东北地理所在干旱胁迫下保护性耕作对作物产量的调控研究中取得进展

全球气候变化导致东北大部分地区干旱事件频发，引起粮食产量显著下降，土壤微生物群落结构和功能也直接或间接地受到影响。保护性耕作是我国北方粮食产区应对干旱的积极应对策略之一。然而，很少有研究将土壤碳排放、微生物和作物三者结合起来分析保护性耕作对自然干旱的综合响应。为此，东北地理所黑土有机碳与保护性耕作学科组以保护性耕作长期定位试验为研究平台，比较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产量，以评价保护性耕作的影响及其应对干旱的适应机制。

研究结果表明：正常年份免耕条件下土壤具有较低的土壤温度（低约1℃），较高土壤含水量，同时免耕条件下的玉米产量和碳排放效率（产量与土壤CO2年排放量之比）比常规耕作处理降低22%和25%，只增加了播种前和生长季后期（8-9月）的土壤微生物磷脂脂肪酸含量；干旱年份（2015年），免耕的土壤温度（5、10、20 cm）比常规耕作低约2℃，土壤含水量显著增加28%（图1），并且显著增加玉米产量（47%）、碳排放效率（63%）和生长季节内的土壤微生物磷脂脂肪酸含量。耕作处理间碳排放效率的差异主要是由作物产量引起的，因为无论正常年份还是干旱年份，免耕与常规耕作间的年土壤CO2排放量没有显著差异。结构方程模型揭示了耕作方式通过土壤含水量、温度、土壤真菌和细菌等间接影响碳排放效率（图2）。另外，运用FUNGuild评估土壤真菌功能发现，免耕抑制了土壤中某些致病菌（Fusarium oxysporum, Alternaria sp），而使共生菌（Leptodontidium sp）的相对丰度增加（图3），相关的研究结果发表在European Journal of Soil Biology（Wang Qian et al., 2021）期刊。这些结果表明免耕（保护性耕作）是东北地区连作玉米抗旱的一种积极应对策略，并且不是以增加土壤碳排放和减低土壤微生物群落功能为代价。

图1 免耕和常规耕作土壤含水量

图2土壤含水量、温度和土壤微生物与碳排放效率结构方程模型

图3 不同耕作处理下土壤优势真菌OTUs热图

以上研究由东北地理所贾淑霞副研究员（第一作者）、梁爱珍研究员（通讯作者）、吴东辉研究员（通讯作者）以及硕士研究生王倩（第一作者）等共同完成。研究结果于近期发表在Geoderma和European Journal of Soil Biology上。该项目得到了国家自然科学基金和中国科学院前沿科学重点研究计划项目的资助。论文信息如下：

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.