[00143044]黄土高原雨养农业区土壤微生物多样性对苜蓿种植年限的响应

1、课题来源与背景 西部黄土高原丘陵沟壑区是中国乃至世界上水土流失最严重的区域之一。以小麦禾谷类作物单作为主的传统农业生产系统和自然资源过度利用是引起水土流失的主要原因。紫花苜蓿根系具有很强的根瘤固氮作用,且其根瘤菌和须根可增加土壤有机质,改善土壤结构。因此,作为退耕还林还草的主要草种,苜蓿在黄土高原地区种植面积逐年扩大,并对于该区的脆弱生态修复和土壤质量提高起着极为重要的作用。为此,本研究试通过探讨不同生长年限紫花苜蓿土壤水分和营养物质与微生物群落和功能多样性的关系,明确驱动土壤质量变化和苜蓿产草量下降的主控因子和微生物响应机制,为西部黄土高原苜蓿草地的合理利用和苜蓿适宜种植年限的确定提供理论参考。 《黄土高原雨养农业区土壤微生物多样性对苜蓿种植年限的响应》（18JR3RA175）是甘肃省科技厅2018年下达立项的甘肃省自然科学基金项目,项目编号为18JR3RA175,资助经费5.00万元项目,起止时间为2018年7月至2020年6月。 2、研究目的与意义 本研究依托长期定位试验,从苜蓿草地土壤微生物的时间和空间变异特性入手,通过分析不同种植年限紫花苜蓿地土壤水分、碳、氮的差异以及土壤微生物功能与群落多样性,探讨土壤水分和营养物质与微生物多样性变化的关系,明确驱动土壤质量和苜蓿产草量变化的主控因子和微生物响应机制,为西部黄土高原苜蓿草地的可持续利用和适宜种植年限的确定提供理论参考。 3、主要论点与论据 （1）采用细菌16S rRNA高通量测序技术探究了土壤细菌群落分布格局与演替特征,结果表明黄绵土区门水平优势菌群为放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）。放线菌门、变形菌门和绿弯菌门相对丰度表现为农田高于苜蓿土壤,且放线菌相对丰度随种植时间延长呈降低趋势,变形菌和绿弯菌门相对丰度随苜蓿种植时间的延长先增加后降低;酸杆菌门相对丰度在农田和苜蓿地无明显差异。黄绵土属水平优势类群包括Gaiella属、硝化螺菌属（Nitrospira）、假节杆菌属（Pseudarthrobacter）和Solirubrobacter属。与农田相比,苜蓿土壤Solirubrobacter属相对丰度显著增加。 （2）采用ITS rRNA高通量测序技术探究土壤的真菌群落结构组成及分布特征,结果表明苜蓿土壤共检测到6门23纲71目148科291属,其中优势门为子囊菌门、接合菌门、担子菌门,其中L2005处理的接合菌门和担子菌门相对丰度显著高于L2003和L2012处理;已分类的优势属为刺孢属（Phaeomycocentrospora）、白僵菌属（Beauveria）和被孢霉属（Mortierella）,且随着苜蓿种植年限的延长,表层土壤中的促生菌含量逐渐下降,部分病原菌含量逐渐增加。 （3）PICRUSt功能预测表明,黄绵土细菌菌群共有46个子功能,其中代谢为最主要的功能,占比为69.20%～70.22%;苜蓿土壤代谢、遗传信息处理、生物体系统功能基因丰度均显著高于农田土壤,具体表现在碳水化合物代谢、外源物质降解及代谢、萜类和酮类化合物代谢、内分泌系统、神经系统和物质依赖功能基因。 （4）FUNGuild功能预测分析表明,苜蓿土壤真菌共有9个营养类型和40个功能群,其中病理营养型和腐生营养型所占比较高,并且随着苜蓿种植年限延长逐渐升高,而共生营养型真菌的丰度主要受到全磷和硝态氮的影响。 4、创见与创新 本研究开展了不同种植年限苜蓿土壤微生物群落结构和多样性研究,并在黄绵土区首次采用细菌PICRUSt功能预测和真菌FUNGuild功能预测,为后续开展土壤宏基因组研究奠定了基础。 5、社会经济效益,存在的问题 针对黄土高原雨养农业区多年生苜蓿连续种植引起的土壤干燥化和苜蓿产量下降问题,本研究从苜蓿草地土壤微生物的时间和空间变异特性入手,通过分析不同种植年限紫花苜蓿地土壤水分、碳、氮的差异以及土壤微生物功能与群落多样性,探讨了土壤水分和营养物质与微生物多样性变化的关系,为西部黄土高原苜蓿草地的可持续利用和适宜种植年限的确定提供了理论依据,丰富了草地农作系统的基础理论。 本研究初步开展了苜蓿土壤微生物群落结构和多样性研究,未能深入到土壤微食物网视角探究微生物如何驱动土壤C、N素转化。因此,今后应加强与土壤C、N素转化有关的微生物生理类群相关研究,通过网络拓扑分析紫花苜蓿土壤微食物网中存在关键物种,以期深刻揭示半干旱区土壤水分亏缺状况下土壤微生物代谢对土壤C、N的调控机制。 6、历年获奖情况 无。