土壤微生物调节植物种间互作和多样性—生产力关系的机制
土壤微生物调节植物种间互作和多样性—生产力关系的机制
【摘要】： 在自然生态系统和农田间套作系统中,随着植物多样性增加,系统生产力提高。以往的研究通常采用种间资源利用的生态位互补或种间互惠等机制解释此现象,近年来研究暗示生物因素,尤其是土壤微生物可能起到重要作用。理解土壤微生物调节种间互作和影响植物多样性-生产力关系的机制,对优化农田作物系统、提高作物产量和资源利用效率、发展绿色农业具有重要意义。本论文在室内模拟条件下,分别以间作和自然生态系统晚期演替植物混作为主要研究体系,结合植物-土壤反馈研究方法,通过接种丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)、土壤病原菌或不同土壤微生物区系,从以下四个方面展开研究:(1)不同磷梯度和水分条件下AMF对玉米/蚕豆种间互作和间作优势的影响;(2)AMF和小麦全蚀病菌(Gaeumannomyces graminis var.tritici)双接种对小麦/蚕豆种间互作的影响及对杂草的抑制作用;(3)AMF和全蚀病菌对小麦/蚕豆间作体系的反馈作用;(4)不同土壤微生物区系(AMF、农田土、草地土)对晚期演替植物物种互作和混作生产力的影响。主要结果如下:(1)玉米/蚕豆间作生物量高于单作平均生物量,形成了间作优势。低磷水平下(10mg kg-1),AMF(Funneliformis mosseae)对间作优势有显著影响,接种AMF处理间作生物量比单作高19.8%。接种AMF提高了间作玉米生物量,对蚕豆生物量影响不显著。高磷水平下(100mgkg-1),玉米/蚕豆的间作优势不受AMF处理影响。接种AMF提高了玉米单作和玉米/蚕豆间作的水分利用效率,且在低磷条件下效应较高;接种AMF对蚕豆水分利用效率无显著影响。表明在资源有限条件下,AMF参与的资源分化利用提高了玉米/蚕豆的间作优势。(2)接种全蚀病菌显著降低了单作和间作小麦地上部生物量和N、P吸收量,且在间作中下降幅度更大。接种全蚀病菌对蚕豆单作地上部生物量和N、P吸收量无显著影响,但补偿性提高了间作蚕豆的生长和养分吸收量。与不接种相比,接种全蚀病菌处理间作小麦地上部生物量降低31.0%,但间作蚕豆地上部生物量提高30.4%,维持了小麦/蚕豆体系生物量的稳定。不接种全蚀病菌时,小麦对灰灰菜处于竞争优势(竞争平衡指数>0)而对蚕豆处于竞争劣势(竞争平衡指数<0),但接种全蚀病菌显著降低了小麦相对另外两种植物的竞争能力。表明土壤病原菌对种间竞争关系的不对称性调节作用可起到稳定体系生产力和抑制杂草的作用。(3)在植物-土壤反馈试验中,接种全蚀病菌条件下,相比于小麦单作驯化土壤,在蚕豆单作和间作驯化土壤中小麦地上部生物量分别提高6.6%和4.9%,表现出负反馈效应。蚕豆在所有接种处理均为负反馈效应,表现为相比于蚕豆单作驯化土壤,小麦单作和间作驯化土壤中蚕豆地上部平均生物量分别提高3.7%和8.2%。在间作驯化土壤中小麦和蚕豆的生物量均高于自身单作驯化土壤,呈现正的间作遗留效应,且蚕豆的间作遗留效应高于小麦。表明小麦/蚕豆间作降低了小麦全蚀病菌和蚕豆潜在病原菌的负效应,促进了蚕豆在间作中的生长,表现出间作优势。(4)晚期演替植物Amorphacanescens(豆科)、Andropogon gerardii(禾本科草类)和Liatris pycnostachya(非禾本科草类)的生长依赖于土壤微生物,灭菌条件下三种植物的生长明显受到抑制。在农田和草地土处理中,随植物多样性增加,混作体系生产力提高,而AMF处理的影响不显著。随种植密度增加,Amorpha,Andropogon和Liatris地上部平均生物量表现为升高、降低和无显著变化的趋势,即分别为正、负和中性密度依赖效应。相对于单作,Andropogon与Amorpha和Liatris混作时,Andropogon地上部生物量、N和P吸收量显著增加,而Amorpha和Liatris生物量均显著降低。相比于AMF处理,农田和草地土中三种植物单作的土壤真菌和AMF群落结构差异显著。在农田和草地土中,相比于其它植物或混作驯化土壤,Andropogon地上部生物量在自身驯化土壤中较低,表现为负反馈效应,而Amorpha和Liatris分别为正反馈和中性反馈效应。表明土壤微生物多样性驱动了晚期演替植物多样性-生产力关系,Andropogon病原菌负效应的缓解和其它微生物(根瘤菌和AMF)调节的种间养分资源利用分化可能协同发挥了作用。综上所述,有益微生物(AMF和根瘤菌)可参与调节种间资源利用的分化促进间作优势的形成。土壤病原菌介导的补偿性竞争互作关系可通过提高相邻植物的生物量,补偿宿主植物生物量的损失。在间作和自然生态系统中,病原菌引起的宿主植物负反馈效应可能导致多样性体系生产力提高。本论文从土壤微生物角度探究植物-土壤-微生物互作,为合理筛选作物组合、优化种植体系,更好发挥间作或轮作优势提供了科学理论和基础。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
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