東北地理所在黑土區秸稈還田影響大豆氮吸收及產量形成的研究中取得重要進展
全球農作物秸稈的產量約為每年50億噸。作物殘體還田不僅有利于改善土壤的物理、化學和生物特性，還能為下一季作物提供營養物質。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；量化下一季大豆對玉米秸稈氮的利用，對于優化氮肥的施用策略，促進黑土區農業的可持續發展至關重要。為此，中國科學院東北地理所的研究人員于2013年在黑龍江省海倫市設立田間定位試驗，基于玉米-大豆輪作體系，在玉米生長季正常施用化肥，研究了大豆生長季（1）不施肥（2）施用化肥和（3）玉米秸稈還田對大豆氮吸收及產量形成的影響。結果表明：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明顯提高，這很可能是因為玉米秸稈還田改變了下茬大豆對氮的積累模式。為此，利用穩定同位素15N標記的方法，深入研究了大豆對肥料氮、土壤氮、秸稈氮和共生固氮的利用，探討了秸稈還田對大豆植株體內不同來源氮素的積累影響以及與大豆產量形成之間的關系。研究結果揭示了秸稈還田可增加大豆生長后期的氮吸收量，但R5-R8期營養器官氮素的再利用量卻顯著下降（圖2），發現秸稈還田對大豆氮素積累影響主要來自對共生固氮的促進作用，表現為根瘤數量、質量和密度顯著提高。進一步的機制研究發現，秸稈還田顯著提高了大豆根際固氮nifH基因拷貝數且改變固氮微生物群落結構（圖3），固氮菌對結瘤位的競爭能力增強?；诖搜芯拷Y果，我們認為黑土玉米-大豆輪作體系可以通過秸稈還田的方式來達到減少氮肥施用，提高大豆固氮生態效應，進而實現大豆穩產、高產。
圖1. 2014、2016和2018年秸稈還田對大豆產量和干物質累積量的影響
圖2. 秸稈還田對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構PCoA分析（A）和聚類分析（B）
該研究有助于優化黑土區大豆生產過程中養分管理策略，豐富大豆氮素吸收模式生態理論，對于如何保護好、利用好黑土地提供了理論支持。相關研究結果發表在農林科學領域國際主流期刊Field Crops Research和Plant and Soil上，主要工作由東北地理所農田分子生態學科組謝志煌博士研究生、李彥生副研究員、于鎮華副研究員、金劍研究員和劉曉冰研究員等共同完成。該項工作得到了國家自然科學基金面上項目（41771326）和中科院A類先導專項（XDA28020201）的資助。
論文詳細信息如下：
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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