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土壤是地球上微生物种类和生物多样性最高的生境。土壤微生物是土壤生物肥力形成和维系的核心,提高和维持土壤生物肥力,增加土壤基础地力对粮食生产的贡献率是实现粮食高产,确保农业可持续发展的关键。因此,研究高产土壤微生物区系的培育措施和调控机理对提高土壤生物肥力,增加作物产量具有重要的意义。施肥不仅可以改变土壤理化和生物性状,影响土体的土壤微生物区系;而且还能促进植物的生长,影响植物根系分泌物的组成,进而影响根际的土壤微生物区系。本论文分别研究了施肥和添加植物根系分泌物对土壤微生物区系的影响,共分成三个部分。第一部分首先分析比较了不同施肥处理对作物产量及其构成因素的影响,找出具有培育高产土壤微生物区系潜力的施肥措施,进而研究这些施肥措施在培育高产土壤过程中对微生物群落的影响,找出指示高产土壤微生物区系的生物学指标;第二部分首先收集并鉴定了拟南芥不同生长阶段的根系分泌物,通过设置不同的根系分泌物添加处理研究其对土壤微生物区系的影响,找出特定根系分泌物组分和微生物类群的关系;第三部分通过土壤悬液实验研究了施肥措施培育和根系分泌物调控的微生物区系对拟南芥生物量的影响。主要研究结果如下:1.施肥能够影响作物产量及其构成因素、增加土壤速效养分含量和土壤微生物生物量,是农田生态系统中影响微生物区系的最主要因子。在水稻季,猪粪有机无机复合肥配施化肥(NPKMOI)处理能够提高水稻的有效穗数和产量;在小麦季,秸秆还田配施化肥(NPKS)处理能够提高小麦的有效穗数和产量。施肥能显著提高土壤碱解氮、速效磷和速效钾的含量,且NPKMOI处理中的碱解氮和速效钾含量最高。施肥能够显著增加土壤微生物量碳、氮,且NPKMOI处理的微生物量碳、氮最高。高通量测序结果显示,施肥能够显著改变土壤细菌群落结构,且不同施肥措施在水稻季和小麦季对细菌区系的影响趋势一致。冗余分析(RDA)显示NPKMOI处理的细菌区系与其他施肥处理和对照显著不同,NPKS处理的细菌区系与其他施肥处理类似,与对照显著分开。方差分解分析(VPA)表明施肥措施对细菌群落结构变异度的贡献率最高,是影响细菌区系变化的最主要因子。因此,NPKMOI和NPKS是具有培育高产土壤微生物区系潜力的措施。2.微生物群落结构多样性和功能多样性提高,微生物类群之间相互作用增加及微生物网络的稳定是高产土壤微生物区系培育过程中的重要生物学指标。BIOLOG微平板分析显示NPKS处理显著增加了土壤微生物群落总体活性和碳源利用多样性。高通量测序结果显示NPKS和NPKMOI处理均增加了土壤细菌和真菌的alpha多样性。主坐标分析(PCoA)显示NPKS和NPKMOI处理均能定向改变土壤细菌和真菌的群落结构,且这种改变在水稻季和小麦季的趋势是一致的。网络分析表明NPKS和NPKMOI处理的土壤细菌和真菌类群之间的相互作用更多,网络更稳定。普氏分析显示细菌和真菌群落结构显著相关,表明施肥对细菌和真菌区系的影响是一致的。相关性分析表明土壤细菌、真菌的多样性和群落结构与水稻、小麦的产量呈显著正相关。因此,可以将微生物群落多样性和功能多样性作为土壤生物肥力的指标。3.拟南芥不同生长阶段的根系分泌物组成显著不同。在无菌条件下,通过溶液法收集得到拟南芥苗期、营养生长期和抽薹期的根系分泌物。气相色谱-质谱联用(GC-MS)方法共检测到534种物质,鉴定出其中的202种物质,包括26种糖、7种糖酸、25种(糖)醇、60种有机酸、12种核酸、35种氨基酸、17种酰胺/胺和20种其他类物质。主成分分析显示拟南芥苗期、营养生长期和抽薹期的根系分泌物组成显著不同。苗期的根系分泌物以糖类和有机酸类物质为主;营养生长期的根系分泌物以氨基酸类物质为主;抽薹期根系分泌物中各类物质的分泌量较均匀,具有最高的化学多样性和均匀度。4.为探究根系分泌物能否定向调控土壤微生物区系,将收集得到的拟南芥不同生长阶段的根系分泌物按正向(苗期-营养生长期-抽薹期)和反向(抽薹期-营养生长期-苗期)顺序分别添加到土壤中,研究土壤细菌和真菌区系的变化。结果显示,土壤硝态氮、速效磷和速效钾的含量随着根系分泌物的添加而增加,且在反向添加顺序中的含量高于正向添加顺序。主坐标分析(PCoA)显示细菌和真菌群落结构在正向和反向添加顺序中遵循不同的演替路径,最终形成类似的细菌和真菌区系,表明根系分泌物(驱动力)的添加顺序不影响最终的群落结构,证明根系分泌物对土壤微生物区系的影响不是随机的,因此可以通过添加合适的驱动力定向调控土壤微生物区系。相关性分析表明添加的根系分泌物与土壤速效养分、细菌和真菌群落结构呈显著正相关。5.秸秆还田培育和抽薹期根系分泌物调控的土壤微生物区系能够促进拟南芥生物量的累积。在实验室控制条件下,土壤实验证明秸秆还田、猪粪有机无机复合肥及添加有抽薹期根系分泌物的处理能够增加拟南芥的生物量;土壤悬液实验证明秸秆还田培育的土壤微生物区系和抽薹期的根际微生物区系能够促进拟南芥生物量的累积。本论文研究了施肥措施和添加根系分泌物对土壤微生物群落结构及多样性的影响,并通过土壤悬液实验研究了施肥和添加根系分泌物形成的微生物区系对拟南芥生长的影响,表明通过合理的施肥措施和添加相应的根系分泌物能够达到培育和调控高产土壤微生物区系的目的,为今后在调控微生物区系方面的研究提供一定的理论基础。