東北地理所在干旱脅迫下保護性耕作對作物產量的調控研究中取得進展
全球氣候變化導致東北大部分地區干旱事件頻發，引起糧食產量顯著下降，土壤微生物群落結構和功能也直接或間接地受到影響。保護性耕作是我國北方糧食產區應對干旱的積極應對策略之一。然而，很少有研究將土壤碳排放、微生物和作物三者結合起來分析保護性耕作對自然干旱的綜合響應。為此，東北地理所黑土有機碳與保護性耕作學科組以保護性耕作長期定位試驗為研究平臺，比較了自然干旱和正常降水年份下的土壤CO2排放、土壤微生物群落和作物產量，以評價保護性耕作的影響及其應對干旱的適應機制。
研究結果表明：正常年份免耕條件下土壤具有較低的土壤溫度（低約1℃），較高土壤含水量，同時免耕條件下的玉米產量和碳排放效率（產量與土壤CO2年排放量之比）比常規耕作處理降低22%和25%，只增加了播種前和生長季后期（8-9月）的土壤微生物磷脂脂肪酸含量；干旱年份（2015年），免耕的土壤溫度（5、10、20 cm）比常規耕作低約2℃，土壤含水量顯著增加28%（圖1），并且顯著增加玉米產量（47%）、碳排放效率（63%）和生長季節內的土壤微生物磷脂脂肪酸含量。耕作處理間碳排放效率的差異主要是由作物產量引起的，因為無論正常年份還是干旱年份，免耕與常規耕作間的年土壤CO2排放量沒有顯著差異。結構方程模型揭示了耕作方式通過土壤含水量、溫度、土壤真菌和細菌等間接影響碳排放效率（圖2）。另外，運用FUNGuild評估土壤真菌功能發現，免耕抑制了土壤中某些致病菌（Fusarium oxysporum, Alternaria sp），而使共生菌（Leptodontidium sp）的相對豐度增加（圖3），相關的研究結果發表在European Journal of Soil Biology（Wang Qian et al., 2021）期刊。這些結果表明免耕（保護性耕作）是東北地區連作玉米抗旱的一種積極應對策略，并且不是以增加土壤碳排放和減低土壤微生物群落功能為代價。
圖1 免耕和常規耕作土壤含水量
圖2土壤含水量、溫度和土壤微生物與碳排放效率結構方程模型
圖3 不同耕作處理下土壤優勢真菌OTUs熱圖
以上研究由東北地理所賈淑霞副研究員（第一作者）、梁愛珍研究員（通訊作者）、吳東輝研究員（通訊作者）以及碩士研究生王倩（第一作者）等共同完成。研究結果于近期發表在Geoderma和European Journal of Soil Biology上。該項目得到了國家自然科學基金和中國科學院前沿科學重點研究計劃項目的資助。論文信息如下：
1. Shuxia Jia, Aizhen Liang*, Shixiu Zhang, Xuewen Chen, Neil B. McLaughlin, Bingjie Sun, Xiaoping Zhang, Donghui Wu*. Effect of tillage system on soil CO2 flux, soil microbial community and maize (Zea mays L.) yield. Geoderma, 2012, 384, 11481. DOI: 10.1016/j.geoderma.2020.114813
2. Qian Wang, Aizhen Liang, Xuewen Chen, Shixiu Zhang, Yan Zhang, Neil B. McLaughlin, Yan Gao, Shuxia Jia*. The impact of cropping system, tillage and season on shaping soil fungal community in a long-term field trial. European Journal of Soil Biology, 2021, 102, 103253. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2020.103253
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