摘要
华北平原长期单一的小麦（Triticum aestivum L.)-玉米（Zea mays L.)轮作下,过度施肥导致土壤硝酸盐积累、酸化等土壤质量下降，限制作物增产潜力充分发挥。大豆或者绿肥纳入轮作制度将增加作物和还田秸秆的多样性，减少化肥使用量，是克服单一轮作制度弊端的种植调控策略之一。土壤微生物群落结构受轮作制度、作物种类和绿肥管理等因素影响，但是关于种植制度转变过程中土壤微生物群落及其功能变化规律，特别是对作物产量的影响的认识尚少。因此，本研究以华北平原轮作定位联网试验平台（河南新乡、山东汶上和河南永城）为依托，开展多年粮豆轮作制度和绿肥种植定位试验。基于扩增子测序技术、高通量qPCR技术、原核分类群功能预测（FAPROTAX）、真菌功能预测（FUNGuild）和网络分析等方法，研究联网试验站点不同土壤类型下多种种植制度对土壤微生物多样性、群落组成和功能以及粮食产量的影响。本论文主要包括以下四个研究内容:（1）基于多年粮豆轮作制度试验，分析夏茬玉豆轮换对夏茬土壤细菌、真菌群落结构和功能以及粮食产量的影响，揭示土壤细菌、真菌群落影响粮食产量的关键途径;（2）对比冬绿肥种植系统与传统麦玉轮作系统，明晰冬绿肥替代一年后土壤真菌群落及其功能的短期变化，揭示土壤理化和真菌群落的响应关系;（3）基于不同土壤类型（新乡潮土、汶上黄棕壤和永城砂姜黑土）下冬夏绿肥种植系统联网试验，明晰冬夏绿肥替代一年后土壤理化性质、土壤微生物多样性及其功能的变化及土壤类型的影响，确定绿肥替代系统下土壤细菌和真菌群落变化的关键土壤理化因子;（4）在新乡典型试验区，对比冬夏绿肥种植系统与传统麦玉轮作，明晰绿肥替代四年后土壤碳氮磷硫循环群落的变化及其对粮食产量的影响，揭示土壤功能微生物群落影响粮食产量的关键途径。本论文主要结论如下: （1）明晰了夏茬玉豆轮换的轮作制度对土壤微生物和粮食产量的调控途径 夏茬玉豆轮换的轮作制度能够提高粮食产量、改变土壤细菌、真菌群落结构和功能组成，且玉米和大豆（Glycine max（L.）Merr.）增产的微生物调控途径相反。与8年麦玉轮作（麦玉8年）相比，4年麦豆+4年麦玉轮作（麦豆4年+麦玉4年）持续增加了2017-2021年的玉米产量（2017年为转换开始年），而小麦增产延后;与8年麦豆轮作（麦豆8年）相比，4年麦玉+4年麦豆轮作（麦玉4年+麦豆4年）持续增加了2017-2021年的小麦和大豆产量;与麦玉8年相比，麦豆4年+麦玉4年通过减少农田碳氮投入量，使得土壤可溶性有机碳含量和腐生真菌增加，土壤有机碳/全氮比值、硝态氮和细菌alpha多样性减少，进而促进小麦和玉米产量的增加;与麦豆8年相比，麦玉4年+麦豆4年通过增加农田碳氮投入量，减少土壤可溶性有机碳和铵态氮含量，而增加土壤有机碳/全氮比值、硝态氮含量、真菌alpha多样性和关键微生物丰度,进而促进小麦和大豆的连续增产。 （2）揭示了冬绿肥替代一年后土壤真菌群落结构和功能组成的短期变化规律 冬绿肥替代系统转变的第一年，冬绿肥替代系统增加了土壤真菌alpha多样性、土壤腐生真菌和共生真菌的相对丰度，降低了土壤致病真菌的相对丰度。冬绿肥覆盖作物（毛叶苕子（Vicia villosa Roth）、毛叶苕子与黑麦草（Secale cereale L.）和对照冬休耕）显著改变玉米种植体系的土壤真菌beta-多样性，但是其影响被后茬大豆种植体系所抵消，差异不明显。受共生真菌（Podospora）丰度增加的影响，毛叶苕子-大豆轮作制度（豆科-豆科轮作）的真菌alpha-多样性最高。毛叶苕子和黑麦草混合种植对土壤致病真菌（Alternaria、Gibberella、Exserohilum 和 Microdochium）的抑制作用最大，并且玉米种植体系高于大豆。绿肥地上部生物量、土壤含水量、全氮、铵态氮、硝态氮、速效钾和有机碳/全氮比值是土壤真菌alpha-多样性的主要预测因子。 （3）确定了冬夏绿肥替代一年后不同土壤类型下影响土壤细菌、真菌多样性、群落结构及其功能的关键环境因子 土壤类型、绿肥轮作（毛叶苕子-玉米轮作系统、小麦-玉米/牧草豆系统和无肥麦玉轮作）及其交互作用显著改变了土壤细菌和真菌的beta-多样性，土壤质地、土壤pH、含水量、有机质、全氮、硝态氮和速效磷是影响土壤细菌和真菌群落结构的关键环境因子。不同绿肥替代系统下，土壤pH、含水量、有机碳和有机碳/全氮比值是共同驱动三种土壤类型的土壤细菌和真菌的beta-多样性的关键环境因子。不同土壤类型的土壤微生物的功能组成有较大差异，其中新乡潮土和永城砂姜黑土的土壤氮循环功能细菌丰度显著高于汶上黄棕壤，而其致病细菌丰度显著低于汶上黄棕壤;新乡潮土和汶上黄棕壤的土壤致病真菌和共生真菌丰度显著高于永城砂姜黑土。不同土壤类型下，绿肥替代系统对土壤微生物的功能组成的影响有差异。新乡潮土中绿肥轮作系统（毛叶苕子-玉米轮作系统和小麦-玉米/牧草豆系统）的土壤腐生真菌和共生真菌丰度高于麦玉轮作，而致病真菌丰度相反;汶上黄棕壤中绿肥替代系统的腐生真菌丰度高于麦玉轮作，而氮循环功能细菌和致病真菌丰度相反;永城砂姜黑土中绿肥替代系统的腐生真菌和致病真菌丰度高于麦玉轮作，而氮循环功能细菌丰度相反。 （4）阐明了冬夏绿肥替代四年后土壤碳氮磷硫循环群落的变化及其恢复粮食产量的调控途径 与无肥麦玉轮作相比，毛叶苕子-玉米轮作系统和小麦-玉米/牧草豆（Glycine soja Sieb.et Zucc)系统的粮食产量逐渐恢复，且毛叶苕子-玉米轮作系统的长期恢复效应最好，表现为3年后的玉米产量（9874.2kg ha-1-10971.6kg ha-1）与传统麦玉（10683.0 kg ha-1）相当。与无肥麦玉相比，毛叶苕子-玉米轮作和小麦-玉米/牧草豆轮作制度都通过增加农田氮投入，降低农田碳投入，使更多固碳的微生物(acsA和pccA)参与秸秆的腐解和土壤有机质的形成过程，进而增加土壤有机碳和全氮含量，这些过程有助于小麦和玉米产量的逐渐恢复。不同之处是毛叶苕子-玉米轮作制度下，秸秆分解过程需要消耗大量速效氮，进而减少了土壤速效氮的积累和土壤的反硝化过程（narG、nosZ1和nosZ2）;而小麦-玉米/牧草豆轮作制度下，高土壤有机碳和有机碳/全氮比值抑制了固氮微生物（nifH）生长。
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