綜合新聞

東北地理所在保護性耕作土壤微生物群落網(wǎng)絡及裝配機制研究取得進展

文章來源:東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所    |    發(fā)布時間:2021-11-05    |    【放大】 【縮小】  |  【打印】 【關閉

  東北黑土是我國重要的土壤資源,在保障國家糧食安全和生態(tài)安全上具有重要地位。然而由于長期不合理的傳統(tǒng)農業(yè)耕作模式,導致土壤侵蝕、土壤有機質下降、土壤養(yǎng)分和水分庫容變小,土壤退化問題嚴重。近年來,以減少耕作頻率及秸稈還田為核心的保護性耕作技術被廣泛應用,保護性耕作通過增加外源有機物輸入、減少土壤擾動,有效降低了土壤侵蝕強度,促進了土壤有機質的形成與穩(wěn)定,保障了農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展。土壤微生物是土壤-植物系統(tǒng)能量流的主要驅動者,其通過調節(jié)土壤生物地球化學循環(huán)和植物對養(yǎng)分的吸收過程,在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。因此,開展土壤微生物對耕作方式的響應機制研究,對優(yōu)化合理耕作措施,改善土壤生態(tài)環(huán)境意義重大。 

  東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所農田分子生態(tài)學科組和黑土有機碳與保護性耕作學科組,對免耕(NT)、少耕(RT)和傳統(tǒng)耕作(MP)處理下土壤微生物群落組成、裝配過程和分子網(wǎng)絡結構進行解析,探討了保護性耕作下黑土農田土壤微生物群落結構演替及發(fā)生機制對土壤質量和作物生產力的影響。研究結果表明,不同耕作方式顯著改變了根際和非根際土壤微生物群落,與傳統(tǒng)耕作MP相比,保護性耕作NTRT顯著增加了硝化菌Nitrosospira sp.和固氮菌Mesorhizobium sp., Bradyrhizobium sp.Burkholderia sp.相對豐度,但降低了具有有機質物分解功能的Blastococcus sp., Streptomyces sp.Sphingomonas sp.相對豐度。網(wǎng)絡分析和隨機森林分析發(fā)現(xiàn),上述功能菌在NTRT處理中被注釋為關鍵物種(keystone taxa),這表明保護性耕作更有助于土壤碳固定,并促進土壤的生物固氮和硝化作用(圖1)。 

  耕作方式顯著改變了土壤微生物群落的裝配過程。MP處理下細菌群落裝配的隨機過程,特別是同質性擴散(homogenizing dispersal),顯著高于NTRT,這可能是由于MP較強的土壤擾動,導致微生物的擴散速率增加(圖2)。微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡表明,RTNTMP形成更穩(wěn)定的網(wǎng)絡結構,且RT有助于提高關鍵物種(keystone taxa)介導的土壤養(yǎng)分有效性,緩解植物病原菌的生態(tài)風險,而MP網(wǎng)絡中的核心物種大多為潛在的植物病原菌。結構方差模型(SEM)分析結果顯示,MP處理引起潛在病原微生物及相互間正向關聯(lián)性作用,而RT處理具有較穩(wěn)定的微生物網(wǎng)絡結構,無效的病原菌傳播路徑減少,導致RT產量高于MP(圖3)。 

  相關研究成果分別發(fā)表在Agriculture, Ecosystems and EnvironmentFrontiers in MicrobiologyPlant and Soils上。研究得到中國科學院先導A“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)專項(XDA28070302)、中國科學院前沿科學重點研究計劃項目(QYZDB-SSW-DQC035)和國家自然科學基金項目(42177105)聯(lián)合資助。 

1 不同耕作方式土壤微生物共線性網(wǎng)絡分析圖譜

 

2不同耕作方式土壤細菌群落裝配過程分析圖譜

  

3 不同耕作方式土壤理化與關鍵物種影響作物產量的結構模型圖譜   

  論文信息: 

  Xiaojing Hu, Aizhen Liang*, Qin Yao, Zhuxiu Liu, Zhenhua Yu, Guanghua Wang, Junjie Liu*. Ridge tillage improves soil properties, sustains diazotrophic communities, and enhances extensively cooperative interactions among diazotrophs in a Clay Loam soil. Frontiers in Microbiology. 2020, 11: 1333. 

  Xiaojing Hu, Junjie Liu*, Aizhen Liang, Lujun Li, Qin Yao, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Jian Jin, Xiaobing Liu, Guanghua Wang*. Conventional and conservation tillage practices affect soil microbial co-occurrence patterns and are associated with crop yields. Agriculture, Ecosystems and Environment. 2021, 319: 107534. 

  Zhuxiu Liu, Haidong Gu, Aizhen Liang, Lujun Li, Qin Yao, Yanxia Xu, Junjie Liu*, Jian Jin. Xiaobing Liu, Guanghua Wang. Conservation tillage regulates the assembly, network structure and ecological function of the soil bacterial community in black soils. Plant and Soil. DOI: 10.21203/rs.3.rs-580080/v1.