玉米平菇间作共生期内玉米叶片碳同化与土壤微生物多样性研究

论文摘要

东北地区是我国玉米的最大产区,尤其是吉林省的玉米产量占全国1/8,而吉林省玉米以单作为主,长期的单作使土地的综合生产能力下降,产量降低。近年来,间作、保护性耕作（如免耕、秸秆覆盖等）等种植模式得到普遍应用,有利于维持农田土壤肥力、提高作物产量。在生产实践方面,玉米间作平菇系统研究取得了丰硕的成果,但基础研究还比较薄弱,特别是对于吉林省中部玉米高光效保护性种植模式下,玉米平菇间作共生期间内玉米叶片碳同化与土壤微生物多样性相结合的研究甚少。本研究在中国科学院东北地理与农业生态研究所长春综合农业试验站设置了2种种植模式:单作玉米（C）和玉米平菇间作（CM）。测定玉米叶片的碳同化相关生理生态指标,并采用Illumina MiSeq高通量测序技术对土壤微生物多样性进行了分析。研究了玉米平菇间作处理对玉米叶片光合生理生态和土壤微生物群落多样性及结构的影响,阐明了间作模式下玉米叶片光合碳同化与微环境的关系、土壤化学性质与微生物丰度及群落结构的关系。主要结论如下:玉米平菇间作共生期（7/118/23）显著提高了玉米群体田间空气湿度和CO2浓度,改善了田间的小气候。与单作玉米相比,一、二茬菇间歇期间作田间空气湿度和CO2浓度呈现出下降趋势,差异明显缩小。玉米平菇间作对土壤化学性质产生了显著影响,且表现出明显的动态变化。一、二茬菇间歇期,间作显著提高了土壤pH,降低了有机质（SOM）、全氮（TN）、硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）的含量。采菇结束期,间作条件下土壤pH、SOM、TN均高于单作玉米。玉米平菇间作改变了土壤微生物群落结构,显著提高了细菌和真菌多样性,且促进了细菌的碳氮代谢。一、二茬菇间歇期,间作显著降低了鞘脂单胞菌属、罗河杆菌属的相对丰度。二茬菇期,间作显著增加了真菌可操作分类单元（OTU）丰富度、变形菌和细菌氨基酸代谢的相对丰度,显著降低茎点霉属、青霉菌属的相对丰度。采菇结束期,间作显著增加了细菌OTU丰富度、Shannon指数、浮霉菌和碳水化合物代谢的相对丰度。冗余分析表明,SOM和pH在细菌群落结构中起着关键作用;pH和TN对真菌群落分布有较大影响。相关分析表明,细菌Shannon指数与TN呈显著正相关,真菌Shannon指数则与TN、NO3--N、NH4+-N等呈显著负相关关系。玉米平菇间作提高了玉米叶片碳同化效率,为玉米生长中后期光合产物的积累奠定了基础,从而提高了玉米产量。一茬菇期,间作显著提高了玉米叶片的光系统Ⅱ最大光能转化效率（Fv/Fm）和二磷酸腺苷葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）活性;一、二茬菇间歇期,间作玉米的光合速率和苹果酸脱氢酶（MDH）活性显著高于单作玉米,且可溶性蛋白质、可溶性糖和淀粉含量积累增加。相关分析表明,玉米叶片Fv/Fm、可溶性蛋白含量与微环境参数（空气温度、CO2浓度）呈显著正相关关系。相对于单作玉米,2017年、2018年米菇间作下玉米净增产量为376 kg·hm-2和325kg·hm-2,平菇净增产量为16560 kg·hm-2、14064 kg·hm-2,土地当量比分别为2.5和2.4。本研究结果初步揭示了吉林省中部黑土区高光效保护性耕作种植模式下玉米平菇间作共生期内微环境变化及其对玉米叶片碳同化的影响,阐明了玉米平菇间作土壤微生物丰度及群落变化规律。玉米平菇间作为玉米群体提供合适的生长微环境;对土壤化学性质产生了显著影响,有利于改善土壤质量;改变了土壤微生物群落的结构,提高了细菌和真菌多样性,创造了有利的微生物生态环境;碳源增加,促进玉米中后期碳同化效率,增加了玉米产量。这为玉米间作平菇处理下的土地可持续利用和作物高产提供了参考理论和实践依据。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 间作群体微环境特征
•     1.2.2 间作系统对土壤理化性质和微生物的影响
•     1.2.3 间作系统对作物光合生理生态的影响
•     1.2.4 玉米种植模式研究现状
•   1.3 研究内容、技术路线和创新点
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
•     1.3.3 创新点
• 第2章 实验设计与方法
•   2.1 研究区概况
•   2.2 试验设计与方法
•     2.2.1 大田试验设计
•     2.2.2 测试方法
•     2.2.3 数据统计分析
• 第3章 结果与讨论
•   3.1 间作系统对玉米群体微环境的影响
•   3.2 间作系统对土壤化学性质的影响
•   3.3 间作系统对土壤微生物结构和多样性的影响
•     3.3.1 土壤细菌群落结构和多样性
•     3.3.2 土壤真菌群落结构和多样性
•   3.4 间作系统对玉米光合生理参数的影响
•     3.4.1 叶绿素
•     3.4.2 光合参数
•     3.4.3 荧光参数
•     3.4.4 光合作用5 种关键酶活性
•     3.4.5 光合生理参数与环境参数的相关性
•   3.5 间作系统对玉米碳代谢和产量的影响
•     3.5.1 玉米碳代谢关键酶活性
•     3.5.2 可溶性蛋白质、可溶性糖和淀粉
•     3.5.3 玉米产量构成因素和土地当量比
•   3.6 讨论
•     3.6.1 间作对土壤理化性质的影响
•     3.6.2 间作对土壤微生物群落的影响
•     3.6.3 土壤化学性质与土壤微生物群落结构的相关关系
•     3.6.4 间作对玉米群体微环境和叶片碳同化的影响
• 第4章 结论与展望
•   4.1 结论
•   4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨小琴

导师: 齐晓宁,王洋

关键词: 种植模式,微环境,测序,土壤微生物,碳同化

来源: 中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农艺学,农作物,园艺

单位: 中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)

分类号: S513;S154.3;S646.14

总页数: 77

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