不同种植模式对缓解棉花连作障碍的根系分泌物调控机制

Cotton is an intolerance continuous cropping crop. Continuous cropping obstacles restrict sustainable development of cotton production, which are the most important issues in agricultural production that need to be solved. In this study, the field positioning experiments are conducted to investigate the cotton yield advantage，interspecific interaction and root distribution and morphology characters in different planting patterns. The aims are to reveal interspecific advantage and competitive compensation mechanism between cumin, onion, wheat or alfalfa and cotton intercropping/rotation system. The components and content of allelopathic substance in the cotton soil in different planting patterns will be analysed and quantified by HPLC-MS, aimed to elucidate accumulation and distribution regulation of main autotoxic substances in the cotton cropping obstacle field, and investigate abating mechanism of allelopathic autotoxicition components by intercropping cumin. The effect of donator root exudates on the cotton soil microbial community diversity will be explored to illustrate the ecological regulation mechanism of crop diversification on continuous cotton cropping obstacles by PCR-PLFA methods. Through crop diversification cultivation, it will regulate the population characteristics rhizosphere microorganism directionally and recover a normal rhizosphere ecosystems, eventually overcome the problems of cotton continuous cropping obstacle.

针对新疆棉花长期连作所产生的连作障碍问题，依托石河子大学实验站棉花长期连作定位试验田，通过几种作物与不同连作年限棉花间作与轮作，研究不同种植模式对棉花地上部植株生长及地下部根系发育的影响，揭示多样性种植促进棉花生长的种间优势及竞争补偿机制；应用HPLC-MS技术定量分析孜然、洋葱、小麦和紫花苜蓿与棉花间作与轮作对不同连作年限棉田土壤中主要化感物质含量影响，明确产生连作障碍的棉田主要化感物质的组分及在棉田土壤中积累、分布规律，揭示根系种间的相互作用对化感物质的消减或抑制作用；采用PCR-DGGE法分析不同种植模式下连作棉田土壤微生物群落结构多样性及遗传基因多样性变化，阐明供体作物根系分泌物对棉田土壤微生物群落结构及组成的影响，从根际微生态角度探讨作物多样性栽培对棉花连作障碍的生态调控机制。

通过轮作、间作构建高效复合群体，丰富地上部作物多样性来调节和恢复土壤微生物多样性，利用不同作物根系分泌的生理活性物质，消减造成棉花连作障碍的化感自毒物质，改善土壤微生物群落功能多样性，从而恢复土壤生态系统机能，达到缓解棉花连作障碍的目标。本试验选择不同连作年限棉田设置棉花间作孜然、洋葱及棉花与紫花苜蓿、小麦轮作处理,研究了不同种植模式种间优势及竞争补偿的生理生态机制、连作棉田土壤中化感自毒物质的影响及不同间作、轮作作物根系分泌物对连作棉田土壤微生物量及种群结构影响。研究结果如下：1.对-羟基苯甲酸（P-HA）、香草醛（VA）、阿魏酸（FA）3种酚酸类化感物质在田间自然浓度下可促进棉花种子萌发，但对幼苗生长及根系生理活性表现为抑制作用，3种化感物质组合作用时比单一化感物质对棉花种子萌发和幼苗生长的化感效应低，存在拮抗效应。2.棉花间作洋葱、轮作小麦和轮作苜蓿与棉花连作相比可促进棉花地上部植株生长，提高棉花叶绿素含量和光合速率，间作和轮作处理均可促进棉花根系发育，表现为棉花根长、根表面积和根体积比连作增加，提高棉花根系活力、根系抗氧化保护酶活性及可溶性蛋白含量，并降低丙二醛含量。3.棉花间作洋葱、间作孜然和轮作小麦、苜蓿处理增加了棉花根际土壤细菌群落的物种丰富度和多样性，不同处理间表现为：轮作小麦>间作孜然>间作洋葱>轮作苜蓿；不同处理能改善棉花根际土壤微生物群落结构组成，且间作处理的门水平主成分与连作处理的差异大于轮作处理与连作处理的差异。在属水平上间作洋葱、间作孜然、轮作苜蓿和轮作小麦处理能改变部分菌属的丰富度，引起根际土壤微生物群落功能的变化。4.棉花间作洋葱、孜然和棉花轮作小麦、苜蓿的种植模式可以消减连作棉田土壤中总酚和化感物质含量，与棉花连作相比土壤总酚含量分别降低20.44%、8.91%和3.56%、6.19%，对-羟基苯甲酸、香草醛、阿魏酸三种化感物质总量分别降低60.4%、19.5%和38.4%、26.1%，间作和轮作因种植作物不同消减效果不同，棉花间作洋葱轮作小麦缓解棉花连作障碍效果最好。5.对羟基本甲酸、香草酸、香草醛、阿魏酸，没食子酸5种化感物质在棉田土壤中随连作年限增加而增加，在0-20cm土层含量最高，随土层深度增加而下降，棉花从苗期到现蕾期土壤化感物质含量逐渐增加，现蕾期最高，到花铃期又下降。