施氮水平对青贮玉米根系空间微生物组成及氮素利用影响机制的研究

来源 :内蒙古大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yu23344
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针对内蒙古中部地区青贮玉米氮素利用低效、生物产量少,以及施氮水平对土壤生物特性与根系空间微生物群落组成的影响机制不明确等问题,本试验于2018-2019年,以“种星青饲1号”为供试材料,研究六个施氮处理(N0、N8、N12、N16、N20、N24,分别为0、120、180、240、300、360 kg N hm-2)下青贮玉米田土壤理化性状、微生物学特性、植株产量、品质形成以及氮素转移利用的差异性。同时,利用高通量测序与生物信息学相结合的方法,探索青贮玉米根系空间(非根际土壤、根际土壤和根内)细菌以及真菌群落对施氮量的响应,以期揭示青贮玉米氮素利用调控机制,明确滴灌条件下青贮玉米最佳施氮量和较经济的氮素利用效率,为内蒙古中熟区青贮玉米高产优质高效生产提供理论依据。主要结果如下:(1)施入氮肥不同程度地增加了青贮玉米田土壤酶活性及微生物量,从而有效促进了土壤氮素的分解及微生物对碳和氮的固持。随着生育期的推进,青贮玉米田土壤酶活性及微生物量总体呈先增加后降低的变化趋势,最大值分布在大喇叭口期–抽雄期,且相比0~20 cm土层,较深的土层增加了过氧化氢酶活性的同时降低了脲酶活性及微生物量碳、微生物量氮含量。N16处理能有效促进土壤中酶活性及微生物量的增加,施氮过多抑制了土壤酶活性与微生物的生长繁殖。(2)不同施氮量显著影响了青贮玉米根系不同空间结构微生物的丰度、多样性以及群落的组成,且真菌群落是青贮玉米各空间结构中对氮肥最敏感的微生物群落。从非根际-根际-根内,微生物群落丰度以及细菌群落多样性越低,氮肥对细菌以及真菌群落组成影响强度也随着空间结构的内移逐渐减弱,但相比非根际以及根际土壤中细菌群落,根内细菌群落间联系更加紧密,群落间竞争减弱。本研究检测到分别占整个差异菌群26.95%、22.70%的细菌及真菌群落在N16处理下富集,在短期施入氮肥的条件下,施氮量为240 kg N hm-2时,有助于加强微生物之间的联系从而提高对环境的适应性,而更高施氮水平则会减弱这种联系。(3)施入氮肥会不同程度增加拔节期~收获期青贮玉米株高、鲜重及干物质量,同时提高青贮玉米干物质积累速率,延后快速增长期。2018年、2019年施氮处理的干物质积累最大增速分别较对照高出25.45%~135.91%、22.51%~59.16%。2018年N16、N20及N24最大增速及平均增速分别在4.71~5.92g·d-1·株-1及4.13~5.19 g·d-1·株-1;2019年N12、N16及N20处理最大增速及平均增速分别在4.35~5.43 g·d-1·株-1及4.96~6.20 g·d-1·株-1。苗期到大喇叭口期,茎在干物质量中的分配比例不受到施氮量的影响,抽雄期到收获期,N16及N20处理更有利于茎、叶中积累的干物质向生殖器官转运。在收获期,青贮玉米生物鲜重及生物产量在N16处理最高,2018年及2019年生物鲜重分别为91.63 t·hm-2、79.06 t·hm-2,生物产量分别为38.75 t·hm-2、31.96 t·hm-2。(4)施入氮肥不同程度改善了青贮玉米各项光合指标,有助于光合产物的累积。随着玉米的生长发育,叶面积指数、叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度呈现为抽雄期>大喇叭口期>拔节期>苗期的变化趋势。随着施氮水平的增加,胞间CO2浓度呈先降低后升高的变化趋势,其余各项光合指标呈先增加后降低的变化趋势,并且最大值主要分布在N16处理。在青贮玉米生长旺盛的抽雄期,N16处理在2018、2019年净光合速率最高,分别为36.30、39.31μmol·m-2·s-1。青贮玉米鲜重及干物质量与光合指标间紧密相关,其中叶面积指数是影响青贮玉米光合干物质生产的重要因素。(5)施入氮肥不同程度地提高了青贮玉米的营养品质。施氮量在0~240 kg N hm-2内,粗蛋白、粗脂肪、淀粉含量及相对饲用价值随着施氮量的增加而增高,但超过240 kg N hm-2后,再增加施氮量,各项品质指标逐渐降低;施入氮肥不同程度地增加了酸性洗涤纤维及中性洗涤纤维含量。青贮玉米生物鲜重、生物产量与粗蛋白、粗脂肪、淀粉含量以及相对饲用价值间呈显著正相关(P<0.05),与酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维呈负相关。(6)施入氮肥显著提高了青贮玉米氮素积累量,适宜的施氮量有助于植株氮素的积累及青贮玉米田土壤氮素的平衡,减少氮肥损失量。青贮玉米田土壤氮素含量在大喇叭口期最高,从拔节期到收获期,施氮量在240~300 kg N hm-2,可以满足青贮玉米植株对氮素的需求,过量施氮会造成植株氮素积累量降低且氮素冗余于土壤中。不同施氮水平下青贮玉米植株氮素积累量随生长期的延长逐渐增高,且与生长天数呈二次项型正相关增长,其中N16及N20处理呈近线性增加趋势。N16处理下,植株氮素积累量(Y)和生长天数(X)间的回归方程为YN16=0.0125X2+1.1980X–12.1476。氮肥农学利用率在2018年N16处理最高,为73.68 Kg·Kg-1,2019年N8、N12及N16处理氮肥农学利用率高于其他高氮水平处理,且相互间无显著差异。因此N16处理能够更有效地利用施入的氮肥,而过量施入氮肥会造成氮素的损失。综上所述,通过两年连续氮肥定位试验表明,施用氮肥通过改变土壤酶活性、微生物量及植株氮素积累量,来影响青贮玉米净光合速率,进一步改变整株鲜重而影响青贮玉米产量及饲用品质。青贮玉米施氮量为240 kg N hm-2时,土壤微生物量及酶活性处于较高水平,更有助于微生物对碳和氮的固持以及植株内氮素的积累,进而改善了青贮玉米光合性能、产量和营养品质,并提高了青贮玉米的氮肥利用效率。因此在内蒙古中部地区滴灌条件下,青贮玉米最佳施氮水平为240 kg N hm-2。
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