下最高。施加磷肥时,网络复杂程度随施氮量增加逐渐降低。同时在N240水平下丛枝菌根真菌和固氮菌群落之间正的相互作用更强。研究的第3年玉米季,不施加磷肥时,随着施氮量增加,网络复杂程度降低,模块化系数增加,两种有益微生物正的相互作用有降低趋势。施加磷肥时,随施氮量增加网络复杂程度逐渐降低,但两种有益微生物正的相互作用有增强趋势。(4)不论是否施用磷肥,随着施氮量的增加,研究的第2年,玉米籽粒产量呈增加趋势;研究的第3年呈先增加后降低的趋势,并在N120水平时产量最高。施加磷肥时,两年玉米的氮素利用率均随施氮量增加而降低,在N120水平时最高,相关分析表明,这主要与低氮水平下土壤pH较高、矿质氮含量较低以及丛枝菌根真菌的侵染率和多样性较高有关。两年的玉米茎叶和根系吸氮量均随施氮量增加而增加,茎叶吸氮量的提高与施氮导致的绿肥碳氮比增加和氮素归还量降低密切相关,根系吸氮量的提高与施氮导致的绿肥磷素归还量增加有关。(5)结构方程模型表明,施加氮肥直接影响以及通过影响绿肥季的有益微生物多样性和绿肥氮磷归还量间接影响了玉米季土壤pH、矿质氮含量,进一步影响丛枝菌根真菌多样性,继而影响玉米氮素利用率。施加氮肥直接以及通过改变绿肥季有益微生物多样性和绿肥氮磷归还量间接提高了玉米的氮素吸收量。总之,本研究表明氮磷用量和交互作用受到绿肥的强烈缓冲作用。通过测定绿肥的生长和土壤性质,有助于理解氮磷施用在绿肥种植后对主作物养分吸收和有益微生物群落的影响机制,为作物-绿肥轮作体系下减肥管理措施的制定提供理论基础。