東北地理所在黑土區(qū)秸稈還田影響大豆氮吸收及產(chǎn)量形成的研究中取得重要進(jìn)展
全球農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量約為每年50億噸。作物殘?bào)w還田不僅有利于改善土壤的物理、化學(xué)和生物特性，還能為下一季作物提供營養(yǎng)物質(zhì)。并且可通過減少化肥施用量來緩解土壤和水源的污染問題。玉米是我國主要糧食和飼料作物，每公頃玉米每年平均產(chǎn)生11.8噸秸稈，可以提供40-80公斤的氮素。
玉米-大豆輪作是東北黑土區(qū)主要的種植模式。然而，由于植物-土壤-微生物之間的相互作用，玉米秸稈還田如何改變大豆氮吸收模式仍不清楚；量化下一季大豆對(duì)玉米秸稈氮的利用，對(duì)于優(yōu)化氮肥的施用策略，促進(jìn)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。為此，中國科學(xué)院東北地理所的研究人員于2013年在黑龍江省海倫市設(shè)立田間定位試驗(yàn)，基于玉米-大豆輪作體系，在玉米生長(zhǎng)季正常施用化肥，研究了大豆生長(zhǎng)季（1）不施肥（2）施用化肥和（3）玉米秸稈還田對(duì)大豆氮吸收及產(chǎn)量形成的影響。結(jié)果表明：在玉米-大豆輪作條件下，秸稈還田處理與施用化肥處理之間的大豆產(chǎn)量沒有顯著差異（P > 0.05）（圖1），秸稈還田處理大豆的收獲指數(shù)明顯提高，這很可能是因?yàn)橛衩捉斩掃€田改變了下茬大豆對(duì)氮的積累模式。為此，利用穩(wěn)定同位素15N標(biāo)記的方法，深入研究了大豆對(duì)肥料氮、土壤氮、秸稈氮和共生固氮的利用，探討了秸稈還田對(duì)大豆植株體內(nèi)不同來源氮素的積累影響以及與大豆產(chǎn)量形成之間的關(guān)系。研究結(jié)果揭示了秸稈還田可增加大豆生長(zhǎng)后期的氮吸收量，但R5-R8期營養(yǎng)器官氮素的再利用量卻顯著下降（圖2），發(fā)現(xiàn)秸稈還田對(duì)大豆氮素積累影響主要來自對(duì)共生固氮的促進(jìn)作用，表現(xiàn)為根瘤數(shù)量、質(zhì)量和密度顯著提高。進(jìn)一步的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田顯著提高了大豆根際固氮nifH基因拷貝數(shù)且改變固氮微生物群落結(jié)構(gòu)（圖3），固氮菌對(duì)結(jié)瘤位的競(jìng)爭(zhēng)能力增強(qiáng)。基于此研究結(jié)果，我們認(rèn)為黑土玉米-大豆輪作體系可以通過秸稈還田的方式來達(dá)到減少氮肥施用，提高大豆固氮生態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大豆穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。
圖1. 2014、2016和2018年秸稈還田對(duì)大豆產(chǎn)量和干物質(zhì)累積量的影響
圖2. 秸稈還田對(duì)大豆籽粒氮素來源的影響
圖3 秸稈還田、不施肥和施用化肥固氮菌群落結(jié)構(gòu)PCoA分析（A）和聚類分析（B）
該研究有助于優(yōu)化黑土區(qū)大豆生產(chǎn)過程中養(yǎng)分管理策略，豐富大豆氮素吸收模式生態(tài)理論，對(duì)于如何保護(hù)好、利用好黑土地提供了理論支持。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在農(nóng)林科學(xué)領(lǐng)域國際主流期刊Field Crops Research和Plant and Soil上，主要工作由東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組謝志煌博士研究生、李彥生副研究員、于鎮(zhèn)華副研究員、金劍研究員和劉曉冰研究員等共同完成。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41771326）和中科院A類先導(dǎo)專項(xiàng)（XDA28020201）的資助。
論文詳細(xì)信息如下：
Zhihuang Xie#, Yansheng Li#, Zhenhua Yu, Guanghua Wang, Caixian Tang, Ulrike Mathesius, Xiaobing Liu, Junjie Liu, Judong Liu, Stephen J. Herbert, Junjiang Wu & Jian Jin*. Incorporation of maize crop residue maintains soybean yield through the stimulation of nitrogen fixation rather than residue-derived nitrogen in Mollisols. Field Crops Research, 2021, 272, 108269.
Zhihuang Xie#, Zhenhua Yu#, Yansheng Li, Guanghua Wang, Caixian Tang, Ulrike Mathesius, Xiaobing Liu, Junjie Liu, Judong Liu, Stephen J. Herbert, Junjiang Wu & Jian Jin* Linking rhizospheric diazotrophs to the stimulation of soybean N2 fixation in a Mollisol amended with maize straw. Plant and Soil, 2021, 463, 279–289.
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037842902100215X
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11104-021-04904-1
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